Compressive Sensing Based Algorithms for Electronic Defence

188 Pages·2017·6.35 MB·English

by  Amit Kumar Mishra

Signals and Communication Technology
Amit Kumar Mishra
Ryno Strauss Verster
Compressive
Sensing Based
Algorithms
for Electronic
Defence
Signals and Communication Technology
More information about this series at http://www.springer.com/series/4748
Amit Kumar Mishra Ryno Strauss Verster
(cid:129)
Compressive Sensing Based
Algorithms for Electronic
Defence
123
Amit KumarMishra RynoStrauss Verster
Department ofElectrical Engineering Department ofElectrical Engineering
University of Cape Town University of Cape Town
Rondebosch,Cape Town Rondebosch,Cape Town
SouthAfrica SouthAfrica
ISSN 1860-4862 ISSN 1860-4870 (electronic)
Signals andCommunication Technology
ISBN978-3-319-46698-9 ISBN978-3-319-46700-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-319-46700-9
LibraryofCongressControlNumber:2016956629
©SpringerInternationalPublishingAG2017
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Theregisteredcompanyaddressis:Gewerbestrasse11,6330Cham,Switzerland
To our loving families and colleagues.
Contents
Part I Electronic Defence and Compressive Sensing
1 Introduction.... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 3
1.1 Motivation and Problem Statement... .... .... .... ..... .... 4
1.2 Outline and Contribution .. .... .... .... .... .... ..... .... 5
2 Electronic Defence Systems..... .... .... .... .... .... ..... .... 7
2.1 Introduction ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 7
2.1.1 Electronic Defence Overview . .... .... .... ..... .... 8
2.1.2 Electronic Support.. .... .... .... .... .... ..... .... 10
2.1.3 Electronic Attack... .... .... .... .... .... ..... .... 11
2.1.4 Electronic Protect .. .... .... .... .... .... ..... .... 11
2.2 Electronic Support Communication Applications .... ..... .... 13
2.2.1 Communication Electronic Support—CES ... ..... .... 13
2.2.2 Communication Intelligence—COMINT. .... ..... .... 16
2.2.3 Signal Processing Techniques. .... .... .... ..... .... 16
2.2.4 Signal Classification .... .... .... .... .... ..... .... 17
2.2.5 Signal Feature Extraction .... .... .... .... ..... .... 21
2.2.6 Emitter Identification.... .... .... .... .... ..... .... 22
2.3 Direction of Arrival Methods Used for Electronic
Support Tasks.. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 23
2.4 DOA Methods . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 24
2.4.1 Phase Interferometry.... .... .... .... .... ..... .... 25
2.4.2 DOA Estimation Algorithms.. .... .... .... ..... .... 29
2.5 Existing Compressive Based Direction-of-Arrival Methods . .... 31
3 Compressive Sensing: Acquisition and Recovery ... .... ..... .... 33
3.1 Introduction ... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 33
3.2 Compressive Sensing Formulation ... .... .... .... ..... .... 34
3.2.1 Compressible Signal and Sensing Matrices... ..... .... 35
3.2.2 Implementation for 1-Dimensional Signals ... ..... .... 37
vii
viii Contents
3.3 Compressive Sampling.... .... .... .... .... .... ..... .... 39
3.3.1 Random Demodulator (RD) Analog-to-Information
Sampler. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 41
3.3.2 Non-uniform Sampler (NUS) . .... .... .... ..... .... 42
3.3.3 Compressive Multiplexing (CMUX) Sampler . ..... .... 44
3.3.4 Summary of CS Sampling Methods .... .... ..... .... 44
3.4 CS Recovery Algorithms .. .... .... .... .... .... ..... .... 45
3.4.1 Convex Optimization-Based Algorithms. .... ..... .... 47
3.4.2 Fast ‘ -Algorithms . .... .... .... .... .... ..... .... 48
1
3.4.3 Greedy Algorithms . .... .... .... .... .... ..... .... 55
3.4.4 Summary of CS Recovery Algorithms .. .... ..... .... 58
Part II Simulations of Compressive Sensing Used for Electronic
Support Applications
4 Design of CS Based DOA Estimation for Modulated Shift-Keying
Signal. .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 63
4.1 Overview . .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 63
4.1.1 Shift-Keying CS Sensing Matrix Development..... .... 66
4.1.2 CS Recovery Method ... .... .... .... .... ..... .... 71
4.1.3 Implementing CS DOA Estimation. .... .... ..... .... 72
5 CS Based Shift-Keying Modulation .. .... .... .... .... ..... .... 75
5.1 Simulation Outline .. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 75
5.1.1 General Simulation Setup .... .... .... .... ..... .... 76
5.1.2 Performance Indicators .. .... .... .... .... ..... .... 76
5.1.3 Simulation Parameters... .... .... .... .... ..... .... 78
5.2 Simulation 1.1.1—Phase CS Recovery for 2FSK.... ..... .... 80
5.3 Simulation 1.1.2—Phase CS Recovery for 2PSK.... ..... .... 81
5.4 Simulation 1.2.1—CS Recovery of BIE for 2FSK ... ..... .... 82
5.5 Simulation 1.2.2—CS Recovery of BIE for 2PSK ... ..... .... 83
5.6 Assessment of System Parameters for Shift-Keying CS
Recovery . .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 84
5.7 Demodulation Capability .. .... .... .... .... .... ..... .... 86
5.8 Simulation 1.3.1—Computational Performance
of CS Recovery for 2FSK Signal.... .... .... .... ..... .... 88
5.9 Simulation1.3.2—ComputationalPerformanceofCSRecovery
for 2PSK Signal.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 88
5.10 Computational Performance of CS Recovery ... .... ..... .... 89
6 Modulation Specific CS DOA... .... .... .... .... .... ..... .... 93
6.1 Chapter Outline .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 93
6.1.1 General Simulation Setup .... .... .... .... ..... .... 94
6.1.2 Performance Indicators .. .... .... .... .... ..... .... 94
6.1.3 Simulation Parameters... .... .... .... .... ..... .... 95
6.2 Simulation 2.1—CS DOA for 2FSK Signals ... .... ..... .... 96
Contents ix
6.3 Simulation 2.2—CS DOA for 2PSK Signals ... .... ..... .... 98
6.4 Assessment of CS DOA Estimation Algorithm
for Shift Keying Modulated Signals.. .... .... .... ..... .... 100
6.4.1 Performance Assessment for ULA .... .... ..... .... 100
10
6.4.2 Performance Assessment for ULA . .... .... ..... .... 102
3
6.4.3 Comparison of ULA and ULA .. .... .... ..... .... 102
10 3
7 CS Based Spectrum Sensing for ES.. .... .... .... .... ..... .... 105
7.1 Problem Statement .. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 106
7.2 Selective Spectrum Weighted CS Approach.... .... ..... .... 107
7.3 Simulation Results .. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 109
7.3.1 Case 1: Wide Band Spectrum Recovery. .... ..... .... 109
7.3.2 Case 2: Selective Spectrum Sensing .... .... ..... .... 111
Part III Concluding Statements and Appendices
8 Concluding Remarks. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 117
8.1 CS Based DOA .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 117
8.1.1 AccuratePhaseRecoveryAchievableUsingOrthogonal
Matching Pursuit (OMP). .... .... .... .... ..... .... 117
8.1.2 Demodulation Capability via CS Recovery for 2FSK
Signals . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 117
8.1.3 Equivalent Computational Performance of CS DOA
as for Conventional DOA.... .... .... .... ..... .... 118
8.1.4 Higher Accuracy of DOA Estimates for CS DOA
Than Conventional DOA for Low SNRs .... ..... .... 118
8.1.5 Reduction of Memory Required Using CS DOA
Estimation... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 118
8.1.6 Scalability of CS DOA Estimation for Electronic
Support. .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 119
8.2 CS Based Spectrum Sensing.... .... .... .... .... ..... .... 119
8.3 Final Remarks . .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 120
9 Appendix: Some Useful Theoretical Background ... .... ..... .... 121
9.1 Electromagnetic Waves.... .... .... .... .... .... ..... .... 121
9.2 Receiver Components: Background .. .... .... .... ..... .... 122
9.2.1 Antennas.... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 122
9.2.2 RF Front-End Systems .. .... .... .... .... ..... .... 124
9.2.3 Radio Frequency Propagation Operations .... ..... .... 131
9.3 Typical ED System Configuration ... .... .... .... ..... .... 138
9.4 Electronic Support Receiver Systems. .... .... .... ..... .... 141
9.4.1 ES Receiver Characteristics... .... .... .... ..... .... 142
9.4.2 Sensitivity Conversion... .... .... .... .... ..... .... 146
9.4.3 Types of ES Receivers .. .... .... .... .... ..... .... 150
x Contents
9.5 Compressive Sensing Mathematical Fundamentals... ..... .... 158
9.5.1 Vector Space. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 158
9.5.2 Sets, Bases and Frames.. .... .... .... .... ..... .... 160
9.5.3 Matrix Construction for CS Sensing.... .... ..... .... 162
9.5.4 Null Space Property .... .... .... .... .... ..... .... 162
9.5.5 Restricted Isometry Property.. .... .... .... ..... .... 164
9.5.6 Compliant RIP Matrices . .... .... .... .... ..... .... 165
9.5.7 Incoherence.. ..... .... .... .... .... .... ..... .... 166
9.6 Sampling Techniques ..... .... .... .... .... .... ..... .... 167
9.6.1 Sampling Theory... .... .... .... .... .... ..... .... 167
9.6.2 Conventional Sampling Mixing-Acquisition .. ..... .... 169
9.6.3 Under Sampling Techniques.. .... .... .... ..... .... 170
9.6.4 Direct Sampling ... .... .... .... .... .... ..... .... 171
9.7 Wideband CS Sampling Techniques.. .... .... .... ..... .... 172
9.7.1 Multi-rate Asynchronous Sub-nyquist Sampling
(MASS). .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 172
9.7.2 Xampling-ADC and Modulated Wideband Converter
(MWC). .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 174
References.... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 177