Time-frequency domain for segmentation and classification of non-stationary signals : the Stockwell Transform applied on bio-signals and electric signals

149 Pages·2014·4.552 MB·English

by  Abdeslam, Djaffar Ould, Dieterlen, Alain, Moukadem, Ali

TimeFrequency Domain for Segmentation
and Classification of Non-stationary Signals

FOCUS SERIES
Series Editor Francis Castanié
TimeFrequency Domain for
Segmentation and Classification
of Non-stationary Signals
The Stockwell Transform Applied on
Bio-signals and Electric Signals
Ali Moukadem
Djaffar Ould Abdeslam
Alain Dieterlen
Firstpublished2014inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as
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©ISTELtd2014
TherightsofAliMoukadem,DjaffarOuldAbdeslamandAlainDieterlentobeidentifiedastheauthors
ofthisworkhavebeenassertedbytheminaccordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988.
LibraryofCongressControlNumber: 2014930208
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISSN2051-2481(Print)
ISSN2051-249X(Online)
ISBN978-1-84821-613-6
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Chapter1.TheNeedforTime–FrequencyAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Stationaryandnon-stationaryconcepts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1.Stationarity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2.Non-stationarity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.Temporalrepresentations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.Frequencyrepresentationsofsignals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1.Fouriertransform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2.Meanfrequency,bandwidthandfrequencyaverage . . . . . . . . . 10
1.5.Uncertaintyprinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.Limitationoftimeanalysisandfrequencyanalysis:theneedfortime–
frequencyrepresentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6.1.Instantaneousfrequency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Chapter2.Time–FrequencyAnalysis:TheS-Transform . . . . . . . . . . . 21
2.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.Syntheticsignals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.TheSTFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.TheWT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.TheWigner–Villedistribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1.Thepseudo-WVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.2.ThesmoothedPWVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.Cohen’sclass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7.TheS-transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
vi Time–FrequencyDomainforSegmentationandClassification
2.7.1.PropertiesoftheS-transform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7.2.ThediscreteS-transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7.3.TheimprovementoftheS-transformenergyconcentration. . . . . 41
2.7.4.TheST-spectrogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.8.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Chapter3.SegmentationandClassificationofHeartSoundsBasedonthe
S-Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.Methodsandmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1.Datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2.Localizationandsegmentationofheartsounds . . . . . . . . . . . . 65
3.2.3.Classificationofheartsounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.1.Localizationandsegmentationresults. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.2.S1andS2classificationresults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.3.Murmurdetectionresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Chapter4.AdalinefortheDetectionofElectricalEventsin
ElectricalSignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.Electricevents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.1.Powerquality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.2.Electricevents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.Adaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.Adalineforfrequencyestimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.1.Adalinemethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4.2.Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.5.Adalineforvoltagecomponentextractioninunbalancedsystem . . . . 97
4.5.1.Modeloftheunbalancedvoltagesystem. . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.2.ExtractionofthevoltagecomponentsintheDQ-space . . . . . . . 99
4.5.3.Onlineestimationoftheinstantaneousphasesθ andθ . . . . . . . 100
d i
4.5.4.FilteringtheACcomponentsintheDQ-space. . . . . . . . . . . . . 101
4.5.5.Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.6.Adalineforharmoniccurrentidentificationandcompensation . . . . . 108
4.6.1.Adalinemethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.6.2.Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.7.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Contents vii
Chapter5.FPGAImplementationoftheAdaline . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.Instantaneouspowertheory(IPT)intheAPF. . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.AdalineforthecomputingoftheIPTinthePLL . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.1.Adaline-basedPLL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.2.Amultiplexingapproachforhardwareconsumptionreduction. . . 126
5.4.Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4.1.Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4.2.FPGAimplementationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135