Study of nonlinear digital filtering of signals using generative competitive neural network

Authors

  • Dmitry E. Tsibulis South Ural State University, Chelyabinsk, Russia
  • Andrey N. Ragozin South Ural State University, Chelyabinsk, Russia
  • Stanislav N. Darovskikh South Ural State University, Chelyabinsk, Russia
  • Askar Z. Kulganatov South Ural State University, Chelyabinsk, Russia

DOI:

https://doi.org/10.14529/ctcr220215

Keywords:

generative adversarial network, digital filter, information signal

Abstract

The article presents the results of the study, as well as the structural schemes and parameters of the components of the generative-adversarial neural network. Graphical images of the results of filtering radio signals are given. Conclusions are drawn about the possibilities of using these neural networks. The purpose of the study. Substantiation of the possibilities of using generative-sensory artificial neural networks to solve problems of digital processing of radio signals. Materials and methods. To evaluate the results of digital filtering of noisy signals, the method of mathematical modeling in the Matlab environment was used. As test signals, the following were taken: a sine wave, a signal in the form of a sum of sinusoids, a model of a real radio-technical information signal. White Gaussian noise is used as the noise component. Also, filtering of the signal is carried out, in which there is no fragment of a certain length. A training sample was generated for the neural network of the generator, consisting of noisy test signals. A training sample of the discriminator neural network was also generated, consisting of test signals that do not contain noise. Results. Based on the simulation, it is concluded that the generative-adversarial neural network successfully solves the problems of isolating a useful signal in a mixture of it with noise of various physical nature. Such a neural network structure is also able to restore a useful signal if any part of it is missing as a result of external interference. Conclusion. The existing methods of digital filtering of radio signals require certain labor and time costs associated with the calculation of digital filters. Also, when designing high-order filters, it becomes difficult to calculate these filters. The idea of using a neural network in filtering tasks makes it possible to significantly reduce the filter design time, thus simplifying the process of its implementation. A neural network, which is a self-learning system, can find solutions that are inaccessible to conventional digital filtering algorithms. The results of this work can find their application in the field of digital signal processing and in the development of software-configurable radio.

Author Biographies

Dmitry E. Tsibulis, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia

Postgraduate Student of the Department of Infocommunication Technologies

Andrey N. Ragozin, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia

Cand. Sci. (Eng.), Ass. Prof., Department of Information Security, Department of Infocommunication Technologies

Stanislav N. Darovskikh, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia

Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Department of Infocommunication Technologies

Askar Z. Kulganatov, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia

Postgraduate Student of the Department of Electric Power Generation Stations, Networks and Supply Systems

References

Цибулис Д.Э., Рагозин А.Н., Даровских С.Н. Исследование цифровой фильтрации информационного сигнала с использованием искусственной нейронной сети автокодировщика // Инфокоммуникационные технологии: актуальные вопросы цифровой экономики: сб. науч. тр. II Междунар. науч.-практ. конф., Екатеринбург, 26–27 января 2022 года / под ред. В.П. Шувалова., сост. М.П. Карачарова. 2022. С. 144–149. EDN MNBGOL.

Цибулис Д.Э., Рагозин А.Н. Анализ информационных сигналов с использованием генеративно-состязательных нейронных сетей // Безопасность информационного пространства: сб. тр. XIX Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Екатеринбург, 08–11 декабря 2020 года. 2021. С. 40–44. EDN BCYSYJ.

Гудфеллоу Я., Бенджио И., Курвилль А. Глубокое обучение / пер. с англ. А. А. Слинкина. 2-е изд., испр. М.: ДМК Пресс, 2018. 652 с.

Зеленский А.А., Письменскова М.Н., Воронин В.В. Алгоритм поиска изображений в виде хэш-функций на основе глубинных нейросетевых технологий // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2018. Т. 21, № 3. С. 57–62.

Акинина А.Н., Никифоров М.Б. Алгоритм детектирования несанкционированных свалок мусора на основе анализа данных дистанционного зондирования Земли // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 10. С. 321–329.

Анализ методов многомодального объединения информации для аудиовизуального распознавания речи / Д.В. Иванько, И.С. Кипяткова, А.Л. Ронжин, А.А. Карпов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16, № 3. С. 387–401.

Детектирование неизвестных звуков для людей с нарушенным слухом на основе вариационного автоэнкодера / А.Х. Сарафасланян, В.В. Чепраков, Д.А. Суворов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2019. № 1 (124). С. 35–49.

Generative Adversarial Networks / I. Goodfellow, J. Pouget-Abadie, M. Mirza et al. Department of Computer Science and Research, University of Montreal. Montreal. QC H3C 3J7.

Arjovsky M., Chintala S., Bottou L. Wasserstein GAN. 06.12.2017. [Электронный ресурс]. URL: https://arxiv.org/pdf/1701.07875.pdf.

Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks / Jun-Yan Zhu, Taesung Park, Phillip Isola, Alexei A. Efros. University of California at Berkeley, in ICCV, 2017. URL: https://junyanz.github.io/CycleGAN/.

Hesse C. Image-to-Image Demo. Interactive Image Translation with pix2pix-tensorflow. 2017. [Электронный ресурс]. URL: http://www.newart.ru/htm/flash/risovalka_90.php.

Татузов А.Л. Нейронные сети в задачах радиолокации. Кн. 28. М.: Радиотехника, 2009. 432 с. (Научная серия «Нейрокомпьютеры и их применение»).

Аксенов С.В., Новосельцев В.Б. Организация и использование нейронных сетей (методы и технологии) / под общ. ред. В.Б. Новосельцева. Томск: Изд-во НТЛ, 2006. 128 с.

Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / пер. с польск. И.Д. Рудинского. 2-е изд., стереотип. М.: Горячая линия – Телеком, 2013. 384 с.:

Фокин Г.А. Технологии программно-конфигурируемого радио: учеб. пособие для вузов. М.: Горячая линия – Телеком, 2019. – 316 с.

Published

2022-05-17

Issue

Section

Short messages