A signal complexity-based approach for AM–FM signal modes counting

Frequency modulated signals appear in many applied disciplines, including geology, communication, biology and acoustics. They are naturally 1multicomponent, i.e., they consist of multiple waveforms, with specific time-dependent frequency (instantaneous frequency). In most practical applications, the number of modes—which is unknown—is needed for correctly analyzing a signal; for instance for separating each individual component and for estimating its instantaneous frequency. Detecting the number of components is a challenging problem, especially in the case of interfering modes. The Rényi Entropy-based approach has proven to be suitable for signal modes counting, but it is limited to well separated components. This paper addresses this issue by introducing a new notion of signal complexity. Specifically, the spectrogram of a multicomponent signal is seen as a non-stationary process where interference alternates with non-interference. Complexity concerning the transition between consecutive spectrogram sections is evaluated by means of a modified Run Length Encoding. Based on a spectrogram time-frequency evolution law, complexity variations are studied for accurately estimating the number of components. The presented method is suitable for multicomponent signals with non-separable modes, as well as time-varying amplitudes, showing robustness to noise.

I segnali modulati in frequenza appaiono in molte discipline applicate, tra cui la geologia, la comunicazione, la biologia e l'acustica. Questi sono multicomponenti, cioè consistono in forme d'onda multiple, con frequenza specifica dipendente dal tempo (frequenza istantanea). Nella maggior parte delle applicazioni pratiche, il numero di modalità - che è sconosciuto - è necessario per analizzare correttamente un segnale; per esempio per separare ogni singolo componente e per stimare la sua frequenza istantanea. Il rilevamento del numero di componenti è un problema impegnativo, specialmente nel caso di modalità che interferiscono. L'approccio basato sull'entropia di Rényi si è dimostrato adatto per il conteggio delle modalità di un segnale, ma è limitato a componenti ben separate. Il presente documento affronta questo problema introducendo una nuova nozione di complessità del segnale. In particolare, lo spettrogramma di un segnale multicomponente è visto come un processo non stazionario in cui l'interferenza si alterna alla non interferenza. La complessità relativa alla transizione tra sezioni consecutive dello spettrogramma viene valutata mediante la Run Length Encoding. Sulla base di una legge di evoluzione tempo-frequenza dello spettrogramma, le variazioni di complessità sono studiate per stimare accuratamente il numero di componenti. Il metodo presentato è adatto a segnali multicomponente con modalità non separabili, così come ad ampiezze variabili nel tempo e mostra robustezza al rumore.