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 Thisworkissubjecttocopyright.AllrightsarereservedbythePublisher,whetherthewholeorpart of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilarmethodologynowknownorhereafterdeveloped. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt fromtherelevantprotectivelawsandregulationsandthereforefreeforgeneraluse. The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material contained hereinorforanyerrorsoromissionsthatmayhavebeenmade. Printedonacid-freepaper ThisSpringerimprintispublishedbySpringerNature TheregisteredcompanyisSpringerInternationalPublishingAG 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