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Gli autovalori

Definizione 5 Si chiama autovalore di A uno scalare λ ∈ R per

6.2 Test e valutazioni

Dopo aver spiegato il metodo proposto da Dixon per la

rileva-zione dei segnali, si `e giunti alla fase dei test in situazioni reali.

Nei precedenti capitoli si `e discusso il rilevamento di segnali in

situazioni di tipo didattico cio`e quando il rapporto segnale

ru-more `e maggiore di 1(il rumore aggiunto non modifica il segnale

in modo sostanziale). Si ricorda la formula per calcolare

l’even-Figura 6.1. Eigenspectrum multipli

tuale presenza di segnale

MKLT = 2M ax(λ)

N A(0,0) (6.1)

dove λ `e l’autovalore massimo, N sono il numero di punti del

frame-dati, A(0,0) `e l’energia dell’autocorrelazione. Per il

6.1 con un frame-dati rumoroso(nessun segnale presente), in se-guito si usa la stessa formula con un frame-dati di cui si vuole conoscere l’eventuale presenza di segnali. I due valori trovati e messi a confronto danno la risposta:

se MKLT(segnale) > MKLT(rumore)

allolra ⇒ rilevazione.

A questo punto occorre utilizzare il simulatore descritto nel pa-ragrafo 6.1 facendo alcuni test in casi dove il rapporto segnale

rumore `e buono e in altri dove tale rapporto `e pi`u scarso. Nella

Figura 6.2. Analisi autovettori

figura 6.2 si `e generato un segnale sinusoidale leggermente

al-terato da rumore bianco. In alto nella figura `e rappresentato lo

spettro di Fourier del frame-dati mentre in basso nell’area grande sono rappresentati gli spettri dei primi 15 autovettori a partire

dal dominante raffigurato pi`u in basso. Come si pu`o notare in tutti i singoli spettri compare una riga nella posizione in corris-pondenza della frequenza della sinusoide in analisi. La figura 6.3

Figura 6.3. Particolare dell’area FFT

rappresenta l’area FFT ingrandita, evidentemente in questa

si-tuazione `e ben evidente la componente sinusoidale presente circa

a 125Hz. Se si immerge ulteriormente il segnale sinusoidale nel

rumore(vedi fig. 6.4), gli spettri di alcuni autovettori meno

im-portanti non evidenziano pi`u la riga relativa alla frequenza della

sinusoide in analisi. Possiamo notare per`o che lo spettro

dell’au-tovettore dominante rimane ancora coerente con la frequenza della sinusoide. In questo caso , in cui lo spettro di Fourier del frame-dati riesce ancora a evidenziare la presenza di un segnale,

il metodo illustrato dalla formula 6.1 `e ancora valido. Vogliamo

per`o analizzare cosa succede quando il segnale `e immerso nel

ru-more cio`e quando dallo spettro di Fourier non si pu`o pi`u dire se

`

e presente un qualsiasi tipo di segnale diverso dal rumore. Allo scopo si osservi la fig. 6.5, dallo spettro di Fourier(in alto nella

Figura 6.5. Analisi autovettori: segnale rumoroso

figura) non si pu`o dire che `e presente un segnale, in questo caso

l’autovettore dominante non presenta pi`u la riga nella posizione

Figura 6.6. Particolare ingrandito dell’Area FFT

di Fourier per mostrare che la componente sinusoidale non `e pi`u

evidente rispetto alla componente casuale del rumore. Tutto ci`o

`e riassumibile come segue, quando nello spettro di Fourier il picco

massimo `e relativo alla frequenza del segnale in analisi la

formu-la 6.1 restituisce un valore utile per il rilevamento(condizione in

cui il rapporto segnale su rumore `e buono: maggiore di uno). Se

invece nello spettro di Fourier non `e pi`u possibile distinguere il

segnale dal rumore, l’autovettore dominante non mantiene pi`u

la riga sulla frequenza corretta. In quest’ultima condizione la

formula 6.1 non `e pi`u utile ai fini della rilevazione. I primi

espe-rimenti con questa formula hanno evidenziato il comportamento appena citato. La fig. 6.1 riporta sull’asse delle ascisse il tempo

e su quello delle ordinate 20 autovalori pi`u grandi in ordine

de-crescente partendo dall’alto(il primo autovalore in alto `e quello

relativo all’autovettore dominante). I vari tracciati sono ottenuti calcolando la KLT su un frame-dati, proveniente dalla parabola, ai vari istanti di tempo T. In altre parole la T-esima osservazione contenuta nel frame-dati relativa all’istante T genera,tramite il

calcolo KLT, un eigen-spectrum che `e impilato come evidenzia

l’ellisse nella figura. I vari autovalori di diverse osservazioni sono poi collegati tramite linee in modo da evidenziare l’andamento in funzione del tempo. Occorre precisare quanto segue:

o i dati acquisiti nel tracciato di fig. 6.1 sono dati reali con S/N<1(sorgente non forte);

o nella prima met`a temporale del tracciato della figura, il

dis-positivo di acquisizione(la parabola) era off-source cio`e non

puntava sulla sorgente;

o nella seconda met`a temporale il dispositivo `e stato messo

on-source, cio`e puntato sulla radiosorgente.

Questo tipo di tracciato ha evidenziato che l’autovalore

domi-nante1, passando da on-source a off-source, non `e influenzato

infatti mantiene un andamento regolare quelli che cambiano so-no alcuni degli autovalori successivi. In situazioni con segnale

debole(come nella maggioranza dei casi in radioastronomia) `e

evidente che, con questo metodo basato sulla variabilit`a

dell’au-tovalore dominante, non `e possibile fare un qualsiasi tipo di

rile-vamento di segnali. Questo comportamento inatteso ha costretto

la ricerca di un nuovo metodo mirato all’aumento della sensibilit`a

nelle situazioni di basso rapporto segnale rumore. Per ovviare

al problema della sensibilit`a si `e notato che lo spettro di

Fou-rier di qualcuno dei primi autovettori(non `e chiaro quali), non

necessariamente il primo, contiene l’informazione sulla frequen-za relativa al segnale in analisi. Per questo motivo ai fini della

rilevazione dei segnali `e stato modificato il metodo:

o si calcolano i primi p autovettori e di ciascuno si calcola lo spettro;

o si calcola la media di ciascun canale dei p spettri, producendo un unico spettro di Fourier;

o si `e integrato rispetto al tempo.

Quando si lancia il programma, ad ogni istante di tempo, il se-condo punto appena citato produce uno spettro(medie); i vari 1autovalore dominate `e quello massimo, mentre l’autovettore dominante `e quello associato all’autovalore massimo

spettri ottenuti in istanti di tempo successivi sono a loro volta mediati(integrazione). L’integrazione permette di evidenziare i

segnali e di annullare il rumore questo poich`e un segnale da un

contributo su frequenze fisse mentre il rumore, proprio a cau-sa della sua natura casuale, non da contributo su particolari frequenze ma tende ad annullarsi. La figura 6.7 rappresenta il risultato del metodo modificato analizzando frame-dati senza

se-gnali. La prima osservazione fatta, fig. 6.7, `e ottenuta puntando

la parabola su una parte del cosmo dove non sono presenti radio-sorgenti, per questo si dice osservazione off-source. I parametri settati per questa osservazione erano N=2048 punti, 2 proces-sori, 6 autovalori, tempo di integrazione 180 secondi. In modo

analogo `e stata fatta una seconda analisi, vedi figura 6.8, con un

Figura 6.8. elaborazione KLT con segnale

segnale immerso nel rumore a -52.6dbm2 con gli stessi

parame-tri impostati come nell’esempio precedente. Questa osservazione invece, fig. 6.8, corrisponde a quella fatta puntando la parabola sulla radio-sorgente e per questo si dice on-source. La tecnica

on/off source apporta i seguenti vantaggi:

o eliminare la forma della banda; o eliminare interferenze;

o evidenziare segnali di interesse;

L’eliminazione delle interferenze terrestri `e ottenuto tenendo

pre-sente che l’interferenza rimane prepre-sente sia nello stato on-source

2db

che in quello off-source mentre un eventuale segnale `e presente solo nel primo caso. A questo punto con un qualsiasi strumento di post-processing dei dati, ad esempio MATLAB, si esegue la differenza fra on-source e off-source in modo algebrico. La figura

0 200 400 600 800 1000 1200 0 1 2 3 10 0 200 400 600 800 1000 1200 0 1 2 3 10 0 200 400 600 800 1000 1200 −0.5 0 0.5 1 ON−OFF SOURCE Frequency Frequency Frequency

O

on source off source on−off

Figura 6.9. Differenza ON/OFF Source

6.9 mostra il risultato di quanto appena detto, il segnale `e stato

evidenziato tramite il “metodo modificato” che si `e reso efficacie

anche nelle situazioni reali come questa. In ultima analisi

biso-gna osservare che, a parit`a di secondi di integrazione, si riescono

a computare molte pi`u trasformate FFT che trasformate KLT,

questo proprio per la mancanza di un algoritmo veloce per la KLT. Tale differenza comporta il fatto che in situazioni di basso

rapporto S/N con la tecnica di Fourier si pu`o “vedere” il segnale

prima, mentre nel caso di buon rapporto S/N la KLT restituisce risultati eccellenti.

7.1 Conclusioni

L’intera tesi `e stata sviluppata con lo scopo di eseguire la

ri-levazione di segnali con un approccio alternativo a quello della trasformata di Fourier. Il lavoro svolto da R.Dixon sull’utilizzo della KLT come mezzo di rilevazione di segnali ha dimostrato

essere valido in condizioni di rapporto S/N > 1. Come si `e

po-tuto infatti dimostrare nel capitolo 4 la KLT offre uno strumento molto potente ma l’approccio energetico basato sugli autovalori non ha portato a miglioramenti rispetto la trasformata di Fourier nell’ambito della rilevazione nella situazione S/N < 1. Purtrop-po i test sull’autovalore dominante infatti hanno evidenziato una

sensibilit`a molto bassa dell’autovalore dominante rispetto alla

variazione del rapporto S/N. In questo caso il calcolo del

rap-porto mostrato dall’equazione (3.22) risulta di poca utilit`a

tut-tavia si `e riscontrato che quando il rapporto S/N `e abbastanza

grande la KLT offre un filtraggio di segnali ideale, come la teoria

asserisce. L’eccellente lavoro svolto da Dixon `e stato portato a

termine con studi su frame-dati dell’ordine N=64 e focalizzando l’attenzione in situazioni con rapporti segnale/rumore “buoni”.

Come si `e visto dal precedente capitolo si `e dovuti ricercare un

metodo per ovviare il problema della scarsa sensibilit`a del

me-todo proposto da Dixon e allo stesso tempo non appesantire la

velocit`a di calcolo. Dopo varie ricerche si `e giunti alla soluzione

del problema con i seguenti risultati:

o implementazione di un algoritmo veloce per la KLT capace di calcolare matrici di grandi dimensioni(vedi tabelle dei tempi del capitolo 5) nell’ordine qualche millisecondo;

o creazione di un metodo migliorato rispetto a quello proposto da Dixon, in modo da rilevare segnali immersi nel rumore; o un software modulare capace di sfruttare automaticamente

l’incremento del numero di processori del cluster1;

L’utilizzo maggiore della KLT `e nel campo della compressione di

dati e negli ultimi anni anche nel campo del riconoscimento del volto e degli oggetti in genere. La nuova tecnica sviluppata in uesta tesi, avvalendosi della potente e complessa macchina paral-lela, ha reso possibile il processo di rilevazione di segnale anche in situazioni in cui, con il metodo energetico “alla Dixon”, non era possibile determinare la presenza di segnali. In conclusione il software sviluppato in questa tesi, per la rilevazione di segnali

tramite la KLT, `e il primo nel suo genere ad essere utilizzato in

maniera efficacie in ambito radioastronomico per cui i risultati sono stati positivi.

7.2 Sviluppi Futuri

Lo studio dell’applicazione della KLT al progetto SETI non

do-vrebbe essere interrotta poich`e tale ricerca pu`o dare un

contri-buto rilevante anche in diversi campi della vita quotidiana come quello delle trasmissioni televisive, audio, e anche campi meno quotidiani come nel monitoraggio di asteroidi, space debris. Gli sviluppi futuri dovrebbero essere diretti allo studio nella

situa-zione in cui, quando il rapporto segnale/rumore `e basso(minore

di 1), gli autovalori ad essere influenzati sono quelli successivi a quello dominante. Si dovrebbe rispondere alla seguente doman-da: esiste una qualche “legge” che permette di stabilire quale autovalore osservare? Come ulteriore studio si potrebbe osser-vare l’andamento dell’integrazione di eigenspectrum invece che quella degli autovettori.

1insieme di processori connessi fra loro in modo da aumentare l’efficienza di calcolo

.1 Basi.

Definizione 6 Si dice base di V3 una qualsiasi terna ordinata di

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