UTILIZAREA REPREZENTRILOR

TIMP-FRECVEN N ANALIZA

FENOMENELOR NESTAIONARE

Tez destinat obinerii titlului tiinific de doctor inginer

la Universitatea Politehnica din Timioara

n domeniul Inginerie Electronic i Telecomunicaii de ctre:

as. ing. Slgean Marius Ioan

Conductor tiinific: prof.univ.dr.ing. Ioan Naforni

Refereni tiinifici: prof.univ.dr. Monica Borda

prof.univ.dr.ing. Corneliu Rusu

conf.univ.dr.ing. Alexandru Isar

Ziua susinerii tezei: 11.03.2011

Seriile Teze de doctorat ale UPT sunt:

1. Automatic 7. Inginerie Electronic i Telecomunicaii 2. Chimie 8. Inginerie Industrial 3. Energetic 9. Inginerie Mecanic 4. Ingineria Chimic 10. tiina Calculatoarelor 5. Inginerie Civil 11. tiina i Ingineria Materialelor 6. Inginerie Electric

Universitatea Politehnica din Timioara a iniiat seriile de mai sus n scopul diseminrii expertizei, cunotinelor i rezultatelor cercetrilor ntreprinse n cadrul colii doctorale a universitii. Seriile conin, potrivit H.B.Ex.S Nr. 14 / 14.07.2006, tezele de doctorat susinute n universitate ncepnd cu 1 octombrie 2006.

Copyright Editura Politehnica Timioara, 2006

Aceast publicaie este supus prevederilor legii dreptului de autor. Multiplicarea acestei publicaii, n mod integral sau n parte, traducerea, tiprirea, reutilizarea ilustraiilor, expunerea, radiodifuzarea, reproducerea pe microfilme sau n orice alt form este permis numai cu respectarea prevederilor Legii romne a dreptului de autor n vigoare i permisiunea pentru utilizare obinut n scris din partea

Universitii Politehnica din Timioara. Toate nclcrile acestor drepturi vor fi penalizate potrivit Legii romne a drepturilor de autor.

Romnia, 300159 Timioara, Bd. Republicii 9,

tel. 0256 403823, fax. 0256 403221 e-mail: editura@edipol.upt.ro

Cuvnt nainte Teza de doctorat a fost elaborat pe parcursul activitii mele n cadrul Departamentului de Comunicaii al Facultii de Electronic i Telecomunicaii a Universitii Politehnica din Timioara.

Finalizarea ei se datoreaz ntr-o bun msur i persoanelor menionate mai jos, crora le adresez gratitudinea mea. Primul meu cuvnt de mulumire se ndreapt nspre conductorul meu de doctorat, domnul prof. dr. ing. Ioan Naforni. Datorit sfaturilor dnsului, m-am ndreptat nspre acest domeniu de cercetare, iar finalizarea acestei lucrri nu ar fi fost posibil fr suportul tiinific i moral de care m-am bucurat n mod constant

din partea dnsului pe ntreaga durat a tezei. i datorez un sincer cuvnt de

mulumire i recunotin pentru faptul de a m fi cooptat n colectivul Departamentului de Comunicaii cu muli ani n urm. in de asemenea s le mulumesc referenilor tiinifici ai tezei, domna prof. dr. ing. Monica Borda, i domnului prof. dr. ing. Corneliu Rusu, pentru timpul pe care l-au dedicat analizei acestei lucrri, i pentru efortul pe care l-au fcut pentru a lua parte la susinerea public a tezei.

n particular, doresc s mi exprim gratitudinea fa de domnul prof. dr. ing. Alexandru Isar, pentru sfaturile tiinifice primite de-a lungul acestor ani care m-au ajutat la finalizarea acestei teze. Un sincer cuvnt de mulumire i recunotin datorez doamnei prof. dr. ing. Miranda Naforni pentru ncurajri i sprijinul necondiionat. i mulumesc domnului decan al Facultii de Electronic i Telecomunicaii, domnul prof. dr. ing. Marius Oteteanu, pentru acceptul de a prezida comisia de

doctorat i pentru susinerea material constant de care m-am bucurat din partea decanatului facultii noastre, care mi-a permis participarea la mai multe conferine din ar. Adresez calde i sincere mulumiri domnului prof. dr. Andr Quinquis i

domnului dr. Cornel Ioana pentru oportunitatea de a efectua un stagiu de cercetare la Ecole Nationale Suprieure des Ingnieurs des Etudes des Techniques

dArmement ENSIETA din Brest, Frana. Nu n ultimul rnd doresc s mulumesc familiei mele i tuturor prietenilor pentru c au fost mereu aproape de mine.

Timioara, martie 2011 Slgean Marius Ioan

Soiei, fiicei i mamei mele

Slgean, Ioan Marius

Utilizarea reprezentrilor timp-frecven n analiza

fenomenelor nestaionare

Teze de doctorat ale UPT, Seria 7, Nr. 34, Editura Politehnica,

2011, 116 pagini, 52 figuri, 27 tabele.

ISSN: 1842-7014

ISBN: 978-606-554-267-9

Cuvinte cheie: semnale nestaionare, reprezentri timp-frecven, undioare, frecven instantanee, securitatea reelelor Rezumat: Scopul principal al tezei este de a propune i studia metode timp-

frecven adaptate semnalelor ntlnite n realitate i de a sublinia potenialul acestor metode n cteva aplicaii practice. Atenia este focalizat asupra recunoaterii modulaiei multi-purttoare i mono-purttoare, mbuntirii performanelor de estimare a frecvenei instantanee a metodei de prelucrare timp-frecven ce utilizeaz operatori morfologici (TFR-MO), analiza

unui algoritm de determinare a celei mai bune undioare mam bazat pe teoria polinoamelor, util pentru compresia semnalelor i dezvoltrii unui sistem complet de detecie a anomaliilor de reea, bazat pe transformarea wavelet staionar analitic (ASWT) i pe cumulantul de ordinul patru (Cum4).

CUPRINS

Abrevieri.......................................................................................................1 Lista tabelelor................................................................................................3 Lista figurilor.................................................................................................4

Introducere...................................................................................................6

1. Reprezentri timp-frecven (RTF)................................................................8

1.1. RTF liniare..............................................................................................8 1.1.1. Transformarea Fourier Scurt (STFT).......................................................8 1.1.2.Transformarea Wavelet (WT)...................................................................9 1.2. RTF biliniare..........................................................................................10

1.2.1. Distribuia Wigner-Ville (WVD)..............................................................10 1.3. RTF bazate pe modelarea polinomial a fazei semnalelor.............................11 1.3.1. Caracterizarea polinomial a fazei..........................................................11

1.3.2. Reducerea ordinului polinomial cu ajutorul tehnicii de deformare. Metoda "WarpComp".....................................................................................13 2. Aplicaii ale RTF pentru semnale cu faz polinomial......................................15 2.1. Recunoaterea modulaiilor multi-purttoare bazat pe metoda WarpComp....15 2.1.1. O privire general asupra semnalelor de comunicaii................................15

2.1.2. Principiul de identificare a modulaiilor numerice......................................16 2.1.3. Rezultate............................................................................................18 3. Estimarea frecvenei instantanee bazat pe tehnici de prelucrare a imaginii......23 3.1. Consideraii privind mprtierea zgomotului n planul timp-frecven............23 3.2. Rolul operatorilor matematici morfologici...................................................25 3.3. Metoda RTF ce utilizeaz operatori morfologici n estimarea IF (TFR-MO).......27

3.4. Studiul performanelor TFR-MO................................................................28

3.4.1. Semnale mono-component..................................................................28 3.4.2. Semnale multi-componente..................................................................36 3.5. mbuntirea performanelor TFR-MO......................................................37 3.6. Concluzii...............................................................................................41 4. Determinarea celei mai bune undioare mam bazat pe teoria polinoamelor.....42

4.1. Legtura dintre undioarele mam i funciile polinomiale............................42 4.2. Algoritmul DWT de estimare a gradului unui polinom...................................45 4.2.1. Implementare.....................................................................................45 4.2.2. Evaluarea performanelor pentru cteva tipuri de semnale........................46 4.2.3. Efectul filtrrii coeficienilor wavelets de detaliu diferii de zero..................50 4.2.4. Influena numrului de eantioane din semnal.........................................55

5. Aplicaii ale RTF n detecia anomaliilor din traficul de reea............................58 5.1. Introducere...........................................................................................58 5.2. Caracteristici ale IDS-urilor......................................................................60 5.3. Metode de detecie.................................................................................62

5.3.1. Detecia bazat pe semntur...............................................................62 5.3.2. Detecia bazat pe anomalii..................................................................63

5.4. Tipuri de date colectate...........................................................................64 5.4.1. Date specifice sistemului......................................................................64

5.4.2. Date specifice aplicaiei........................................................................64 5.4.3. Date specifice reelei............................................................................65

5.5. Tipuri de atacuri....