Энтропия плотности периода повторяемости - Recurrence period density entropy

Энтропия плотности периода повторяемости (RPDE) - метод, в полях динамические системы, случайные процессы, и анализ временных рядов, для определения периодичности, или повторяемость сигнала.

Обзор

Энтропия плотности периода повторения полезна для характеристики степени, в которой временной ряд повторяет одну и ту же последовательность, и, следовательно, аналогичен линейному автокорреляция и с задержкой по времени взаимная информация, за исключением того, что он измеряет повторяемость в фазовое пространство системы, и, таким образом, является более надежным показателем, основанным на динамике базовой системы, которая генерировала сигнал. Его преимущество состоит в том, что он не требует допущений линейность, Гауссовость или динамический детерминизм. Он был успешно использован для обнаружения аномалий в биомедицинских условиях, таких как: речь сигнал.^[1]^[2]

Значение RPDE ${displaystyle scriptstyle H_ {mathrm {norm}}}$ является скаляром в диапазоне от нуля до единицы. Для чисто периодических сигналов ${displaystyle scriptstyle H_ {mathrm {norm}} = 0}$ , тогда как для чисто i.i.d., униформа белый шум, ${displaystyle scriptstyle H_ {mathrm {norm}} примерно 1}$ .^[2]

Как RPDE ранжирует сигналы по их периодичности в фазовом пространстве. Маленькие панели представляют собой изображения временных рядов, а крупная шкала в середине - это значение RPDE. Можно видеть, что чисто периодические сигналы, независимо от содержания гармоник в спектральном смысле, имеют нулевое значение RPDE. Случайно-принудительные периодические колебания имеют более высокое значение, за ними следуют хаотические системы, случайно-принудительные линейные резонаторы, автокоррелированные случайные процессы, а в крайнем случае однородный случайный шум имеет значение RPDE, равное почти единице.

Описание метода

Метод RPDE сначала требует встраивание временного ряда в фазовое пространство, который, согласно стохастическим расширениям теорем вложения Такена, может быть выполнен путем формирования векторов с задержкой по времени:

{displaystyle mathbf {X} _ {n} = [x_ {n}, x_ {n + au}, x_ {n + 2 au}, ldots, x_ {n + (M-1) au}]}

для каждого значения Икс_п во временном ряду, где M это размер встраивания, τ - задержка внедрения. Эти параметры получаются путем систематического поиска оптимального набора (из-за отсутствия практических методов внедрения параметров для стохастических систем) (Stark et al. 2003). Далее вокруг каждой точки ${displaystyle scriptstyle mathbf {X} _ {n}}$ в фазовом пространстве ${displaystyle varepsilon}$ -окрестности ( м-мерный шар с этим радиусом), и каждый раз, когда временной ряд возвращается к этому шару, после того, как он покинул его, разница во времени Т между последовательными возвращениями записывается в гистограмма. Эта гистограмма нормализована до суммы на единицу, чтобы сформировать оценку плотность периода повторения функция п(Т). Нормализованный энтропия этой плотности:

{displaystyle H_ {mathrm {norm}} = - (ln {T_ {max})} ^ {- 1} sum _ {t = 1} ^ {T_ {max}} P (t) ln {P (t)} }

- значение RPDE, где ${displaystyle scriptstyle T_ {max}}$ - наибольшее значение повторения (обычно порядка 1000 выборок).^[2] Обратите внимание, что RPDE предназначен для применения как к детерминированным, так и к стохастическим сигналам, поэтому, строго говоря, исходная теорема вложения Такена не применяется и требует некоторой модификации.^[3]

Графическое описание вычислений, необходимых для определения значения RPDE. Во-первых, временной ряд - это временная задержка, встроенная в восстановленное фазовое пространство. Затем вокруг каждой точки вложенного фазового пространства повторяющаяся окрестность радиуса

{displaystyle scriptstyle varepsilon}

создано. Все повторения в этом районе отслеживаются, а временной интервал Т между повторениями записывается в гистограмму. Эта гистограмма нормализована, чтобы создать оценку функции плотности периода повторения. п(Т). Нормализованный энтропия этой плотности является значением RPDE

{displaystyle scriptstyle H_ {mathrm {norm}}}

.

RPDE на практике

RPDE обладает способностью обнаруживать тонкие изменения в естественных биологических временных рядах, такие как нарушение регулярных периодических колебаний при аномальной сердечной функции, которые трудно обнаружить с помощью классических инструментов обработки сигналов, таких как преобразование Фурье или же линейное предсказание. Плотность периода повторения скудное представительство для нелинейных, негауссовских и недетерминированных сигналов, тогда как преобразование Фурье является разреженным только для чисто периодических сигналов.

Ценности RPDE

{displaystyle H_ {norm}}

для ЭКГ с нормальным синусовым ритмом и для ЭКГ пациента с апноэ во сне. Временные ряды (графики с синими следами) и спектры (графики с черными следами) относительно трудно различить, тем не менее, значения RPDE достаточно различаются, чтобы обнаружить аномалию несложно.

Смотрите также

Сюжет повторения, мощный инструмент визуализации повторений в динамических (и других) системах.^[4]
Количественный анализ повторяемости, еще один подход к количественной оценке свойств повторяемости.

внешняя ссылка

[little06-1] М. Литтл, П. МакШарри, И. Мороз, С. Робертс (2006)Выявление нелинейной биофизической речевой патологии в 2006 г. Международная конференция IEEE по акустике, обработке речи и сигналов, 2006 г. Труды ICASSP 2006: Тулуза, Франция. С. II-1080-II-1083.

[little07-2] а ^б ^c М.А. Литтл, П.Е. Макшарри, С.Дж. Робертс, Д.А.Э. Костелло, И. М. Мороз (2007) Использование свойств нелинейной повторяемости и фрактального масштабирования для обнаружения нарушений голоса, Биомедицинская инженерия в сети, 6:23

[stark-3] Дж. Старк, Д. С. Брумхед, М. Е. Дэвис и Дж. Хьюк (2003) Вложения с задержкой для принудительных систем. II. Стохастическое форсирование. Журнал нелинейной науки, 13(6):519-577

[marwan07-4] Н. Марван; М. К. Романо; М. Тиль; Дж. Куртс (2007). «Графики повторяемости для анализа сложных систем». Отчеты по физике. 438 (5–6): 237. Bibcode:2007ФР ... 438..237М. Дои:10.1016 / j.physrep.2006.11.001.

[1]

[2]

[3]

[4]