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第七章wigner—ville分布
第七章 Wigner — Ville分布
问题
①STFT和WT在时频分析方面的缺陷 — 时频分辨率低
②提高时频分辨率方法 — 引入时频能量密度 WVD
③WVD发展史 1932 Wigner 为计算量子相关性 1947 Ville 为引入特征函数 1980 Claassen等全面研究
④WVD优势(分辨率高,许多优良性质)与缺陷(交叉相干扰)
⑤WVD与STFT,WT关系
⑥Hilbert变换对WVD的影响
⑦WVD的数学离散实现
7.1 WVD
一.WVD引入
1.定义:
2.说明: ①WVD为双线性时频表示(信号在计算式中出现两次) ②WVD具有相移不变性 ③WVD结果是实数
3.举例
①Eg.7.1 高斯信号的WVD a.WVD聚集在原点附近 b.越大,时域聚集度好,频域聚集度差 c.按峰值可截止到一时频面椭圆,其面积恒为 d.时频分辨率固定,无窗效应 e.满足时间边缘条件(Eg. 7.7)和频率边缘条件(Eg. 7.8) f.WVD具有能量保持性,故WVD可认为是时频密度函数
②Example 7.2 高斯Chirp信号的WVD a.式(7.10)功率谱不能反应时频特性 b.其平均瞬时频率即为瞬时相位微分
③高斯型函数的WVD表示特点 — WVD非负
4.WVD的频域表示
推导:令
二.WVD的时频分析性能
1.对单一时间成分或频率成分信号,WVD具有很优良的时频定位特性
2.对含多时间成分或频率成分信号,存在交叉项干扰,时频定位性能变差
7.2 WVD性质
全部可根据定义得证
一.边缘属性
1.时间边缘条件(沿频率轴积分)
2.频率边缘条件(沿时间轴积分)
3.意义:WVD具有能量保持性,故可作为时频密度函数
4.说明:满足边缘属性的二维t,w函数,不一定是WVD(式7.33,34)
二.平均瞬时频率即为相位导数
原式
证明思路:①利用微分信号的时频关系 ②利用时间域内积与频域内积的对应关系 ③利用 ④利用分步积分
三.群时延特性 条件平均时间 群时延
四.时移不变性与调制不变性 令 则 时移不变性 调制不变性
举例 — 高斯信号
五.启示
1.WVD大多数有用性质都通过积分可得
2.WVD的平缓部分对优良性质贡献大,振荡部分则贡献小
3.对WVD作低通处理可消除交叉项干扰
7.3 多成分信号的WVD
一.WVD的交叉项干扰
1.WVD包括自项和交叉项两部分
2.自项相对平缓变化,交叉项高频振荡
3.交叉项幅值为相应自项的两倍
4.举例
说明 a.交叉项振荡位置处于两自项中间 b.交叉项振荡频率由两自项频率差值决定
例7.4 由两个具有不同时间中心和调制频率成分的高斯信号的WVD a.交叉项位于两自项中间 b.交叉项在时间域和频率域两个方向上均有振荡 c.频域振荡程度由两自项时间差决定 时域振荡程度由两自项频率差决定 二.交叉项识别与消除
1.若信号有N种成分,则存在个交叉项,难以识别(Fig7—8)
2.交叉项干扰是WVD研究最核心的问题 平滑方法 分解为级数
7.4 平滑WVD
一.用二维低通滤波消除交叉项
1.定义:二维卷积关系
2.抑制交叉相干扰与分辨率是矛盾的
3.的选择
二维可分离高斯函数
①优点:可控制平滑扩散程度
②,可保证WVD非负
③,SWVD退化为STFT
二.WVD与STFT关系
1.STFT:信号WVD与分析函数WVD的二维卷积 证明思路 ①代入WVD定义 ②利用Jacobian行列式进行变量替代
2.说明
①解释了STFT分辨率为什么不如WVD
②平滑后的STFT不再具备WVD的许多优良属性
③平滑后的STFT完全消除了交叉相干扰
3.推广
依据不同,可得不同双线性时频分布—Cohen类
反 三.WVD与小波变换关系
SCAL a,b :信号WVD与母小波的WVD进行仿射相关的结果
证明:①代入WVD定义 ②利用Jacobian行列式进行变量替代
7.5 解析信号的二维格纳分布
一.解析信号
原实信号S t 与解析信号Sa t 的关系
1.频域关系
其解析信号是单边的,删除了负频率分量,且使幅值加倍
2.时域关系
3.hilbert变换提供一个相比于原实信号幅值频率均不变,而相位平移90度的信号
如
二.解析信号与WVD
1.Sa t 可减小交叉相干扰—去除了一个边带干扰成分(Fig7—11)
2.代价
①有限时间支撑信号(如脉冲信号)展宽
②瞬时频率与原信号不同(特别在低频区)—对比Fig7—3, Fig7—12
③不再具备的所有的时域属性
3.理论解释(从式7.19频域定义式出发
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