時頻分析中的核方法

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時頻分析的性質由其分布的核所決定,藉由檢視分布核的限制條件我們能很容易的了解時頻分布的優缺點並讓我們快速的選擇符合需求的時頻分布。因此我們將利用特徵函數建立並研究廣義的時頻分布的核,並討論其性質。

時頻分布的形式[编辑 | 编辑源代码]

所有的時頻分布皆可以表示為 其中被稱作時頻分布的核。 下表列出了幾個常見的時頻分布與其對應的核

時頻分布
維格納分布 1
科恩分布
Choi-Williams分布
Page分布
時頻譜

時頻分布的不同形式[编辑 | 编辑源代码]

我們可以將廣義的時頻分布形式做變形以便從不同的角度觀察時頻分布與其核的關係,在時頻分布的性質與核中會看到這些表示式提供對核的刻畫與限制,其中常用的幾種等價表示式為

特徵函數[编辑 | 编辑源代码]

若令廣義的模稜函數

其中為信號本身的模稜函數,則時頻分布可表為的特徵函數

自相關函數[编辑 | 编辑源代码]

計算廣義的局部自相關函數

則時頻分布可表示成的傅立葉轉換,可類比功率譜密度和自相關函數之間的關係。

傅立葉變換[编辑 | 编辑源代码]

將核函數對參數做傅立葉變換可得

雙線性變換[编辑 | 编辑源代码]

對於廣義時頻分布做變數變換 則有


核的分類[编辑 | 编辑源代码]

由於任意的二維函數都可以作為核而產生時頻分布,事實上我們要面對的是無限多種的核(與時頻分布),因此在現實應用與討論中我們常常將注意力放在一部份擁有特定足夠好性質的核函數,以下簡介之

乘積核[编辑 | 编辑源代码]

核函數僅依賴的參數的積

可分核[编辑 | 编辑源代码]

核函數可被分解為兩個單變數函數的積

雙線性核[编辑 | 编辑源代码]

核函數不依賴時間參數與頻率參數,函數對參數為雙線性

時頻分布的性質與核[编辑 | 编辑源代码]

以下我們討論時頻分布的基本性質與為了達到這些性質核函數必須要滿足的條件

邊際條件[编辑 | 编辑源代码]

考慮時頻分布函數,我們希望對於頻率參數積分之後能得到在時間的信號能量 ,因此我們必須使下式成立

因此我們必須要求。相同的為了得到, 我們必須要求

最後,考慮總能量我們則須要求

實數性[编辑 | 编辑源代码]

為了使時頻分布的計算結果為實數,考慮時頻分布的特徵函數計算式

廣義模稜函數必須滿足共軛對稱性

在信號本身為實數信號時的模稜函數直接滿足共軛對稱,因此條件變為

位移性質[编辑 | 编辑源代码]

考慮對輸入信號做時頻位移,若要對應的時頻分布滿足,則核函數必須不依賴時間和頻率。

縮放性質[编辑 | 编辑源代码]

考慮縮放後的信號, 我們希望對應的時頻分布滿足,則核函數必須是乘積核

逆變換[编辑 | 编辑源代码]

我們希望能從時頻分布中重新恢復輸入信號


由關係式兩側同時取傅立葉變換可得

做變數變換,並取可得

不同時頻分布之間的關係[编辑 | 编辑源代码]

現在我們考慮對同一個信號使用不同的核函數,獲得兩個時頻分布

這兩個時頻分布的特徵函數為

因此特徵函數和核函數的關聯為

因此我們可以將表達為:

參考資料[编辑 | 编辑源代码]

  • Leon Cohen, "Generalized phase-space distribution functions," Jour. Math. Phys., vol. 7, pp. 781-786, 1966.
  • Leon Cohen, "Time-frequency analysis," 1995.

外部連結[编辑 | 编辑源代码]