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韋格納分佈的時頻分析
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'''韋格納分布'''Wigner Distribution Function(縮寫為WDF),是時頻分析中的一種分析方式,以下為其方程式的轉換: <math>W_x(t, f) = \int_{-\infty}^{\infty} x(t + \tau/2) \cdot{x^*(t-\tau/2)e^{-j2\pi f}\cdot{d\tau}}</math> 經整理後得到 <math>W_x(t, f) = 2\int_{-\infty}^{\infty} x(t + \tau') \cdot{x^*(t-\tau')e^{-j4\pi \tau' f}\cdot{d\tau'}},\ using \ \tau' = \tau/2</math> 連續訊號要得到其數位實現,必須經過採樣(sampling), 使得 <math>t = n \Delta_t, \ f = m \Delta_f, \tau'= p \Delta_t</math> 重新回顧上述式子可以得到,<math>W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2\sum_{p = -\infty}^{\infty} x((n+p)\Delta_t) \cdot{x^*((n-p)\Delta_t)e^{-j4\pi mp\Delta_t \Delta_f}\Delta_t}</math> 當 <math>x(t)</math> 不是 time-limited signal,會很難實現。 於是,通常我們會假設 <math>x(t) = 0 \ for \ t < n_1 \Delta_t \ and \ t > n_2 \Delta_t</math>,也就是 <math>x(t)</math> 為一個有限長度的訊號: 如圖所示: [[File:X(t)_discrete_signal.png|替代=|无框|459x459像素]] 此時 <math>x((n+p)\Delta_t)x^*((n-p)\Delta_t) = 0, \ if \ (n+p) \not\in [n_1, n_2] \ or \ (n-p) \not\in [n1, n2]</math> 繼續討論 <math>p</math> 的範圍 ( 於<math>n</math>為一固定值時 ): # 對於<math>(n + p)</math>:<math>n_1 \leq (n+p) \leq {n_2}\longrightarrow (n_1-n) \leq p \leq (n_2-n)</math> # 對於<math>(n - p)</math>:<math>n_1 \leq (n-p) \leq {n_2}\longrightarrow (n_1-n) \leq -p \leq (n_2-n)</math>,也就是 <math>(n-n_2) \leq p \leq (n-n_1)</math> 於是便得知 <math>p</math> 的範圍為:<math>\max{(n_1 - n, n - n_2)} \leq p \leq \min(n_2-n, n-n_1) \longrightarrow -\min{(n_2 - n, n - n_1)} \leq p \leq \min(n_2-n, n-n_1) \longrightarrow -Q \leq p \leq Q , \ Q = min(n_2 - n, n - n_1)</math> 用圖片來理解: [[File:X(t)_delta.png|替代=|无框|455x455像素]] 注意:當 <math>n > n_2</math> 或 <math>n < n_1</math>時,找不到適當的 <math>p</math> 來滿足不等式。 整理前述說明後,WDF的數位實現的數學式可整理為: <math>if \ x(t) = 0 \ for \ t < n_1\Delta_t \ and \ t > n_2\Delta_t</math>, <math>W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2 \sum_{p = -Q}^{Q}x((n+p)\Delta_t)x^*((n-p)\Delta_t)e^{-j4\pi mp \Delta_t \Delta_f} \Delta_t</math><blockquote>( <math>Q = \min{(n_2 - n, n - n_1)}, (varies \ with \ n)</math> <math>and</math> <math>p \in [-Q, Q], \ n \in [n_1, n_2]</math> )</blockquote>以下提供3種實現方式: # 暴力法 (Direct Implementation) # 離散傅立葉轉換(Using Discrete time Fourier Transform) # Chirp-Z轉換 <br /> ==== 暴力法(Direct Implementation) ==== 根據 <math>W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2 \sum_{p = -Q}^{Q}x((n+p)\Delta_t)x^*((n-p)\Delta_t)e^{-j4\pi mp \Delta_t \Delta_f} \Delta_t</math>, ( <math>Q = \min{(n_2 - n, n - n_1)}, (varies \ with \ n)</math> <math>and</math> <math>p \in [-Q, Q], \ n \in [n_1, n_2]</math> ) 令<math>n\Delta_t</math>共有<math>T</math>點,<math>m\Delta_f</math>共有<math>F</math>點,此算法其複雜度為 <math>\theta(TF \ mean(2Q+1))</math><blockquote>[[File:WDF_Q_Direct_implement.png|替代=|无框]] <math>( \ mean(Q) \cong \frac{n_2-n_1}{4}, \ mean(2Q + 1) \cong \frac{n_2-n_1}{2} + 1 \cong \frac{T}{2} \ (\because T = n_2-n_1+1) \ )</math></blockquote><math>\Rightarrow \theta(TF \ mean(2Q+1)) = \theta(TF\frac{T}{2}) = \theta{(T^2F)}</math> <br /> ==== 離散傅立葉轉換(Using Discrete time Fourier Transform) ==== 當 <math>\Delta_t \Delta_f = \frac{1}{2N}, \ and \ N \geq 2Q + 1</math>, <math>W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2 \Delta_t \sum_{p = -Q}^{Q}x((n+p)\Delta_t)x^*((n-p)\Delta_t)e^{-j\frac{2\pi mp}{N}}</math>, 令 <math>q = p + Q \rightarrow p = q - Q</math> <math>\Rightarrow W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2 \Delta_t e^{j\frac{2\pi mQ}{N}} \sum_{q = 0}^{2Q}x((n+q-Q)\Delta_t)x^*((n-q+Q)\Delta_t)e^{-j\frac{2\pi mq}{N}} </math> <math>\Rightarrow W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2 \Delta_t e^{j\frac{2\pi mQ}{N}} \sum_{q = 0}^{N-1}c_1(q)\ e^{-j\frac{2\pi mq}{N}} </math> 其中: <math>c_1(q) = x((n+q-Q)\Delta_t)x^*((n-q+Q)\Delta_t), \ for\ 0 \leq q \leq 2Q </math> <math>c_1(q) = 0, \ for\ 2Q+1 \leq q \leq N-1 </math> 此實現方式的複雜度為 <math> \theta(\ TN\log(N)\ ) (\ \because Fourier\ Transform:\ N-points \rightarrow N\log(N))</math> <br /> ==== Chirp-Z轉換 ==== <math>W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2 \sum_{p = -Q}^{Q}x((n+p)\Delta_t)x^*((n-p)\Delta_t)e^{-j4\pi mp \Delta_t \Delta_f} \Delta_t</math> <math>\Rightarrow W_x(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2\Delta_t e^{-j2\pi m^2 \Delta_t \Delta_f} \sum_{p = -Q}^{Q}x((n+p)\Delta_t)x^*((n-p)\Delta_t)e^{-j2\pi p^2 \Delta_t \Delta_f}e^{j2\pi (p-m)^2\Delta_t \Delta_f}</math> Step1. <math>x_1(n, p) = x((n+p)\Delta_t)x^*((n-p)\Delta_t)e^{-j2\pi p^2\Delta_t\Delta_f}</math> Step2. <math>X_2[n, m] = \sum_{p = -Q}^{Q}x_1[n, p]c[m-p], \ c[m] = e^{j2\pi m^2 \Delta_t \Delta_f}</math> Step3. <math>X(n\Delta_t, m\Delta_f) = 2\Delta_t e^{-j2\pi m^2\Delta_t\Delta_f}X_2[n, m]</math> 此實現方式複雜度一樣為 <math> \theta(\ TN\log(N)\ )</math> 但相較使用離散傅立葉轉換方式而言( <math> [\ \theta(\ T3N\log(N)\ )\ =\ \theta(\ TN\log(N)\ )\ ]</math> 數字3來自於convolution運算 IFT(FT * FT) ),速度來的更快。 <br /> === 資料來源 === * Jian-Jiun Ding, Time frequency analysis and wavelet transform class note, the Department of Electrical Engineering, National Taiwan University (NTU), Taipei, Taiwan, 2019. <br /> [[Category:時頻分析]]
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