【教学课件】第4章Cohen类时-频分布.ppt
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1、第第4章章Cohen类时频分布类时频分布第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 4.1 前言前言 4.2 Wigner分布与模糊函数分布与模糊函数 4.3 Cohen类时频分布类时频分布 4.4 时频分布所希望的性质时频分布所希望的性质 及核函数的制约及核函数的制约 4.5 核函数对时频分布中核函数对时频分布中 交叉项的抑制交叉项的抑制 4.6 减少交叉项干扰的核的设计减少交叉项干扰的核的设计第第4章章Cohen类时频分布类时频分布4.1 前言前言 1966年,年,Cohen给出了时频分布的更一般表示给出了时频分布的更一般表示形式:形式:式中式中 称为时频分布的核函数,也可称为时频分布的核函
2、数,也可以理解以理解为是加在原为是加在原Wigner分布上的窗函数。不同的分布上的窗函数。不同的 ,可以得到不同类型的时频分布。可以得到不同类型的时频分布。目前已提出的绝大部分具有双线性形式的时频目前已提出的绝大部分具有双线性形式的时频分布都可以看作是分布都可以看作是Cohen类的成员。类的成员。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布4.2 Wigner分布与模糊函数分布与模糊函数u模糊函数定义模糊函数定义 令令 为一复信号,由定义为一复信号,由定义 的瞬时自相关的瞬时自相关函数为函数为()()并定义并定义 相对相对 的傅立叶变换的傅立叶变换 ()()为为 的的WVD。第第4章章Cohen类
3、时频分布类时频分布 的对称模糊函数的对称模糊函数 定义为定义为 相对变相对变量量 的傅立叶逆变,即的傅立叶逆变,即:()()由()式,有由()式,有 )对该式两边取相对变量对该式两边取相对变量 的傅立叶变换,立即可得的傅立叶变换,立即可得 ()()该式说明,信号的该式说明,信号的WVD是其是其AF的二维傅立叶变换。的二维傅立叶变换。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 令令 为一复信号,定义为一复信号,定义 ,分别是作分别是作正、正、负移位和正、负频率调制所得到的新信号,即:负移位和正、负频率调制所得到的新信号,即:()()()()式中为时移,为频移,显然式中为时移,为频移,显然 )即:模
4、糊函数可理解为信号在作时移和频率调制后的即:模糊函数可理解为信号在作时移和频率调制后的 内积。内积。u 模糊函数的含义模糊函数的含义 第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 当将信号当将信号 发射出去并由一固定目标发射出去并由一固定目标作作无失真反射回来时,反射信号应是无失真反射回来时,反射信号应是 。通过估计时间可知道从信号发射点到目标的通过估计时间可知道从信号发射点到目标的距离。若目标是移动的,由多普勒效应,还距离。若目标是移动的,由多普勒效应,还将产生频移,即接受到的信号应是将产生频移,即接受到的信号应是 。因此,模糊函数在雷达理论中具有重要的作因此,模糊函数在雷达理论中具有重要的作用
5、。用。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布u 模糊函数的性质:模糊函数的性质:.若若 ,则则 ()()2.若若 ,则则 ()()的最大值始终在平面的最大值始终在平面 的原点,且的原点,且该最大值即该最大值即是信号的能量,即:是信号的能量,即:()()如果我们再定义如果我们再定义 ()()第第4章章Cohen类时频分布类时频分布为为 的的“瞬时瞬时”谱自相关,式中为的谱自相关,式中为的FT,则:,则:()()()()且且 ()()第第4章章Cohen类时频分布类时频分布uWVDWVD和和AFAF的本质区别:的本质区别:不论不论 是实信号还是复信号,其是实信号还是复信号,其WVDWVD始终是实
6、始终是实信号,但其模糊函数一般为复函数。信号,但其模糊函数一般为复函数。两个信号两个信号 ,的互的互WVDWVD满足满足 ()而其互而其互AFAF不存在上述关系,即不存在上述关系,即 ()第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 WVDWVD和和AFAF分别处在不同的分别处在不同的“域域”:时频域,对应:时频域,对应 :瞬时自相关域,对应:瞬时自相关域,对应 :“瞬时瞬时”谱自相关域,对应谱自相关域,对应 :模糊函数域,对应:模糊函数域,对应之所以称之所以称 为为“模糊函数模糊函数”,是因为,是因为 和和 分分别对应了频域的别对应了频域的“频移频移”和时域的和时域的“时移时移”。第第4章章Co
7、hen类时频分布类时频分布图WVD和AF的关系第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 举例说明举例说明 和和 在在 和和 平面上的位置的不同平面上的位置的不同 例令例令 ()()我们在例中已求出其我们在例中已求出其WVDWVD是是 ()()同样可求出其模糊函数是同样可求出其模糊函数是 ()()第第4章章Cohen类时频分布类时频分布分析结论:分析结论:(1 1)是实函数,而是实函数,而 是复函数;是复函数;(2 2)的中心在的中心在 处,它是一高斯型函数,处,它是一高斯型函数,时域、频域的扩展受时域、频域的扩展受 的控制;的控制;的中心在的中心在 处,其幅值也是高斯处,其幅值也是高斯型函数,
8、且受到一复正弦的调制。该复正弦在型函数,且受到一复正弦的调制。该复正弦在 和和 轴方向上的震荡频率由轴方向上的震荡频率由 和和 所控制。这就是说,所控制。这就是说,和和 并不影响并不影响 的中心位置,影响的只是其的中心位置,影响的只是其震荡速度。震荡速度。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布例例4.2 令令 ()()其模糊函数(其模糊函数(AF):):(4.2.20)及及 是是 的的AF的互项,其中:的互项,其中:()()式中式中 ,因此因此 的中心为的中心为 的中心为的中心为 第第4章章Cohen类时频分布类时频分布x(t)的模糊函数与时频分布,(a)模糊函数,(b)时频分布第第4章章C
9、ohen类时频分布类时频分布 将将WVDWVD的互项及()式均写成极坐标的形式,即:的互项及()式均写成极坐标的形式,即:()()()()由()式,有由()式,有 ()()由()式,有由()式,有 ()()第第4章章Cohen类时频分布类时频分布上式结果表明:上式结果表明:WVD互项的相位对互项的相位对 和和 的偏导数分别对应于该信的偏导数分别对应于该信号模糊函数的互项的中心坐标,即号模糊函数的互项的中心坐标,即 。AF中互项中互项的位的位置直接反映了置直接反映了WVD中交叉项的震荡状况。中交叉项的震荡状况。WVD中交叉项震中交叉项震荡越厉害,那么,荡越厉害,那么,AF中互项的中心距中互项的中
10、心距 平面的原点平面的原点越越远,反之,我们由远,反之,我们由AF互项的中心位置又可大致判断互项的中心位置又可大致判断WVD互互项的震荡程度。项的震荡程度。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 WVD WVD和和AFAF各自互项与自项的位置及它们互项间的关各自互项与自项的位置及它们互项间的关系提供了一个抑制系提供了一个抑制WVDWVD中交叉项的有效途径,即:中交叉项的有效途径,即:(1 1)首先对)首先对 求模糊函数,由于求模糊函数,由于 的自项始的自项始终在平面终在平面 的原点处,而互项远离原点,因此,的原点处,而互项远离原点,因此,我们可设计一个我们可设计一个 平面的低通滤波器对平面的
11、低通滤波器对 滤波,从而有效地抑制了滤波,从而有效地抑制了 中的交叉项;中的交叉项;(2 2)对滤波后的)对滤波后的AFAF按()式作二维傅立叶变换,得按()式作二维傅立叶变换,得到到 。这时。这时 的已是被抑制了交叉项的已是被抑制了交叉项的新的新WVDWVD。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布AF中越是远离原点的交叉项,在中越是远离原点的交叉项,在 的作用的作用下,抑制的效果越明显。下,抑制的效果越明显。图4.2.3 同一信号AF及WVD互项与自项的位置示意图第第4章章Cohen类时频分布类时频分布4.3 Cohen类时频分布类时频分布 u时频分布形式时频分布形式 令令 ,Cohen类
12、分布的统一表示形式变为类分布的统一表示形式变为 ()()即即WignerWigner分布是分布是CohenCohen类的成员,且是最简单的一种。类的成员,且是最简单的一种。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 Rihaczec分布分布 Page分布分布 ChoiWillams分布分布 BornJordan分布分布第第4章章Cohen类时频分布类时频分布u Cohen Cohen类分布的其它表示形式类分布的其它表示形式 1、用、用 的频谱的频谱 表示,即表示,即 2、用模糊函数表示、用模糊函数表示 ()()()()3、用、用WVD表示表示 ()()第第4章章Cohen类时频分布类时频分布4、
13、用广义模糊函数表示、用广义模糊函数表示在()式中,定义在()式中,定义 ()()为信号的广义模糊函数,那么为信号的广义模糊函数,那么 ()()5、用广义时间相关表示、用广义时间相关表示定义时间自相关域的核函数为:定义时间自相关域的核函数为:()()则广义时间自相关定义为:则广义时间自相关定义为:()()第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 ()()6、用广义谱自相关表示。定义、用广义谱自相关表示。定义 ()()为谱自相关域的核函数,那么广义谱自相关定义为:为谱自相关域的核函数,那么广义谱自相关定义为:()()这样,这样,可表为可表为 的傅立叶逆变换,的傅立叶逆变换,即:即:()()第第4章
14、章Cohen类时频分布类时频分布u Cohen类时频分布的六种表达形式,归纳类时频分布的六种表达形式,归纳起来可分为四类:起来可分为四类:和和 在域在域 内的卷积();内的卷积();广义模糊函数的广义模糊函数的 傅立叶变换()、()及();傅立叶变换()、()及();瞬时时间自相关瞬时时间自相关 和时间自相关域核函数和时间自相关域核函数 在在t t方向上卷积后的方向上卷积后的 傅立叶变换)()傅立叶变换)();瞬时谱自相关瞬时谱自相关 和谱自相关域核函数和谱自相关域核函数 在在 方向上卷积的傅立叶变换()()。方向上卷积的傅立叶变换()()。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 由由Moy
15、alsMoyals公式,可以证明,图谱也是公式,可以证明,图谱也是CohenCohen类的成员,即:类的成员,即:()()式中式中 是作是作STFTSTFT时所用时域窗函数时所用时域窗函数 的的WVDWVD。比。比较()式,较()式,对应对应 ,它应是某一模,它应是某一模糊函数的糊函数的2-D2-D傅立叶变换。傅立叶变换。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布表已知时频分布及其核函数表已知时频分布及其核函数 Spectrogram(谱图)(谱图)ZhaoAtlasMarks ChoiWilliams(ED)Page BornJordan(Cohen)Rihaczek ReRihacze 伪伪
16、Wigner分布分布 1 Wigner 时频分布表达式时频分布表达式 核函数核函数 分布名称分布名称 第第4章章Cohen类时频分布类时频分布4.44.4时频分布所希望的性质及时频分布所希望的性质及对核函数的制约对核函数的制约 由表可以看出,给出不同的核函数可以得由表可以看出,给出不同的核函数可以得到不同的分布。因此,通过对核函数的性能的分析,到不同的分布。因此,通过对核函数的性能的分析,可以考察其时频分布的能性,可以得到一个新的分可以考察其时频分布的能性,可以得到一个新的分布,对核函数施加一些制约条件,有可能得到我们所布,对核函数施加一些制约条件,有可能得到我们所希望的时频分布的性质。表列出
17、了这些性质希望的时频分布的性质。表列出了这些性质 及对核函数的制约及对核函数的制约 。第第4章章Cohen类时频分布类时频分布表所希望的时频分布的性质及对核函数的制约性质名称性质名称 表达式表达式 对核函数的约束对核函数的约束 :非负性:非负性 :是某些函数的模是某些函数的模糊函数糊函数 :实值性:实值性 :时移:时移 :不取决于不取决于t :频移:频移 :不取决于不取决于 :时间边:时间边 界条件界条件 :频率边:频率边 界条件界条件 :第第4章章Cohen类时频分布类时频分布 :是一个是一个 低通滤波器低通滤波器 :减少干扰:减少干扰 :若若 ,则对则对 :频率支持域:频率支持域 :若若
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