小波分析课件优秀PPT.ppt
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1、1.1 小波小波(Wavelet)小波就是空间小波就是空间L2(R)L2(R)中满足下述条中满足下述条件的函数或者信号件的函数或者信号 :这这时时,也也称称为为小小波波母母函函数数,(2)称称为为容容许性条件许性条件。(1)(2)连续小波连续小波函数:函数:为为由由小小波波母母函函数数 生生成成的的依依靠靠于于参参数数(a,b)的的连连续续小小波波,简简称为小波。称为小波。(3)注释注释注释:假如小波母函数注释:假如小波母函数 的的Fourier 变换变换 在原点在原点 是连续是连续 的,那么公式的,那么公式(2)说明说明 ,于是于是这说明函数这说明函数 有波动的特点,公式有波动的特点,公式(
2、1)又说明函数又说明函数 有衰减的特点,因此,有衰减的特点,因此,称函数称函数 为为“小波小波”。1.2 小波变换小波变换(Wavelet Transform)对对于于随随意意的的函函数数或或者者信信号号 ,其其小波变换为小波变换为(4)性质性质这样定义的小波变换具有下列性质:这样定义的小波变换具有下列性质:Plancherel恒等式:恒等式:小波变换的逆变换公式:小波变换的逆变换公式:(5)(6)性质性质吸取公式:当吸取条件吸取公式:当吸取条件 成立时,有吸取的成立时,有吸取的Plancherel恒等式恒等式(7)(8)性质性质吸取的逆变换公式吸取的逆变换公式(9)1.3.二进小波和二进小波
3、变换二进小波和二进小波变换(Dyadic Wavelet Transform)假如小波函数假如小波函数 满足稳定性条件满足稳定性条件 (10)则称则称 为二进小波,对于随意的整数为二进小波,对于随意的整数k,k,记记(11)逆变换逆变换对于随意的对于随意的 ,其二进小波变换为:,其二进小波变换为:这时,逆变换公式是这时,逆变换公式是(12)(13)重构小波重构小波其中其中 的的Fourier变换满足变换满足 称为二进小波称为二进小波 的重构小波,比如可取:的重构小波,比如可取:(14)(15)设小波为设小波为 ,对于随意的整数,对于随意的整数k 和和j,记,记1.4.正交小波和小波级数正交小波
4、和小波级数(Orthonormal Wavelet)构构成成空空间间 的的标标准准正正交交基基,则则称称 是是正正交小波。交小波。假如函数族假如函数族(16)(17)小波级数小波级数这时,逆变换公式就是小波级数这时,逆变换公式就是小波级数 (18)其中小波系数其中小波系数 的算法是的算法是 (19)连续和离散统一连续和离散统一上上的的取取值值,因因此此,小小波波系系数数 事事实实上上是是信信号号f(x)的的离离散散小小波波变变换换。其其实实,这这也也是是小小波变换迷人的风采之一:波变换迷人的风采之一:小波系数是信号小波系数是信号f(x)的小波变换的小波变换 在在二进离散点二进离散点(20)连续
5、变换和离散变换形式统一;连续变换和离散变换形式统一;连续变换和离散变换都适合全体信号;连续变换和离散变换都适合全体信号;2.小波分析和时小波分析和时-频分析频分析(Time-Frequency Analysis)2.1 窗口窗口Fourier变换和变换和Gabor变换变换(Windowed Fourier Transform and Gabor Transform)D.Gabor在在1946年开创时年开创时-频分析的先河提出频分析的先河提出Gabor Transform一般的时一般的时-频分析是频分析是Windowed Fourier TransformShort-Time Fourier T
6、ransformWindowed Fourier Transform称称为为信信号号 的的窗窗口口Fourier变变换换,其其中中的的函函数数 称称为为窗窗口口函函数数,一一般般要要求求是:是:具体地具体地(21)Gabor TransformD.Gabor取取(22)是是Gaussian函函数数,对对应应的的变变换换称称为为Gabor变变换换(1946)。对对于于Gabor变变换换,存存在在如如下下的频率再分割公式:的频率再分割公式:(23)物理说明物理说明Gabor变变换换 是是信信号号 在在x=x0点点“旁旁边边”的的频频率率为为 的的频频率率成分;成分;只只要要把把信信号号 在在各各个
7、个时时间间点点“旁旁边边”的的频频率率为为 的的频频率率成成分分全全部部累累加加起起来来,理理所所当当 然然就就应应当当是是这这个个信信号号的的频频率率为为 的频率成的频率成 分;分;Gabor变变换换 可可以以认认为为是是信信号号f(x)的的另另一一种种等等价价描描述述(因为因为Fourier变换是信号的等价描述变换是信号的等价描述)局限局限Gabor变变换换没没有有“好好”的的(即即可可以以构成标架或者正交基)离散形式;构成标架或者正交基)离散形式;Gabor变变换换没没有有快快速速算算法法:比比如如没没有有类类似似于于离离散散Fourier变变换换之之FFT的快速数值算法;的快速数值算法
8、;缺憾的是,缺憾的是,Gabor变换存在如下局限:变换存在如下局限:Appendix A Fig.1.Gabor变换的固定时变换的固定时-频窗口频窗口t00t1t12.2.时时-频分析频分析(Time-Frequency Analysis)时时-频频分分析析本本质质上上是是信信号号描描述述、分分析析和和处处理理的的一一种种方方法法,它它给给信信号号的的“最最优优描描述述问问题题”供供应应一一种种解解决决方方案案。R.Balian(1981)R.Balian(1981)早早在在八十年头就清清晰楚地描述了这个问题:八十年头就清清晰楚地描述了这个问题:在在通通讯讯理理论论中中,人人们们对对于于在在给
9、给定定的的时时间间内内,把把一一个个信信号号表表示示成成“每每一一个个都都同同时时具具有有足足够够确确定定的的位位置置及及频频率率的的谐谐波波”的的叠叠加加这这种种信信号号的的描描述述方方法法极极感感爱好爱好 最优描述问题最优描述问题有有用用的的信信息息总总是是同同时时被被所所放放射射信信号号的的频频率率特特性性与与信信号号的的时时间间结结构构所所传传递递,最最好好的的例例子是演奏音乐;子是演奏音乐;把把信信号号表表成成时时间间的的函函数数其其频频率率特特征征无无法法突突出出,而而FourierFourier分分析析又又无无法法标标定定各各个个重重量量放射的瞬时位置和持续时间;放射的瞬时位置和
10、持续时间;“最最优优描描述述”应应当当综综合合这这两两种种描描述述的的优优点点,并并用用一一个个离离散散的的刻刻画画来来表表示示,以以适适应应信信息息理论和计算机处理的须要。理论和计算机处理的须要。Wigner分布函数分布函数Wigner分分布布函函数数是是信信号号时时-频频分分析析的的另另一一种种具具体体的的解解决决途途径径。信信号号f(x)的的Wigner分分布布函函数数是是著著名名理理论论物物理理学学家家E.P.Wigner在在1932年提出来的,定义是:年提出来的,定义是:(24)明显,这是一个实的二元函数明显,这是一个实的二元函数。性质性质Wigner分布函数有如下性质分布函数有如下
11、性质:(25)(26)(27)Wigner分布函数的物理意义分布函数的物理意义Wigner分分布布函函数数的的Plancherel恒恒等等式式成立;成立;Wigner分分布布函函数数 标标明明信信号号的的瞬瞬时时频频率率的位置;的位置;Wigner分分布布函函数数 标标明明信信号号的的瞬瞬时时位位置置的频率。的频率。在能量的意义下,在能量的意义下,Wigner分布函数的分布函数的物理意义是:物理意义是:Wigner分布函数理论的局限分布函数理论的局限Wigner分布函数的三个局限:分布函数的三个局限:Wigner分分布布函函数数 只只记记忆忆信信号号的部分信息;的部分信息;Wigner分分布布
12、函函数数 没没有有有有效效的重建算法;的重建算法;Wigner分分布布函函数数 的的“瞬瞬时时”是渐近意义的。是渐近意义的。2.3.小波的时小波的时-频分析频分析(Wavelets Time-Frequency Analysis)小小波波变变换换是是一一种种时时-频频描描述述,它它的的信信息息记记忆忆是是完完全全的的,是是一一种种等等价价的的变变换换描描述述,具具有独特的时有独特的时频分析性质。引入记号:频分析性质。引入记号:(28)中心中心半径半径(29)对于对于 ,假如满足条件,假如满足条件:窗口函数及说明窗口函数及说明则则称称之之为为窗窗口口函函数数,和和 分分别别称称为为它它的的时时间
13、间中中心心和和时时间间半半径径,而而 和和 分分别别称称为为它的谱中心和谱半径。它的谱中心和谱半径。说明:中心和半径是下述分布的期望和均方差小波的时小波的时-频中心与半径频中心与半径2.3.2.小波的时-频半径2.3.1.小波的时小波的时-频中心频中心(29)(30)2.3.3.小波的时小波的时-频窗频窗(32)Appendix B Fig.2.小波在时小波在时-频相平面上的窗频相平面上的窗t00t12t12.3.4.小波的时小波的时-频特性频特性小波时小波时-频窗的面积恒等于频窗的面积恒等于 ;小小波波的的时时-频频窗窗是是时时-频频相相平平面面中中的的可可变的矩形;变的矩形;小波时小波时-
14、频窗的变更规律:频窗的变更规律:(1)尺尺度度参参数数a增增大大时时,小小波波的的时时窗窗变变宽宽,同时,它的主频变低,频窗变窄;同时,它的主频变低,频窗变窄;(2)尺尺度度参参数数a减减小小时时,小小波波的的时时窗窗变变窄窄,同时,它的主频变高,频窗变宽;同时,它的主频变高,频窗变宽;小波的频率辨别率小波的频率辨别率小波分析具有固定的相对频率辨别率小波分析具有固定的相对频率辨别率 (33)主频变低时,频窗变窄,频率辨别率提高;主频变低时,频窗变窄,频率辨别率提高;主频变高时,频窗变宽,频率辨别率降低;主频变高时,频窗变宽,频率辨别率降低;高频时出现较低的频率辨别率(难题!)。高频时出现较低的
15、频率辨别率(难题!)。小波的频带特性小波的频带特性 (1)小小波波变变换换处处理理频频域域的的方方式式完完全全不不同同于于经经典典的的Fourier变变换换,任任何何小小波波本本质质上上都都是是以以频频带带的的形形式式出出现现在在频频域域中中,这这样样避避开了很多理论和计算上的麻烦;开了很多理论和计算上的麻烦;(2)二二进进小小波波频频域域划划分分的的特特色色:将将参参数数a按按二二进方式离散化为进方式离散化为选择二进小波选择二进小波 满足满足二进小波二进小波 的主频是的主频是二进小波的分频特性二进小波的分频特性 (34)所在的频带是所在的频带是当当k取遍全体整数时,这些频带正好分别覆取遍全体
16、整数时,这些频带正好分别覆盖正频轴,即盖正频轴,即这就是著名的二进小波频带划分技术。这就是著名的二进小波频带划分技术。2.4.正交小波的时正交小波的时-频分析频分析Orthonormal Wavelets Time-Frequency Analysis对于正交小波对于正交小波 ,(35)其中系数是其中系数是是是一一个个标标准准正正交交基基,所所以以,对对于于任任何何信信号号f(X)f(X),可以绽开成小波级数:,可以绽开成小波级数:(36)正交小波的吸取谱正交小波的吸取谱由由小小波波变变换换的的定定义义可可知知,正正交交小小波波级级数数的的系系数数 正正好好是是信信号号f(x)的的小小波波变换
17、变换 在二进离散点:在二进离散点:(37)上的取值。这说明:对于正交小波来说,任上的取值。这说明:对于正交小波来说,任何信号在二进离散点上的小波变换包含了它何信号在二进离散点上的小波变换包含了它的小波变换的全部信息,所以的小波变换的全部信息,所以正交小波具有美丽的谱吸取特点。正交小波具有美丽的谱吸取特点。小波变换与小波变换与Fourier变换变换Fourier变换:变换:对对于于任任何何信信号号f(x),只只有有当当它它是是时时间间有有限限时时,它它的的谱谱F()(Fourier变变换换)才是频率吸取的;才是频率吸取的;反反过过来来,只只有有当当它它是是频频域域有有限限时时,f(x)才是时间吸
18、取的才是时间吸取的;小波变换小波变换:对对于于正正交交小小波波分分析析来来说说,任任何何信信号号的的正正交交小小波波谱谱都都是是谱谱吸吸取取的的,即即二二维维小小波波谱谱所所包包含含的的信信息息完完全全被被二二进进离离散散点点上的谱吸取。上的谱吸取。一点评论一点评论正正交交小小波波变变换换谱谱的的完完全全吸吸取取性性为为小小波波变变换换的的理理论论分分析析、数数值值计计算算和和各各种种应应用用供供应应了了极极大大的的便便利利。同同时时,这这些些离离散散的的小小波波谱谱点点,本本质质上上意意味味着着时时-频频分分析析中中频频谱谱分分析析的的频频带带(统统计计意意义义下下的的区区间间),因因此此,
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