Узнать стоимость написания работы
Оставьте заявку, и в течение 5 минут на почту вам станут поступать предложения!
Реферат

Реферат по предмету "Математика"


Частотно-временной анализ сигналов

Череповецкий военный инженерный институт радиоэлектроники.
Кафедра №8
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Курсовая работа по математике
Тема: «Частотно-временной анализ сигналов»
Выполнили:
ПлотниковЕ.А.
г. Череповец-2008.

Содержание
1. Плоскостьчастота-время
2. Базисные функциичастотно-временного анализа
3. Прямое и обратноепреобразование Фурье
4. Дискретноевейвлет-преобразование
4.1 Дискретизация масштаба
4.2 Дискретизация масштаба и сдвига.Фреймы
4.3 Примеры дискретного вейвлет-преобразования
Литература
1. Плоскость частота-время
Дляанализа и сравнения частотно-временных локализационных свойств различныхбазисов используют плоскость частота-время. Любая функция />может характеризоватьсяинтервалом It на временной оси и интервалом /> в Фурье области, в которыхсодержится 90% ее энергии, сосредоточенной около центра тяжести функции/> Тогда в этой плоскостифункцию/> можно изобразить в видепрямоугольника, как показано на рис. 3.1.
/>
Очевидно,что смещение функции на />отисходного состояния вызовет перемещение прямоугольника параллельно оси t. Модуляция этой функции комплекснойэкспонентой />сдвигает прямоугольникпараллельно оси /> (рис.3.2.).
/>
Масштабированиефункции (ее сжатие или растяжение) приводит к развороту прямоугольника.Действительно, получим новую функцию/> масштабированиемфункции /> на коэффициент a:/>
/>
Энергиятакой функции E:
/>
Следовательно,ширина функции />равна />. В соответствии сосвойством масштабирования Фурье-преобразования (/>) /> Влияние масштабирования наположение функции в плоскости время-частота показано на рис. 3.3.
/>
Вкачестве примеров функций, иллюстрирующих эффективность их представления вплоскости время-частота, рассмотрим /> функциюДирака и Фурье — базис.Известно, что /> - функцияявляется идеальным базисом для временного анализа сигналов. Результатом такогоанализа являются отсчеты, которые можно рассматривать как временной спектрсигнала. На плоскости время — частота /> функция/> выглядит как показано нарис. 3.4а, т.е. эта функция обладает свойством хорошей временной локализации,но плохой локализацией в спектральной области (она имеет равномерный спектр навсех частотах). Базисные функции/>Фурье-анализа,наоборот, обладают хорошей частотной локализацией в то время, как во временнойобласти они имеют бесконечную протяженность (см. рис. 3.4б).
/>

2. Базисные функциичастотно-временного анализа
Итак, частотно-временной анализ предназначен для выявлениялокальных частотно-временных возмущений сигнала. Вследствие кратковременноститаких возмущений, сам сигнал может рассматриваться как заданный в L2 т.е. для одномерных сигналов – на всей действительнойоси />с нормой />. Следовательно, базисныефункции, которые получили название вейвлетов, также должны принадлежать L2 и быстро убывать при/>Тогда, чтобы перекрытьтакими базисными функциями все возможные временные положения сигнала,необходимо, чтобы базисные функции представляли собой набор смещенных вовремени функций. Удобнее всего, если этот набор образуется из одной и той же«материнской» функции /> (прототипа),сдвинутой по оси t т.е./> Чтобыобеспечить частотный анализ, базисная функция должна иметь еще один аргумент –масштабный коэффициент, который является аналогом частоты в Фурье-анализе.Тогда базисные функции для частотно-временного анализа будут иметь вид
/>
Гдемасштабный коэффициент /> введен какделитель t, причем масштабированию подвергаетсятакже и сдвиг b. Это позволяет сохранитьотносительную «плотность» расположения базисных функций по оси t при расширении или сжатии самой функции и при /> (рис 3.6)

/>
Такимобразом, базисные функции для частотно-временного анализа должны обладатьследующими свойствами. Ограниченность, т.е. принадлежность L2 />. Локализация. Базисныефункции вейвлет — анализа, в отличие от преобразования Фурье, должны бытьлокализованы, т.е. определены на конечном интервале как во временной, так и в частотнойобластях. Для этого достаточно, чтобы выполнялись условия:
/>/>
 
Нулевоесреднее. Равенствонулю нулевого момента/>
или, чтоиногда необходимо – равенство нулю момента m-го порядка
/>

Это –вейвлеты m-го порядка, позволяющие анализировать более тонкую структурусигнала, подавляя медленно изменяющиеся его составляющие.

3. Прямоеи обратное преобразование Фурье
При /> 
/>
— прямое преобразование Фурье
/>
— обратноепреобразование Фурье.
Комплекснаяфункция/>имеет смысл спектральнойплотности, ее иногда называют непрерывным спектром Фурье-функции f(t).
Такжекак и в случае периодической функции, предполагается, что f(t) удовлетворяет условиям Дирихле или, что эквивалентно,абсолютно интегрируема и удовлетворяет условию Дини.
Отметимтакже, что:
/>

4. Дискретноевейвлет-преобразование
Представлениефункции f(t) через ее непрерывное вейвлет – преобразование являетсяизбыточным. В задачах обработки информации, встречающихся на практике, сигнал,во-первых, имеет ограниченную полосу и, во-вторых, допускаются те или иныепогрешности в получаемых результатах. Поэтому используют дискретноепредставление непрерывных сигналов, при которых параметры преобразования, вданном случае a и b, приобретают дискретные значения. Вейвлет-преобразование,при котором значения a и b дискретны, называют дискретным вейвлет-преобразованием(DWT — Discrete Wavelet Transform).
4.1Дискретизация масштаба
Рассмотримсначала случай дискретного масштаба a иположим />/>. Это равноценно разбиениючастотной оси на поддиапазоны (частотные полосы). Предположим, что /> (это можно сделать всегда,умножив функцию ψ на некоторый модуляционный множитель /> (см./>). Тогда частотное окнобудет равно:
/>
ацентральная частота m-го вейвлета:
/>/>.

Базисомдля DWT является функция, полученная из
(/>)
при />:
/>.
Еслисправедливо />и если />достаточнобыстро затухает, то любая функция из L2 может бытьпредставлена в виде дискретной по /> последовательности
/>                         (3.5.2.)
Длявосстановления f(t) по дискретным значениям (3.5.2.) набазис />(t) налагаются дополнительные ограничения, а именно, образФурье вейвлета />(t) долженудовлетворять соотношению
/>,                                                           (3.5.3)
гдеконстанты А и В такие, что />. Условие(3.5.3.) в терминах радиотехники имеет довольно прозрачное толкование.Действительно, так как при каждом значении масштаба /> вейвлетпредставляет собой полосовой фильтр, то набор (сумма) этих фильтров (блокфильтров) является некоторым устройством с неравномерной частотнойхарактеристикой, определяемой константами A и B(рис. 3.12). Сигнал, например звуковой, на выходе такого устройства при сильнойнеравномерности частотной характеристики претерпевает существенные искажения.Поэтому для его восстановления принимают специальные меры, в частности,устанавливают фильтр, компенсирующий искажения частотной характеристики. Ввейвлет-преобразовании таким фильтром является дуальный (или двойственный)вейвлет />, Фурье-образ которого имеетвид:
/>.                                                                (3.5.4.).
/>
Покажем,что с помощью такого вейвлета по коэффициентам DWT полностью восстанавливается сигнал. Действительно,используя соотношение Парсеваля
(/>)
иформулу получим (3.5.4.):

/>
Из(3.5.4.) и (3.5.3.) можно показать, что
/> 
4.2Дискретизация масштаба и сдвига. Фреймы
В этомслучае полагают дискретными величины a и b, т.е. /> Частотное окно для анализасохраняется прежним. Ширина временного окна
/>
равна />, а среднее значение />изменяется дискретнопропорционально m -ой степени a0 — масштабу вейвлета. Чем ужефункция ψ, т.е. меньше величина/>, тем меньше(на ту же величину) шаг сдвига этой функции. Базисными функциями для дискретноговейвлет-преобразования будут функции, получаемые из />, при /> и /> 

/>
Коэффициентыразложения любой функции из L2 могут быть получены как
/>
Выражение(3.5.6) является дискретным вейвлет-преобразованием функции />. Чтобы обратноепреобразование во временную область было справедливым, должно выполнятьсяследующее условие:
/>
для всех/>если константы A и B такие,что/>В этом случае формула длявосстановления функции f(t) по коэффициентам/> будет иметь вид
/>                            (3.5.8)
гдеошибку восстановления Rможно оценить как /> Разделив всечлены неравенства (3.5.7) на/>, можновидеть, что константы A и B являются границами нормированной на/>энергии – скалярногопроизведения/>. Они (эти константы) какбы «обрамляют» нормированную энергию коэффициентов/> Отсюда произошел терминфрейм (frame), которым называют множество функций/> при которых условие(3.5.7) выполняется. Если A= B, то/> имножество /> называют плотным фреймом.При этом выражение /> вытекающее из(3.5.7), является обобщением теоремы Парсеваля на плотные фреймы. Для плотных фреймовиз (3.5.8) получаем
/>
Если A=B=1, то плотный фрейм становится ортогональным базисом. Заметим,что для вейвлетов, образованных материнским вейвлетом (3.3.6), хорошиерезультаты при восстановлении сигналов получаются при /> так как />. Для больших величин,например />будет /> т.е. восстановлениеприводит к большим искажениям.
4.3Примеры вейвлетов для дискретного преобразования
Как былоотмечено выше, функции вейвлет обладают свойством частотно-временнойлокализации, т.е. они ограничены как в частотной, так и во временной областях.Ниже рассмотрим два примера: первый – спектр вейвлетов в частотной областипредставляет собой идеальный полосовой фильтр, второй – сами функции вейвлетпредставляют собой прямоугольники. Все вейвлеты, с точки зрения частотно-временныхсвойств, занимают промежуточное положение между этими крайними случаями.
Sinc-базис.Разобьем ось частот на интервалы (поддиапазоны), как показано на рис. 3.13 при a0= 2. Такое разбиение называют логарифмическим, таккак отношение верхней и нижней границ диапазонов постоянно и равно 2. Такоеразбиение является еще и идеальным, так как оно реализуется идеальнымиполосовыми фильтрами. Подобная идеализация нужна для исследования свойствчастотного разложения с помощью идеализированных вейвлетов, что позволит вдальнейшем перейти к более сложным разложениям. Любой сигнал /> со спектром/> может занимать полосучастот, охватывающую несколько таких поддиапазонов.
/>
Тогда />и /> т.е. сигнал представляетсобой сумму некоторого числа элементарных сигналов. В рассматриваемом идеальномслучае частотные каналы не перекрываются, поэтому имеет место ортогональностьэтих элементарных сигналов, т.е.
/>

Выберемиз всего множества сигналов такие, которые ограничены полосой частот 2I, т.е. имеющие спектр />. Рассмотрим периодическуюфункцию /> такую, что: />, т.е. полученнуюпериодизацией F1(ω)(рис. 3.14)
/>
Тогдаспектр функции: Fi (ω) при произвольном I можнопредставить в виде:
/>
Где /> — функция окна такая, что:
/>
Посмотрим,как при этих условиях можно представить функцию f (t) во временнойобласти. Для этого разложим периодическую функцию /> спериодом />, в ряд Фурье (см. />):
/>
/>
Где,подставляя (3.5.10а) в (3.5.9) и выполняя обратное преобразование Фурье,получим:
/>
Вычислимпервый интеграл. Переставляя операции суммирования и интегрирования иограничивая пределы интегрирования с учетом функции окна, получим:

/>/>
гдевейвлет
/>                                                              (3.5.14)
и (см.рис. 3.16):
/>                                                              (3.5.15)
Выражение(3.5.13) является представлением функции f (t) в базисевейвлет. В рассматриваемом частном случае идеальной полосовой фильтрации вейвлетомявляется функция (3.5.14), образованная из материнской функции /> по (3.5.15) с учетом(3.5.12). Такой вейвлет называется sinc –вейвлетомпо имени функции (3.5.12), которая его образует, а функция (3.5.12) получиланазвание масштабной функции.
/>

Множитель/>при /> необходим для сохранениянормы /> вне зависимости от величинымасштаба, так как:
/>
Покажем,что в рассматриваемом частном случае /> т.е.определяется отсчетами функции />при />. Рассмотрим интеграл Фурье(/>) при дискретных значениях /> функции/>, заданной на интервале />Имеем, с учетом (3.5.10б):
/>
Последнееравенство справедливо при />ивещественных />
Следовательно,
/>
Выполнивпреобразование Фурье выражения (3.5.14), можно видеть, что спектр Фурье sinc -вейвлета представляет собойидеальный полосовой фильтр, в общем случае занимающий полосу частот от/> до />
ВейвлетХаара. Разобьем теперь временную ось на интервалы, как показано на рис. 3.17 иопределим на единичном интервале функцию

/>
Этафункция является материнским вейвлетом, так как она удовлетворяет условию (/>). Система сдвигов такихфункций /> образует ортонормальныйбазис, так как их взаимная энергия равна нулю при /> иравна единице при />
/>
ПреобразованиеФурье (/>) вейвлета Хаара имеет види показано на рис. 3.17б.
/>
/>

ФункцииХаара, также как sinc -вейвлет,могут быть получены с помощью масштабной функции
/>
чтоиллюстрируется на рис. 3.18.
/>
Изприведенных примеров следует ряд интересных выводов:
1.Представление вейвлет-функции в виде прямоугольников в любой из областей(частотной или временной) ведет к бесконечному расширению в противоположнойобласти. Следовательно, для того, чтобы функции вейвлет были локализованыодновременно во временной и частотной областях, они должны убывать с ростомаргумента, по крайней мере, по закону обратной пропорциональности (см.(/>и />)).
2.  Вейвлеты ψ(t), спектры Фурье которых представляютсобой полосовые фильтры, могут быть выражены через масштабные функции />(t), спектры Фурье которых представляют собой фильтры нижнихчастот (см. формулы (3.5.15) и (3.5.19)).
3.  Базисные функции для DWT могут быть получены из однойматеринской функции путем ее масштабирования и сдвига (см. формулы (3.5.14) и(3.5.15)).
4.  Любой сигнал f(t) из L2 может быть представлен своим вейвлет- разложением(3.5.13), если число компонентов fi(t) таково, что они занимают полосучастот большую, чем полоса сигнала.

Литература
1. Новиков И.Я., Стечкин СБ. Основытеории всплесков // Успехи математических наук. 1998. V. 53. № 6. С.9-13.
2.Петухов А.П. Введение в теориюбазисов всплесков. СПб.: Изд. СПбГТУ, 1999. 131 с.
3.Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теорияи практика вейвлет-преобразования. СПб.: ВУС, 1999. 203 с.
4.  Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основытеории и примеры применения// УФН. 1996. Т. 166, № 11. С. 1145-1170.
5.  Martin Vatterli, JelenaKovačevic. Wavelets and Subband Coding. Prentice Hall, New Jersey, 1995.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Методы оценки инвестиционых проектов
Реферат Entombed
Реферат Аннотация программы учебной дисциплины «Медицинская биохимия» учебного плана направления подготовки 011200 Физика Цели и задачи дисциплины
Реферат Рекультивация нефтезагрязненных земель в Среднем Приобье недостатки и основные причины низкой э
Реферат Военные реформы Александра 2 3
Реферат Организация учета труда и заработной платы на МУП ТВС "Первомайское"
Реферат Личность и общество в романе Стендаля «Чёрное и белое».
Реферат Правовые механизмы функционирования различных видов банковских счетов
Реферат Роль Гидрометфонда Российской Федерации в сохранении и использовании данных о состоянии, контроле и мониторинге природной среды
Реферат Карти - джерело географічних знань
Реферат Організація діяльності державної податкової інспекції Святошинського району міста Києва
Реферат Газовый рынок Европы 2010
Реферат Изучение потребителей при планировании бизнеса (на примере компании "IKEA")
Реферат Vi международная научно-техническая конференция «Диагностика оборудования и конструкций с использованием магнитной памяти металла»
Реферат Крестьянская война 1773-1775 годов на территории Саратовского края