【小波变换】离散小波分解Discrete Wavelet Transform

本文深入探讨了离散小波变换(DWT)的原因、基础概念和特性,阐述了其相对于傅里叶变换的优势,特别是在处理非平稳时间序列中的应用。DWT通过高通和低通滤波器分析信号,并通过多级分解保留频率和时间位置信息。

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此篇博客记录自学离散小波分解的相关内容,以后若有更多理解在此篇更新。


一、 为什么需要离散小波分解

   除离散变换外,还有连续小波分解,通过改变分析窗口大小,在时域上移动窗口和基信号相乘,最后在全时域上整合。通过离散化连续小波分解可以得到伪离散小波分解(注意有些matlab工具包的DWT实际上是它而不是下文要说的离散小波分解)。这种离散化带有大量冗余信息且计算成本较高。

二、离散小波分解Discrete Wavelet Transform

   在讲小波变换前,可以先懂一点傅里叶变换的东西,关于将信号从时域转换到频域及其局限性。小波变换很大程度上弥补了傅立叶分解在非平稳时间序列上的不足,通过将傅立叶分解的正余弦波替换为一组可衰减的正交基,能较好地表达出序列中的突变和非平稳部分。

1. 基础

  离散小波变换的核心:用不同频率的滤波器分析不同频率的信号,主要是高通滤波器和低通滤波器。
  信号的分辨率:衡量信号承载的信息丰富程度,采样率越高则分辨率越高,反之亦是。
  DWT用小波函数(wavelet fuction)和尺度函数(scale function)来分别分析高频信号和低频信号,也即高通滤波器和低通滤波器。
  注:在DWT中频率的单位是弧度。

DWT分解过程:

  1. 将信号 x [ n ] x[n] x[n]通过具有脉冲响应 h [ n ] h[n] h[n]的半带低通滤波器,这一过程类似数学里的卷积, x [ n ] × h [ n ] = ∑ k = − ∞ ∞ x [ k ] ⋅ x [ n − k ] x[n] \times h[n] = \sum^{\infty}_{k=-\infty}x[k] \cdot x[n-k] x[n]×h[n]=k=x[k]x[nk]。这一操作会剔除信号中频率低于 p / 2 p/2
### Maximum Overlap Discrete Wavelet Transform (MODWT)介绍 Maximum Overlap Discrete Wavelet Transform (MODWT) 是一种改进型的小波变换技术,旨在克服传统离散小波变换(DWT)中存在的边界效应问题。DWT采用的是下采样操作,在每次分解过程中丢弃了一半的数据点,这可能导致信号边缘信息丢失以及周期性假设带来的伪影现象[^1]。 相比之下,MODWT通过保留所有的尺度系数而不进行任何降采样的方式来处理数据流。这种方法不仅能够保持原始时间序列长度不变,而且可以更精确地捕捉到局部变化特性,尤其适合于非平稳过程的研究分析。 #### MODWT 的原理 MODWT的核心在于使用滤波器组对输入的时间序列执行多分辨率分析: - **滤波器设计**:与标准 DWT 类似,MODWT 使用一对低通和高通滤波器 h[n], g[n] 对输入信号 s(t) 进行卷积运算。 - **无下采样**:不同于传统的 DWT 中每层都会减少一半样本数的做法,MODWT 在每一级都保存完整的细节和平滑分量而不会舍弃任何一个观测值。 - **冗余度增加**:由于不涉及下取样步骤,因此相对于相同层数的传统 DWT 而言,MODWT 会产生更多的输出项,即所谓的 "最大重叠" 特征。 具体来说,对于给定的 J 层分解级别,MODWT 可以表示为如下形式: \[ W_j(k)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty}s(n)\cdot h(j,n-k), \quad j=0,\ldots,J; k\in Z \] 其中 \(W_j\) 表示第j层的小波系数;\(s(n)\) 是原有时序数据;h代表所使用的母小波对应的滤波器响应函数。 #### 应用领域 MODWT因其独特的优势被广泛应用在多个学科和技术领域内: - **金融数据分析**:用于检测金融市场中的趋势反转点、异常波动事件等; - **环境科学**:监测气候变化模式下的温度曲线、降雨记录等长期动态行为; - **生物医学工程**:特别是在脑电图(EEG)[^3] 和心电图(ECG)等领域中实现高效的特征提取与分类识别任务; - **地震学研究**:帮助科学家们更好地理解和预测地质活动规律。 #### Python 实现代码示例 以下是利用 `PyWavelets` 库来进行一维 MODWT 处理的一个简单例子: ```python import pywt import numpy as np def modwt(x, wavelet='db1', level=None): """Perform the maximum overlap discrete wavelet transform.""" # Ensure input is a NumPy array and has at least one dimension. x = np.asarray(x) if not isinstance(wavelet, str): raise ValueError("wavelet must be given by name") wp = pywt.WaveletPacket(data=x, wavelet=wavelet, mode='symmetric') max_level = pywt.dwt_max_level(len(x), wp.wavelet.dec_len) if level is None or level > max_level: level = max_level nodes = [node.path for node in wp.get_level(level)] coeffs = [] for n in nodes[::-1]: c = getattr(wp[n], 'data', []) coeffs.append(c[:len(x)]) return list(reversed(coeffs)) # Example usage with synthetic data if __name__ == "__main__": t = np.linspace(-1., 1., 200, endpoint=False) sig = np.cos(2 * np.pi * 7 * t) + np.real(np.exp(-7*(t-0.4)**2)*np.exp(1j*2*np.pi*2*t)) result = modwt(sig, 'haar', 3) ```
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