【经验模态分解】4.信号由时域向频域的转换

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 * @poject          经验模态分解及其衍生算法的研究及其在语音信号处理中的应用
 * @file            傅里叶变换与小波变换
 * @author			jUicE_g2R(qq:3406291309)
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 * @language        MATLAB
 * @EDA				Base on matlabR2022b
 * @editor			Obsidian(黑曜石笔记软件)
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 * @copyright		2023
 * @COPYRIGHT	    原创学习笔记:转载需获得博主本人同意,且需标明转载源
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  • E M D EMD EMD 是 基于 傅里叶变换 与 小波变换 的改进
  • E M D EMD EMD离散小波变换 产生的背景是 基于解决 傅里叶变换 与 小波变换时间尺度 上存在的缺陷

1 傅里叶变换与短时傅里叶变换

1-1 (传统的)傅里叶变换

  • 傅里叶变换(Fourier Transform)是一种将 时域上的信号转换到频域上 的数学工具

1-1-1 优点

优点详细说明
可时频转换傅里叶变换可以将时域上的信号转换为频域上的信号,便于对信号的频率特征进行分析和处理
可分解傅里叶变换可以将信号分解成多个不同频率的正弦和余弦函数,这些分量可以提供有关信号频率和振幅的信息
线性性傅里叶变换具有线性性,可以对多个信号进行叠加处理
可逆性可以将频率域上的信号转换回时域上的信号

1-1-2 缺陷

缺陷详细说明
实时性差傅里叶变换是一种理论分析工具,不适合对信号进行实时处理,因此需要使用快速傅里叶变换(FFT)等算法来加速计算
普适性差傅里叶变换需要将整个信号在时间上进行全局分析,计算复杂度较高,不适合对长时间信号进行处理
局部性差傅里叶变换对信号的局部特征无法进行分析,对于非周期性信号和突发性信号的频谱分析效果较差
处理特殊情况效果差傅里叶变换对于非线性信号、带噪声信号等情况处理效果较差
  • 傅里叶变换 是 对 一段信号 不分时间先后 来观察其中的频率成分 及 各个频率成分的贡献,即没有时间分辨率不可通过傅里叶变换知道一个特定时间点的频率成分

1-2 短时傅里叶变换

  • 短时傅里叶变换 是 基于 (传统的)傅里叶变换时间分辨率的缺陷 给出了相应的改进方法

短时:即将 长段信号源 拆分成 多段 短的信号源(但是 窗口大小是固定的【固定窗长】,这也是它的缺陷)

Ts = 0:0.001:2; 						% 采样频率1000次每秒,时长为2s
%% 两个源信号用的是扫频函数chirp()
Sig_Low2High = chirp(Ts, 50, 2, 300); 	% 低频到高频:从 50Hz  线性升至 300Hz
Sig_High2Low = chirp(Ts, 300, 2, 50);	% 高频到地频:从 300Hz 线性升至 50Hz

1-3 信号的频谱图和时频图实验

步骤:

1-3-1 打开 信号分析器APP

1-3-2 面板设置

在这里插入图片描述

1-3-3 拖入信号

在这里插入图片描述

1-3-4 设置 采样率 S a m p l e R a t e SampleRate SampleRate

在这里插入图片描述
注:两个信号要分别修改对应的 S a m p l e R a t e SampleRate SampleRate

1-3-5 对每个面板选中相应的信号

在这里插入图片描述

1-3-6 选中面板并点击上方工具栏的频谱获得相应的频谱图

在这里插入图片描述

  • 分析上述频谱图
    左面板是 高频 到 低频,右面板是 低频 到 高频:
    两边的频谱图是一模一样的,一个原因是两个信号都是扫频函数(频率线性变化),另一个是频谱工具箱得到的频谱图是通过 傅里叶变换 得到的(傅里叶变换是全局的,两个全局确实一样,但局部不一样)

  • 选中面板并点击上方工具栏的时谱获得相应的时谱图
    在这里插入图片描述
    时频图是根据 短时傅里叶变换 得到的,很明显的可以看到两个信号的区别,同时体现了 短时傅里叶变换 具有 时间与频率的分辨率

1-3-7 结论

傅里叶变换 相较于 短时傅里叶变换 存在明显的 时频分辨率 上的差异

2 离散小波变换

  • 频域 上来看,离散小波变换 相当于一个 带通滤波器,相当于通过 尺度因子 与 平移因子
因子作用
尺度因子控制 小波基 的 伸展程度(控制 频率
平移因子控制 时间
  • 短时傅里叶变换 而言,离散小波变换 具有平衡 频率分辨率 与 时间分辨率 的优势

2-1 尺度因子

  • 小波母函数
    C e n t F r e q ( 中心频率 ) = S c a l e F a c t o r ( 尺度因子 ) ∗ f CentFreq(中心频率)=ScaleFactor(尺度因子)*f CentFreq(中心频率)=ScaleFactor(尺度因子)f

2-2 平移因子

  • 能使得 时间和频率之间 达到 平衡
    离散小波变换 是 对 短时傅里叶变换固定窗长 这一特性出现 “低频精度不高,高频分辨率太低” 缺陷的一种解决办法。

  • C ( 常数 ) = W d n L e n ( 窗长 ) ∗ f C(常数)=WdnLen(窗长)*f C(常数)=WdnLen(窗长)f
    高频时:具有很高的 时间分辨率,窗长小
    低频时:具有很高的 频率精度
    ,窗长大

本节参考视频源NO.11 两步搞定经验模态分解与离散小波变换-哔哩哔哩

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