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加伯转换

加伯变换是窗函数为高斯函数的短时距傅里叶变换

数学定义

将短时距傅立叶变换中的窗函数代入高斯函数,即可得下面的定义。

根据高斯函数会从两侧递减的性质,我们可以将上式进一步化简:

让积分范围不是无限大,有利于实作。

为何选择高斯函数作为窗函数

其他窗函数的短时距傅立叶变换,如短时距傅立叶变换提到的方形窗函数,无法同时兼顾时间轴和频率轴的分辨率;一者分辨率提升,另一者分辨率必定下降。但高斯函数由海森堡测不准原理可得知,是最能同时让两轴兼顾分辨率的窗函数(将于下个章节详述)。

高斯函数傅里叶变换的特征函数,因此经过转换后其性质不变。因此可让加伯变换后在时间轴和频率轴的性质相互对称。

1.

其他窗函数的短时距傅立叶变换,如短时距傅立叶变换提到的方形窗函数,无法同时兼顾时间轴和频率轴的分辨率;一者分辨率提升,另一者分辨率必定下降。但高斯函数由海森堡测不准原理可得知,是最能同时让两轴兼顾分辨率的窗函数(将于下个章节详述)。

2.

高斯函数为傅立叶转换的特征函数,因此经过转换后其性质不变。因此可让加伯变换后在时间轴和频率轴的性质相互对称。

加伯变换的一般化

由于高斯窗函数的宽度可以由其变异数做调整,因此我们将这个参数加入加伯变换的数学式子中,让转换更加弹性。

改变高斯函数的宽度,和改变方形窗函数短时距傅里叶变换的效果类似。若选取较大的,高斯窗函数较窄,则时间轴有较高的分辨率,频率轴的分辨率会下降。反之,若选取较小的,高斯窗函数较宽,则时间的分辨率下降,频率轴的分辨率会上升。虽然还是有两轴之间的分辨率的牺牲,但比起其他无法满足不确定性原理下限的窗函数,加伯变换的两轴还是能相对维持较高的分辨率。

离散Gabor变换

Gabor表示的离散版本

通过在这些方程中离散Gabor基函数,可以很容易地推导出。由此,连续参数t被离散时间k代替。此外,必须考虑Gabor表示中现在的有限求和极限。以这种方式,采样信号y(k)被分成长度为N的M个时间帧。根据,临界采样的因子Ω是

类似于DFT(离散傅里叶变换),获得分成N个离散分区的频域。然后,这N个频谱分区的逆变换导致时间窗的N值y(k),其由N个样本值组成。对于具有N个样本值的整个M时间窗口,每个信号y(k)包含K=N·M个样本值:(离散Gabor表示)

根据上面的等式,N·M系数对应于信号的样本值K的数量。

对于过采样设置为与N'\u003eN,其导致离散Gabor表示的第二和中的N'\u003eN个求和系数。在这种情况下,获得的Gabor系数的数量将是'\u003eK.因此,可获得比样本值更多的系数,因此将实现冗余表示。

应用例子

Gabor变换的主要应用用于时频分析。以下面的等式为例。当t≤0时,输入信号具有1Hz频率分量,当t\u003e0时,输入信号具有2Hz频率分量

但如果可用的总带宽是5Hz,则除了x(t)之外的其他频带被浪费。通过应用Gabor变换进行时频分析,可以知道可用带宽,并且可以将这些频带用于其他应用并节省带宽。右侧图片显示输入信号x(t)和Gabor变换的输出。正如我们所期望的那样,频率分布可以分为两部分。一个是t≤0而另一个是t\u003e0.白色部分是x(t)占用的频带,不使用黑色部分。注意,对于每个时间点,存在负(上白部分)和正(下白部分)频率分量。

参考资料