信号时频分析-讲义-WVD
线性调频信号的时频分析研究
线性调频信号的时频分析研究随着通信技术的发展，线性调频信号（Linear Frequency Modulation，LFM）在通信系统中得到了广泛的应用。
线性调频信号是一种在一段时间内频率线性变化的信号，其具有宽带、抗多径衰落、抗高噪声等特点，因此适用于高分辨率雷达、超声定位、地震勘探等领域。
为了更好地理解和设计线性调频信号的应用系统，对其进行时频分析研究是非常重要的。
时频分析是一种将信号在时间和频率域上进行联合分析的方法，可以提供关于信号特性的更详细的信息。
对于线性调频信号而言，时频分析可以帮助我们获得信号的调频特性和调制参数。
下面将介绍几种常见的时频分析方法，以及它们在线性调频信号研究中的应用。
STFT是一种将信号在时间和频率上进行分析的方法，它通过将信号分成多个小时间窗口，并对每个窗口进行傅里叶变换，得到该窗口内信号的频谱信息。
STFT可以提供线性调频信号的瞬时频率信息，帮助我们理解信号的调频特性。
2. Wigner-Ville分布（Wigner-Ville Distribution，WVD）WVD是一种采用时频联合分析的方法，它通过计算信号的瞬时相位和瞬时幅度，得到信号在时频上的分布。
WVD可以提供线性调频信号的瞬时频率和瞬时频谱信息，有助于我们研究信号的调频参数和调频性质。
3. 希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT）此外，还有一些其他的时频分析方法，如连续小波变换（Continuous Wavelet Transform，CWT）、自适应滤波器（Adaptive Filter），它们在线性调频信号研究中也有一定的应用。
通过将这些方法相互结合，可以更好地理解线性调频信号的时频特性和调制参数。
在线性调频信号的时频分析研究中，我们可以分析信号的频谱特性、瞬时频率变化、调制参数等。
通过这些分析，我们可以了解信号是否具有带宽限制特性、频率变化规律，以及在特定调制参数下，信号的传输性能如何。
信号时频分析-讲义-WVD
Wigner-Ville 分布Wigner-Ville 分布可以看作是一大类分布的原型，它们和短时傅立叶变换谱有着本质的不同。
它首先由Wigner 提出，用于量子力学领域问题的研究，后由Ville 引入到信号分析。
因为在计算中，信号需要用到两次，因此Wigner-Ville 分布被称为一种二次型分布。
基本定义及计算Wigner-Ville 分布可由信号x (t )本身或它的频谱)(ωX 定义为如下两种等价方式ττ+τ-=ωτω-+∞∞-⎰d )e 21()21(π21)(i t x t x ,t WVD *x , (2.1.1)τθ+ωθ-ω=ωθ+∞∞-⎰d )e 21()21(π21)(i t *x X X ,t WVD . (2.1.2) 其中*表示复数共轭。
要证明上面两式是等价的，只需将信号写成它的频谱形式，然后将其代入到(2.1.1)式，即可得到(2.1.2)式。
式(2.1.1)中，)2/()2/(*ττ+-t x t x 称为信号的瞬时相关函数，因此Wigner-Ville 分布实质上是对信号的瞬时相关函数的傅立叶变换，它的结果能够反映信号的时频特征。
例2.1.1 对于信号)π400sin()(t t x = )10(≤≤t (2.1.3)其采样频率为1000 Hz 。
图2.1.1是其Wigner-Ville 分布，频率轴划分区间数为512。
图中清楚显示，该信号在整个时间段上，只含有一个频率为200Hz 的分量。
需要说明的是，图中显示的是Wigner-Ville 分布的绝对值，后面所有图中，如果没有特别注明，都默认显示的是绝对值。
图2.1.1 信号(2.1.3)的Wi gn er-Vi ll e 分布W i g n e r -V il l e 分布5000.2 0.4 0.6 10.20.40.60.8例2.1.2)π50π100sin()(2t t t x += )20(≤≤t , (2.1.4)这是一个线性调频信号。
信号理论讲义6(时频分析)
频域位移不变性
若
s( ) s( 0 )
则 P(t , ) P(t , 0 )
若 则
s (t ) e
j0t
s (t t0 )
P(t , ) P(t t0 , 0 )
线性尺度变换：
若 则
s (t ) as (at ) P (t , ) P ( at , / a )
特点：
原理简单明确 有合理的物理意义 计算容易。
特性分析：
总能量
E＝ Psp (t , )dtd | st ( ) |2 dtd ˆ | s( t ) |2 | g ( ) |2 dtd ˆ ( | g ( ) |2 | s ( t ) |2 dt )d ˆ | g ( ) |2 d s
1.将信号和窗函数离散化。 s (t ) {s (n)} g (t ) {g (n)} 2.将s (n)与g (n－m)相乘，得到{s (n) g (n－m)}。 3.对{s (n) g (n－m)}作离散傅立叶变换。 DSTFT ( s )(m, l ) s (n) g (n－m)e
？
二次型时频分布：
信号项
若 则
z (t ) c1 x(t ) c2 y (t ) Pz (t , ) | c1 |2 Px (t , ) | c2 |2 Py (t , )
* * c1c2 Px , y (t , ) c2c1 Py , x (t , )
交叉项
3.对函数st ( )作傅立叶变换 1 ˆ st ( ) st ( )e j d 2 1 s ( ) g ( t )e j d 2 因此，在t时刻信号的能量密度频谱是 ˆ Psp (t , )＝|st ( ) |2
基于子带分解WVD的雷达信号时频分析方法
基于子带分解WVD的雷达信号时频分析方法
王露
【期刊名称】《现代导航》
【年(卷),期】2016(007)006
【摘要】研究利用谐波小波子带分解消除Wigner-Ville分布交叉项的雷达信号时频联合分析方法。
通过对多分量信号进行子带分解预处理来消除信号之间以及信号与噪声之间的相互影响，并求取个独立分量的 WVD，最后进行线性求和获得原始信号时频分布。
仿真分析结果表明，对于在频域无交叉点的多分量信号，该方法能够有效抑制交叉项和噪声的干扰，提高了时频分辨效果并能准确提取出目标的特征信息，检测效果优于传统WVD分析方法，将有助于提高雷达信号检测、特征提取的能力。
【总页数】6页(P442-447)
【作者】王露
【作者单位】中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068
【正文语种】中文
【中图分类】TN911
【相关文献】
1.基于WVD时频分析的雷达信号抗识别效果验证 [J], 冒燕;何明浩;朱元清
2.基于改进时频分析方法的雷达信号瞬时频率估计 [J], 白航;赵拥军;胡德秀;刘成城
3.基于WVD的雷达信号瞬时频率提取方法研究 [J], 张静;李梁;廖曦;赵风超
4.基于VMD-P WVD的内燃机振动信号时频分析方法 [J], 岳应娟;孙钢;蔡艳平;王旭
5.基于信号分解的时频分析方法在高频地波雷达目标监测中的应用研究 [J], 桂任舟;杨子杰
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几种时频分析方法及其工程应用
几种时频分析方法及其工程应用时频分析是一种将时间和频率维度综合起来分析信号的方法，广泛应用于信号处理、通信、音频处理、图像处理等领域。
在实际工程应用中，根据不同的需求和应用场景，可以采用多种不同的时频分析方法。
本文将介绍几种常见的时频分析方法及其工程应用。
短时傅里叶变换是一种将信号分为多个小片段，并对每个小片段进行傅里叶变换的方法。
它在时域上采用滑动窗口的方式将信号分段，然后进行傅里叶变换得到频域信息。
STFT方法具有时间和频率分辨率可调的特点，可用于信号的频域分析、谱估计、声音的频谱显示等。
工程应用：STFT广泛应用于语音处理、音频编解码、信号分析等领域。
例如在音频编解码中，可以利用STFT分析音频信号的频谱特征，进行数据压缩和编码。
2. 小波变换（Wavelet Transform）小波变换是一种时频分析方法，它通过将信号与一系列基函数（小波）进行卷积来分析信号的时间和频率特性。
小波变换具有多分辨率分析的特点，可以在不同尺度上对信号进行分析。
工程应用：小波变换可以用于信号处理、图像压缩等领域。
在图像处理中，小波变换被广泛应用于图像的边缘检测、图像去噪等处理过程中。
3. Wigner-Ville分布（Wigner-Ville Distribution，WVD）Wigner-Ville分布是一种在时间-频率平面上分析信号的方法，它通过在信号的时域和频域上进行傅里叶变换得到瞬时频率谱。
WVD方法可以展现信号在时间和频率上的瞬时变化特性。
工程应用：Wigner-Ville分布在通信领域中被广泛应用于信号的调制识别、通信信号的自适应滤波等方面。
例如在调制识别中，可以利用WVD方法对调制信号的频谱特征进行分析，从而判断信号的调制类型。
4. Cohen类分析（Cohen's class of distributions）Cohen类分析是一种将信号在时间-频率域上进行分析的方法，它结合了瞬时频率和瞬时能量的信息。
《信号的时频分析》课件
高效算法
研究更高效的时频分析算法，提高计算效率和准确性。
多维信号处理
拓展时频分析在多维信号处理领域的应用，如图像和视频信号。
深度学习与机器学习
结合深度学习和机器学习技术，改进时频分析的性能和效果。
THANKS
感谢您的观看。
03
CHAPTER
信号的时频分析方法
短时傅里叶变换是一种常用的信号时频分析方法，通过在时间上滑动窗口并对每个窗口内的信号进行傅里叶变换，可以得到信号在时间和频率上的分布信息。
总结词
STFT通过在时间轴上滑动一个固定大小的窗口，并对每个窗口内的信号进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域。窗口的大小和形状可以根据需要进行选择，常用的有矩形窗、汉明窗等。STFT的优点在于其简单易行，可以直观地展示信号的频率成分随时间的变化情况。《信号的Fra bibliotek频分析》ppt课件
目录
引言时频分析的基本概念信号的时频分析方法时频分析的应用实例时频分析的挑战与展望
01
CHAPTER
引言
03
时频分析在信号处理、通信、雷达、声呐、振动分析等领域有广泛应用。
01
信号的时频分析是一种研究信号时间-频率特性的方法，用于揭示信号中隐藏的频率成分和时间变化规律。
02
它通过将信号从时间域转换到频率域，并分析信号在不同时间和频率下的表现，来描述信号的时频特性。
通过时频分析，可以更好地理解信号的特性和变化规律，为信号处理、特征提取、模式识别等应用提供有力支持。
时频分析在处理非平稳信号时具有独特的优势，能够有效地提取信号中的瞬态特征和突变信息。
时频分析能够揭示信号中隐藏的频率成分和时间变化规律，对于理解和处理复杂信号非常重要。
时频信号分析 PPT课件
由此可以得到Hilbert反变换的公式
x(t) 1 x$(t) 1 x$( ) d
πt
π t
设 x$(t) 为信号x(t)的Hilbert变换，定义
z(t) x(t) jx$(t)
为信号x(t)的解析信号。 对实信号x(t)引入解析信号z(t)的理由： （1） x(t) ——实，X(j Ω) ——共轭对称，即
这样，我们无法从局部频率处 ( 0或1 2 ) 的 X (j) 来得到某一局部时刻 (t t0或t1 t t2 ) 的 x(t)，反过来也是如此的。这就是说，通过傅里叶变 换建立起来时域——频率关系无“定位”功能。换 句话说，时间信号x(t)某个局部的改变将传遍（影响） 整个频率轴，相反也一样，X (j) 某个局部的变换也 将传遍整个时间轴。
但是受实际上不确定原理的制约，时间分辨率和频率 分辨率不能同时达到最好（即分辨间隔最小）。因此 在实际信号分析中，应根据信号的特点及信号处理任 务的需求选取不同的时间分辨率和频率分辨率。
时域突变信号——高的时域分辨率，降低频率分辨率 要求
时域慢变信号——降低时间分辨率，高的频率分辨率 一个“好”的方法，除了能够选择不同的时间分辨率 和频率分辨率外，还应能适应信号特点自动调节时域 的分辨率和频域的分辨率。
2、傅里叶变换对于非平稳信号的局限性
平稳信号 工程上 频率不随时间变化的信号（时
不变信号）
非平稳信号 工程上 频率随时间变化的信号（时
变信号） 定义上有别与平稳随机信号——均值（一阶矩）和 相关（二阶矩）函数不随时间变化。 非平稳信号——频率随时间变换不合适 X ( j)
与时间无关
EX: 线性频率调制信号
X ( j） x(t)e jtdt
《信号的时频分析》课件
概念：一种数学工具，用于分析信号的时频特性
特点：具有局部性、多分辨率、自适应性等优点
应用：广泛应用于信号处理、图像处理、语音识别等领域
原理：通过小波基函数对信号进行分解和重构，实现信号的时频分析
原理：将信号分解为多个本征模态函数（IMF）
特点：自适应性、局部性、完备性
应用：信号处理、数据分析、故障诊断等领域
理论基础：介绍信号时频分析的基本概念和理论
应用实例：介绍信号时频分析在实际工程中的应用
实验操作：介绍信号时频分析的实验操作步骤和注意事项
总结与展望：总结信号时频分析的主要内容和发展趋势
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信号的时频表示：将信号在时间和频率两个维度上进行表示
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傅里叶变换：将信号从时域变换到频域，实现信号的时频表示
通信系统：信号的时频分析在通信系统中用于信号的接收、处理和传输。
雷达系统：信号的时频分析在雷达系统中用于目标检测、跟踪和识别。
声纳系统：信号的时频分析在声纳系统中用于水下目标的探测和定位。
生物医学信号处理：信号的时频分析在生物医学信号处理中用于心电图、脑电图等信号的分析和处理。
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短时傅里叶变换（STFT）：将信号在时间上进行分段，对每个分段进行傅里叶变换，实现信号的时频表示
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小波变换：将信号在时间和频率两个维度上进行分解，实现信号的时频表示
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希尔伯特变换：将信号从时域变换到频域，实现信号的时频表示
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信号的时频表示的应用：信号处理、通信、雷达等领域
多尺度分析：通过调整尺度函数，实现信号在不同尺度下的时频表示，从而更好地分析信号的时频特性。
滤波器类型：低通、高通、带通、带阻等
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Wigner-Ville 分布Wigner-Ville 分布可以看作是一大类分布的原型，它们和短时傅立叶变换谱有着本质的不同。
它首先由Wigner 提出，用于量子力学领域问题的研究，后由Ville 引入到信号分析。
因为在计算中，信号需要用到两次，因此Wigner-Ville 分布被称为一种二次型分布。
基本定义及计算Wigner-Ville 分布可由信号x (t )本身或它的频谱)(ωX 定义为如下两种等价方式ττ+τ-=ωτω-+∞∞-⎰d )e 21()21(π21)(i t x t x ,t WVD *x , (2.1.1) τθ+ωθ-ω=ωθ+∞∞-⎰d )e 21()21(π21)(i t *x X X ,t WVD . (2.1.2) 其中*表示复数共轭。
要证明上面两式是等价的，只需将信号写成它的频谱形式，然后将其代入到(2.1.1)式，即可得到(2.1.2)式。
式(2.1.1)中，)2/()2/(*ττ+-t x t x 称为信号的瞬时相关函数，因此Wigner-Ville 分布实质上是对信号的瞬时相关函数的傅立叶变换，它的结果能够反映信号的时频特征。
例2.1.1 对于信号 )π400sin()(t t x = )10(≤≤t (2.1.3)其采样频率为1000 Hz 。
图2.1.1是其Wigner-Ville 分布，频率轴划分区间数为512。
图中清楚显示，该信号在整个时间段上，只含有一个频率为200Hz 的分量。
需要说明的是，图中显示的是Wigner-Ville 分布的绝对值，后面所有图中，如果没有特别注明，都默认显示的是绝对值。
图2.1.1 信号(2.1.3)的Wi gn er-Vi ll e 分布t /s f /H z W i g n e r -V il l e 分布5004003002001000 00.2 0.40.6 0.8 1 0.20.4 0.6 0.8例2.1.2)π50π100sin()(2t t t x += )20(≤≤t , (2.1.4)这是一个线性调频信号。
采样频率为500Hz ，图2.1.2是其时域波形和频谱，图2.1.3是其Wigner-Ville 分布，频率轴划分区间数为512。
频谱图显示该信号的频率范围在50Hz 至150Hz 之间，但却不能反映频率随时间的变化关系，而Wigner-Ville 分布图则清楚表明该信号的频率是随时间呈线性增加，是个线性调频信号。
图2.1.2 信号(2.1.4)的时域波形和频谱图2.1.3 信号(2.1.4)的Wi gn er-Vi ll e 分布f /H z t / s W ig n e r -V il l e 分布50 100 150 200 2500 0.5 1 1.5 2 0.20.40.60.8t / s(a ) 时域波形 f / H z (b ) 频谱 幅值 幅值 00.51 1.52-0.500.51050100150200250基本性质Wigner-Ville 分布是一种最基本，也是应用最多的时频分布。
熟悉Wigner-Ville 分布的数学性质对于全面了解该分布是十分必要的。
下面给出了Wigner-Ville 分布的一些主要性质。
(1) 实值特性Wigner-Ville 分布),(ωt WVD x 总是实值的，即便信号是复数。
根据式(2.1.1)，),(ωt WVD x 的共轭复数定义为ττ-τ+-=ττ+τ-=ωτω--∞∞τω+∞∞-⎰⎰d )e 21()21(π21d )e 21()21(π21)(i i t x t x t x t x ,t WVD ***x )(d )e 21()21(π21i ω=ττ-τ+=τω-∞∞-⎰,t WVD t x t x x *, (2.2.1) 因此，),(ωt WVD x 是实值函数。
(2) 时频边缘特性Wigner-Ville 分布),(ωt WVD x 具备如下时频边缘特性。
2)(d ),(t x t WVD x =⎰ωω , (2.2.2)2)(d ),(ωωX t t WVD x =⎰ , (2.2.3)很显然， )d ()e 21()21( d d )e 21()21(π21d )(i i ⎰⎰⎰⎰τδτ-τ+=ωττ-τ+=ωωτω-τω-t t x t x t x t x ,t WVD **x )(2t x = , (2.2.4)类似可证明边缘特性(2.2.3)。
在信号分析中，信号x (t )的瞬时功率定义为信号模值的平方 |x (t )|2，类似地，信号在某一频率的能量强度叫做能量谱密度，它是信号傅立叶变换谱的平方|X (ω)|2。
因此，Wigner-Ville 分布的边缘特性表明，该分布关于时间t 和频率ω的积分分别给出了信号x (t )在t 时刻的瞬时功率和在频率ω的能量谱密度。
(3) 能量守恒 Wigner-Ville 分布是一种能量守恒的变换，这可由该变换的时频边缘特性很容易地给出证明。
⎰⎰⎰=ωωωωd )(),(2X dtd t WVD x , (2.2.5)(4) 时移和频移不变性 如果()()0i 0e t t x t x t -→ω，则),(),(00ωωω--→t t WVD t WVD x x , (2.2.6)将()0i 0e t t x t -ω代入Wigner-Ville 分布的定义中，可知新信号的Wigner-Ville 分布),(ωt WVD new 可表示为d )e 21()21(π21 d )e 21()e 21(e π21)()ω(ωi 00i 0)2(i 0)2(i 000⎰⎰ττ--τ+-=ττ--τ+-=ω-τ-τω-τ-ω-τ+ωt t x t t x t t x t t x ,t WVD **/t /t new ),(00ωω--=t t WVD x , (2.2.7)该性质表明，当信号在时间轴上移位一时间段时，它的整个Wigner-Ville 分布也将相应地移位相同的时间量。
类似地，如果信号的频谱平移一固定的量，则其分布也将平移相同的量。
(5) 时频伸缩相似性: 如果)(||)(ct x c t x →，则)/,(),(c ct WVD t WVD x x ωω→ , (2.2.8)这一性质显然应该成立，否则，如果把信号sin(4πt ) (0<t <1)看作是经由尺度参数c =2对信号sin(2πt ) (0<t <2) 进行压缩得到的信号，那么伸缩相似性的不成立将导致以下后果：在二维时频面上，如果信号sin(2πt )的时频分布被正确地显示在1Hz 处，那么信号sin(4πt )的时频分布将不会正确地出现在2Hz 处。
类似地可推出，如果该时频伸缩相似性不成立，那么后续的有限支撑性质也不能满足。
(6) 卷积性质 如果信号y (t )是信号x (t )和h (t )的卷积，则y (t )的Wigner-Ville 分布是x (t )和h (t )的Wigner-Ville 分布的时域卷积，即如果⎰-=τττd )()()(x t h t y , 则 ⎰-=τωτωτωd ),(),(),(x h y WVD t WVD t WVD , (2.2.9)(7) 乘积性质 如果信号y (t )是信号x (t )和h (t )的乘积，则y (t )的Wigner-Ville 分布是x (t )和h (t )的Wigner-Ville 分布的频域卷积，即如果)()()(t x t h t y =, 则⎰-=τττωωd ),(),(),(t WVD t WVD t WVD x h y , (2.2.10)(8) 有限支撑性质如果信号x (t )是时域有限支撑的，则它的Wigner-Ville 分布也具有同样的时域有限支撑，即如果0)(=t x ，T t >||，则0),(=ωt WVD x ，T t >||。
类似地，如果信号x (t )是频域有限支撑的，则它的Wigner-Ville 分布也具有同样的频域有限支撑。
(9) 对线性调频信号分析的良好集中性Wigner-Ville 分布可以精确地反映线性调频信号的频率信息，如t t e t x )2i(0)(β+ω=，则))((),(0t t WVD x βωωδω+-= . (2.2.11)交叉干扰项及其抑制虽然Wigner-Ville 分布具有很多优良的数学性质，遗憾的是，它却不满足可加性。
考虑信号)()()(21t x t x t x += , (2.3.1)将它代入式(2.1.1)可知，信号x (t )的Wigner-Ville 分布可写为),(),(),(),(),(122121ωωωωωt WVD t WVD t WVD t WVD t WVD x x x x x x x +++= , (2.3.2)其中ττ+τ-=ωτω-+∞∞-⎰d )e 21()21(π21)(i 2121t x t x ,t WVD *x x , (2.3.3) ττ+τ-=ωτω-+∞∞-⎰d )e 21()21(π21)(i 1212t x t x ,t WVD *x x , (2.3.4) 这两项称为互Wigner-Ville 分布，它们是复值的，并且可看出),(),(*1221ωωt WVD t WVD x x x x = , (2.3.5) 因此，),(),(1221ωωt WVD t WVD x x x x +是实值的。
这样，式(2.3.2)可简写为[]),(Re 2),(),(),(2121ωωωωt WVD t WVD t WVD t WVD x x x x x ++=. (2.3.6)由此可以看出，两个信号和的Wigner-Ville 分布并不是简单的两个信号各自的Wigner-Ville 分布之和，附加项[]),(Re 221ωt WVD x x 通常称为交叉项。
通过Wigner-Ville 分布的定义也可以直观地解释交叉项是怎么出现的。
正如前面所述，信号某时刻的Wigner-Ville 分布是位于该点过去的信号等长度地乘以位于该点未来的信号，然后作傅立叶变换。
因此，只要该点的右边部分和左边部分存在重叠，则即使信号在该点的值为零，该点的Wigner-Ville 分布也是非零的。
如图2.3.1所示，显然位于t 1和t 2之间的点的Wigner-Ville 分布不会为零，这些非零点就是交叉项在时域的体现。
这是在时域的示意，在频域同样如此。
为了更好地说明交叉项，下面给出三个典型信号的Wigner-Ville 分布。
例2.3.1 该信号的时域波形如图2.3.1所示，其中x 1(t )和x 2(t )都是频率为20Hz 的正弦信号，t 1=2秒，t 2=5秒。