Non-Linear Time-Frequency Distributions (Mertins - Signal Analysis (Revised Edition))

PDF-файл Non-Linear Time-Frequency Distributions (Mertins - Signal Analysis (Revised Edition)) Цифровая обработка сигналов (ЦОС) (15301): Книга - 8 семестрNon-Linear Time-Frequency Distributions (Mertins - Signal Analysis (Revised Edition)) - PDF (15301) - СтудИзба2017-12-27СтудИзба

Описание файла

Файл "Non-Linear Time-Frequency Distributions" внутри архива находится в папке "Mertins - Signal Analysis (Revised Edition)". PDF-файл из архива "Mertins - Signal Analysis (Revised Edition)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "цифровая обработка сигналов (цос)" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "цифровая обработка сигналов" в общих файлах.

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст из PDF

Signal Analysis: Wavelets, Filter Banks, Time-Frequency Transforms andApplications. Alfred MertinsCopyright 0 1999 John Wiley & Sons LtdPrint ISBN 0-471-98626-7 Electronic ISBN 0-470-84183-4Chapter 9Non-Linear TirneFrequency DistributionsIn Chapters 7 and 8 twotime-frequencydistributions were discussed: thespectrogram and the scalogram. Both distributions are theresult of linearfiltering and subsequent forming of the squared magnitude. In this chaptertime-frequency distributions derived in a different manner will be considered.Contrary to spectrograms and scalograms, their resolution is not restrictedby the uncertainty principle. Although these methods do notyield positivedistributions in all cases, they allow extremelygood insight into signalproperties within certain applications.9.1The AmbiguityFunctionThe goal of the following considerations is to describe the relationship betweensignals and their time aswell as frequency-shifted versions.

We start by lookingat time and frequency shifts separately.Time-Shifted Signals. The distanced ( z , 2,) between an energy signal z ( t )and its time-shifted version z,(t) = z(t T ) is related to the autocorrelationfunction T ~ ~ ( THere) .the following holds (cf. (1.38)):+d(&,Zl.=211412 -2265w%T)},(9-1)266Chapter 9.

Non-Linear Time-Ekequency DistributionswhereLCCTE~,(T)=(zT,z)=z*(t)z(t + .r)dt.(9-2)As explained in Section 1.2, T ; ~ ( T ) can also be understood as the inverseFourier transform of the energy density spectrum S,",(w) = IX(w)I2:In applications in which the signal z(t) is transmitted and the timeshift Tis to be estimated from the received signal z(t T ) , it is important that z ( t )and z(t T) are as dissimilar as possible for T # 0.

That is, the transmittedsignal z(t) should have an autocorrelation functionthat is as Dirac-shaped aspossible. In the frequency domain this meansthat theenergy density spectrumshould be as constant as possible.++Frequency-Shifted Signals. Frequency-shifted versions of a signal z ( t )are often produced due to the Doppler effect. If one wants to estimate suchfrequency shifts in orderto determine the velocity of a moving object, thedistance between a signal z ( t ) and its frequency-shifted version z v ( t )= z ( t ) e j u tis of crucial importance.

The distance is given byd ( z , z v ) = 2 llz112 - 2x{(~,z>}.(9.4)For the inner product (zv,z)in (9.4) we will henceforth use the abbreviation(v). We have,ofzz*(t)z(t) ejutdt=(9-5)J-WWsEz(t) ejVtdt=withsEz(t) = lz(t)I2,J-CCwhere sEz((t) can be viewed as the temporalenergy density.' Comparing (9.5)with (9.3) shows a certain resemblance of the formulae for .Fz(.) and pEz(v),'In (9.5) we have an inverse Fourier transform in which the usual prefactor 1/27r doesnot occur because we integrate over t , not over W .

This peculiarity could be avoided if Ywas replaced by -v and (9.5) was interpreted as a forward Fourier transform.However, thiswould lead to other inconveniences in the remainder of this chapter.9.1. The Ambiguity Function267however, with the time frequency domains being exchanged.

This becomeseven more obvious if pF,(u) is stated in the frequency domain:We see that pF,(u) can be seen as the autocorrelationfunction of X ( w ) .Time and Frequency-Shifted Signals. Let us consider the signalswhich are time andfrequency shiftedversions of one another, centered aroundz ( t ) .With the abbreviationfor the so-called time-frequency autocorrelation function or ambiguity function’ we getThus, the real part of A z z ( v r), is related to thedistance between both signals.In non-abbreviated form (9.8) isWAzz(u,T) = S_,z*(t - 7 ) z(t2+I)Gut dt.2Via Parseval’s relationwe obtain anexpression for computing A,,frequency domainU2X ( w - -) X * ( w2+ -)UejwT dw.(9.10)(U,r) inthe(9.11)‘We find different definitions of this term in the literature.

Some authors also use it forthe term IAZz(u,~)1’[150].268Chapter 9. Non-Linear Time-Ekequency DistributionsExample. We consider the Gaussian signal(9.12)which satisfies 1 1 2 11 = 1. Using the correspondencewe obtainA,, (v,T) = e-- ;?e-&u2(9.14)Thus, the ambiguity function is a two-dimensional Gaussian function whosecenter is located at the origin of the r-v plane.Properties of the Ambiguity Function.1. A time shift of the input signal leads to a modulation of the ambiguityfunction with respect to the frequency shift v:This relation can easily be derived from (9.11) by exploiting the factthat x ( w ) = e-jwtoX(w).2.

A modulation of the input signal leadsto a modulation of the ambiguityfunction with respect to I-:z(t)= eJwotz(t) +AEZ(V,T)= d W o T A,,(~,T).(9.16)This is directly derived from (9.10).3. The ambiguity function has its maximum at the origin,where E, is the signal energy.

A modulation and/or time shift of thesignal z ( t ) leads to a modulation of the ambiguity function, but theprincipal position in the r-v plane is not affected.Radar Uncertainty Principle. The classical problem in radar is to findsignals z(t) that allow estimation of timeandfrequencyshiftswithhighprecision. Therefore, when designing an appropriate signalz(t)the expressiongner9.2. The269is considered, which contains information onthe possible resolution of a givenz ( t ) in the r-v plane.

The ideal of having an impulse located at the origin ofthe r-v plane cannot be realized since we have [l501mIAzz(v,r)I2d r dv = IA,,(O,0)I2 = E:.(9.18)That is, if we achieve that IA,,(v, .)I2 takes on theform of an impulse at theorigin, it necessarily has to grow in other regions of the r-v plane because ofthe limited maximal value IA,,(O, 0)12 = E:. For this reason, (9.18) is alsoreferred to as the radar uncertainty principle.Cross Ambiguity Function. Finally we want to remark that, analogousto the cross correlation, so-called cross ambiguity functions are defined:1,WA?/Z(V, 7)=z(t + f ) y * ( t - f ) ejyt dt(9.19)X ( W - );9.29.2.1+Y * ( w );eJw7 dw.The Wigner DistributionDefinitionand PropertiesThe Wigner distributionis a tool for time-frequency analysis, which has gainedmore and more importance owing to many extraordinary characteristics.

Inorder to highlight the motivation for the definition of the Wigner distribution,we first look at the ambiguity function. From A,, (v,r ) we obtain for v = 0the temporal autocorrelation functionfrom which we derive the energy density spectrum by means of the Fouriertransform:(9.21)W-l m A , , ( O , r ) e-iwT d r .270Chapter 9. Non-Linear Time-Ekequency DistributionsOn the other hand,we get the autocorrelation functionpFz (v) of the spectrumX ( w ) from A z z ( v , 7 )for 7 = 0:The temporal energy density &(-L) is the Fourier transform of &(v):(9.23)These relationships suggest defining a two-dimensional time-frequency distribution W z z ( t ,W ) as the two-dimensional Fourier transform of A,,(v, 7):W22( t ,W ) = 2n-jvt-m-mAzz(v,r)eThe time-frequency distribution W,,(t,ti~n.~W)e-jwr dUdr.(9.24)is known as the Wigner distribu-The two-dimensional Fourier transform in (9.24)can also be viewed asperforming two subsequent one-dimensional Fourier transforms with respectto r and v.

The transformwith respect to v yields the temporal autocorrelationfunction4(9.25)(9.26)=X ( w - g) X * ( w+ 5).3Wigner used W z z ( t , w ) for describing phenomena of quantum mechanics [163], Villeintroduced it for signal analysis later [156], so that one also speaks of the Wigner-Villedistribution.41f z ( t )was assumed to be a randomprocess, E { C J ~ ~ ~ (would~ , T )be} the autocorrelationfunction of the process.9.2. TheWignerDistribution271IWignerdistributionITemporal autocorrelationTemporal autocorrelationFigure 9.1.

Relationship between ambiguity function and Wigner distribution.The function @,,(U, W) is so to say the temporal autocorrelation function ofX(W).Altogether we obtain(9.27)with & , ( t , ~according)to (9.25) and @,,(Y,w) according to (9.26), in full:Figure 9.1 pictures the relationships mentioned above.We speak of W,, (t,W) as a distribution because it is supposed to reflectthe distribution of the signal energy in the time-frequency plane. However,the Wigner distribution cannot be interpreted pointwise as a distribution ofenergy because it can also take on negative values. Apart from this restrictionit has all the properties one would wish of a time-frequency distribution. Themost important of these properties will be briefly listed.

Since the proofs canbe directly inferred from equation (9.28) by exploiting the characteristics ofthe Fourier transform, they are omitted.272Chapter 9. Non-Linear Time-Ekequency DistributionsSome Properties of the Wigner Distribution:1. The Wigner distribution of an arbitrary signal z(t) is always real,(9.29)2. By integrating over W we obtain the temporal energy densitym=L/W,,(t,w)2n -ms,,(t)Edw = lz(t)I2.(9.30)3. By integrating over t we obtain the energy density spectrummW,,(t,w) d t = I X ( W ) ~ ~ .S,”,(w) =(9.31)J -m4. Integrating over time and frequency yields the signal energy:WWW,,(t,w) dw d t =(9.32)5 . If a signal z ( t ) is non-zero in only a certain time interval, then theWigner distribution is also restricted to this time interval:z ( t ) = 0 for t < tl and/or t > t 2UW,,(t,w)(9.33)t < tl and/or t > t z .= 0 forThis property immediately follows from (9.28).6. If X ( w ) is non-zero only in a certain frequency region, then the Wignerdistribution is also restricted to this frequency region:X ( w ) = 0 forW< w1 and/orW> w2UW,,(t,w)=(9.34)0 forW< w1 and/orW> w2.gner9.2.

The2737. A time shift of the signal leads to a time shift of the Wigner distribution(cf. (9.25) and (9.27)):Z ( t ) = z(t - t o )*WEE(t,W ) = W,,(t- to,W ) .(9.35)8. A modulation of the signal leads to a frequency shift of the Wignerdistribution (cf. (9.26) and (9.27)):Z ( t ) = z(t)ejwot+W g g ( t , w ) = W z z ( t , w- W O ) .(9.36)9. A simultaneous time shift and modulation lead to a time and frequencyshift of the Wigner distribution:~ ( t=)z(t - to)ejwOt~ E s ( t , w=) ~ , , ( t- t o , W - W O ) .

(9.37)10. Time scaling leads toSignal Reconstruction. By an inverse Fourier transform of W zz( t,W ) withrespect to W we obtain the function7-+zz(t,7-)=X*(t--127-4 t + 5)'(9.39)cf. (9.27). Along the line t = 7-/2 we get7-2(.) = +zz(5,7-) = X*(O) X(.).(9.40)This means that any z(t) can be perfectly reconstructed from its Wignerdistribution except for the prefactor z*(O).Similarly, we obtain for the spectrumUX * ( u ) = Qzz(-,U) = X ( 0 ) X * @ ) .2(9.41)Moyal's Formula for Auto-Wigner Distributions.

The squared magnitude of the inner product of two signals z ( t ) and y(t) is given by the innerproduct of their Wigner distributions [107], [H]:2749.2.2Chapter 9. Non-Linear Time-Ekequency DistributionsExamplesSignals with Linear Time-Frequency Dependency. The prime examplefor demonstrating the excellent properties of the Wigner distribution in timefrequency analysis is the so-called chirp signal, a frequency modulated (FM)signal whose instantaneous frequency linearlychanges with time:x ( t )= A(9.43),j+Dt2 ejwOt.We obtainW,,(t,w) = 2~ [AI2S(W - WO - pt).(9.44)This means that the Wigner distribution of a linearly modulated FM signalshows the exact instantaneous frequency.Gaussian Signal.

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5168
Авторов
на СтудИзбе
438
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее