Введение
Представление времени-частоты (TFR) – это отображение сигнала (рассматриваемого как функция времени), представленное одновременно по времени и частоте. Анализ времени-частоты – это анализ в области времени-частоты, обеспечиваемый TFR. Это достигается с использованием формулировки, часто называемой «распределением времени-частоты», сокращенно TFD. TFR часто представляют собой комплексные поля, определенные по времени и частоте, где модуль поля соответствует амплитуде или «плотности энергии» (концентрации среднеквадратичного значения по времени и частоте), а аргумент поля – фазе.
История и мотивация
Сигнал, как функция времени, может рассматриваться как представление с идеальным временным разрешением. В отличие от этого, величина преобразования Фурье (ПФ) сигнала может рассматриваться как представление с идеальным спектральным разрешением, но без информации о времени, поскольку величина ПФ передает частотный состав, но не передает информацию о том, когда именно во времени происходят различные события в сигнале. Временные спектрограммы (TFR) служат мостом между этими двумя представлениями, поскольку они одновременно предоставляют некоторую временную и некоторую спектральную информацию. Таким образом, TFR полезны для представления и анализа сигналов, содержащих множество частот, изменяющихся во времени.
Формулирование ТФР и ТФД
Одна из форм TFR (или TFD) может быть сформулирована путем мультипликативного сравнения сигнала с самим собой, расширенного в различных направлениях относительно каждой точки времени. Такие представления и формулировки известны как квадратичные или "билинейные" TFR или TFD (QTFR или QTFD), поскольку представление является квадратичным по сигналу (см. Билинейное распределение время-частота). Эта формулировка была впервые описана Юджином Вигнером в 1932 году в контексте квантовой механики, а затем переформулирована Вилле в 1948 году в качестве общей TFR, что привело к созданию того, что теперь известно как распределение Вигнера-Вилля. Было показано, что для полезности формулы Вигнера в качестве представления и для практического анализа необходимо использовать аналитический сигнал, определенный в работе Вилле. Сегодня к QTFR относятся спектрограмма (квадрат модуля кратковременного преобразования Фурье), скалеграмма (квадрат модуля вейвлет-преобразования) и сглаженное псевдо-распределение Вигнера. Хотя квадратичные TFR обеспечивают одновременно идеальное временное и спектральное разрешение, квадратичная природа преобразований создает перекрестные члены, также называемые "интерференциями". Перекрестные члены, вызванные билинейной структурой TFD и TFR, могут быть полезны в некоторых приложениях, таких как классификация, поскольку они предоставляют дополнительную информацию для алгоритма распознавания. Однако в других приложениях эти перекрестные члены могут затруднять использование определенных квадратичных TFR, и их необходимо уменьшить. Один из способов достижения этого – сравнение сигнала с другой функцией. Полученные в результате представления известны как линейные TFR, поскольку представление линейно по сигналу. Примером такого представления является оконное преобразование Фурье (также известное как кратковременное преобразование Фурье), которое локализует сигнал, модулируя его с помощью оконной функции, перед выполнением преобразования Фурье для получения частотного содержания сигнала в области окна.
Волновые трансформации
Волновые преобразования, в частности непрерывное волновое преобразование, раскладывают сигнал по волновым функциям, локализованным как во времени, так и по частоте. Таким образом, волновое преобразование сигнала может быть представлено в терминах времени и частоты. Представления о времени, частоте и амплитуде, используемые для построения временной частотной характеристики (TFR) из волнового преобразования, первоначально были разработаны интуитивно. В 1992 году было опубликовано количественное обоснование этих соотношений, основанное на приближении стационарной фазы.
Линейная каноническая трансформация
Линейные канонические преобразования — это линейные преобразования временчастотного представления, сохраняющие симплектическую форму. Они включают в себя и обобщают преобразование Фурье, дробное преобразование Фурье и другие, предоставляя тем самым унифицированный взгляд на эти преобразования с точки зрения их действия в области времени-частоты.