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信号的时域和频域特性的区别到底是什么?

不严谨的说,时域和频域分析就是在不同的空间看待问题的,不同空间所对应的原子(基函数)是不同的。你想一下时域空间的基函数是什么?频域空间的基函数是什么?一般的时-频联合域空间的基函数是什么?小波域空间的基函数是什么?

有的空间域比较容易分析,有的空间域不容易分析。

举个例子吧,首先加载一个双曲Chirp信号,数据的采样频率为2048Hz,第一个Chirp信号持续时间为0.1~0.68秒,第二个Chirp信号持续时间为0.1~0.75 秒,第一个Chirp信号在时间t处的瞬时频率为(单位Hz):

添加图片注释,不超过 140 字(可选)

第二个Chirp信号在时间t处的瞬时频率为(单位Hz):

看一下从时域空间看待的时域图

​然后看一下频域空间的频谱图 傅里叶变换(FT)比较擅长识别信号中存在的频率分量, 但是FT无法定位频率分量。绘制上面信号的幅值谱,并放大0到200Hz之间的区域

​再看一下一般的时频域空间的时频谱图,以短时傅里叶变换为例 傅里叶变换不提供时间信息,为了定位频率,短时傅里叶变换STFT方法将信号分割成不同的窗,并对每个窗执行FT。STFT的时频分析窗口如下:

​STFT提供了信号时间-频率域中的一些信息, 但是选择窗的大小是关键。 对于STFT时频分析,选择更短的窗以牺牲频率分辨率为代价从而获得良好的时间分辨率。相反,选择较大的窗以时间分辨率为代价从而获得良好的频率分辨率(著名的测不准原理)。一旦STFT的分析窗确定后,将在整个分析中保持不变(最致命的缺陷)。以 200 毫秒的时间窗大小绘制上述双曲Chirp信号的频谱图,频谱图上的瞬时频率为黑色虚线段。

​然后绘制时间窗大小为50毫秒的频谱图

​两个图的结果是显而易见的,没有单一的窗口大小可以解析此类信号的整个频率信息。 最后看一下小波空间对应的小波时频谱图 连续小波变换 CWT是为了克服 STFT中固有的时频分辨率问题。CWT的时频分析窗口如下:

​CWT和人类的听觉系统非常一致:在低频处有更好的频率定位能力,在高频处有更好的时间定位能力。绘制 CWT时尺度谱(尺度谱是作为时间和频率绘制的 CWT的绝对值),因为CWT 中的频率是对数的,所以使用对数频率轴。

​从图中可以清楚地看出信号中两个双曲Chirp信号的存在,CWT可以比较准确估计持续时间的瞬时频率,而无需担心选择窗的大小。要了解小波系数幅度增长速度有多快,可以看一下3-D 图

​在尺度谱上绘制一下瞬时频率,可见瞬时频率与尺度谱特征非常吻合

从不同的空间域(角度)看待问题,分析的难度也不一样

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