時頻分析轉換關係

在時間與頻率的分析領域中，有不少的訊號的單純使用頻域或時域表示，而是同時使用時域與頻域來表示。 有幾種方法或轉換被里昂·柯恩統整組織被稱為"時頻分析"，最常被使用的方法稱為「二次」或「雙線性時頻分析」，而此類方法中，最被廣泛使用的方法中以韋格納分布為其中之一，其他的時頻分布則被稱為維格納分佈的摺積版。另一個被廣泛使用的方法為頻譜圖，為「短時距傅立葉轉換」的平方，頻譜圖有著平方必為正的優點，容易由圖理解，但有著不可逆的缺點，如短時距傅立葉轉換不可逆計算，無法從頻譜圖找回原信號。而驗證這些理論與定義驗證可以參考「二次式時頻分布理論」。 本文主題雖是訊號處理領域，但是藉由量子力學的相空間來推導某些分布從A分布轉換至B分布的過程。一個信號在相同的狀況下，給與不同的時頻分布表示方式，透過簡單的平滑器或濾波器，計算出其他分布。 如果我們用變數ω=2πf，然後，借用量子力學領域中使用的符號，就可以顯示該時間-頻率表示，如維格納分佈函數和其它雙線性時間-頻率分佈，可表示為 C ( t , ω ) = 1 4 π 2 ∭ s ∗ ( u − 1 2 τ ) s ( u + 1 2 τ ) ϕ ( θ , τ ) e − j θ t − j τ ω + j θ u d u d τ d θ , {\displaystyle C(t,\omega )={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iiint s^{*}\left(u-{\dfrac {1}{2}}\tau \right)s\left(u+{\dfrac {1}{2}}\tau \right)\phi (\theta ,\tau )e^{-j\theta t-j\tau \omega +j\theta u}\,du\,d\tau \,d\theta ,} (1) ϕ ( θ , τ ) {\displaystyle \phi (\theta ,\tau )} 為一定義其分布及特性之二維函數。 維格納分布的核為一。但在一般型式裡任何分布的核為一沒有任何的意義，在其他狀況下維格納分布的核應為其他結果。 特徵方程式為雙傅立葉轉換，從方程式(1)可以得到 C ( t , ω ) = 1 4 π 2 ∬ M ( θ , τ ) e − j θ t − j τ ω d θ d τ {\displaystyle C(t,\omega )={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iint M(\theta ,\tau )e^{-j\theta t-j\tau \omega }\,d\theta \,d\tau } (2) M ( θ , τ ) = ϕ ( θ , τ ) ∫ s ∗ ( u − 1 2 τ ) s ( u + 1 2 τ ) e j θ u d u = ϕ ( θ , τ ) A ( θ , τ ) {\displaystyle {\begin{alignedat}{2}M(\theta ,\tau )&=\phi (\theta ,\tau )\int s^{*}\left(u-{\dfrac {1}{2}}\tau \right)s\left(u+{\dfrac {1}{2}}\tau \right)e^{j\theta u}\,du\\&=\phi (\theta ,\tau )A(\theta ,\tau )\\\end{alignedat}}} (3) A ( θ , τ ) {\displaystyle A(\theta ,\tau )} 為對稱模糊函數，特徵方程式也可易被稱為廣義模糊函式。 假設有兩個分布 C 1 {\displaystyle C_{1}} and C 2 {\displaystyle C_{2}} ,個別對應核為 ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}} and ϕ 2 {\displaystyle \phi _{2}} ，特徵方程式為 M 1 ( ϕ , τ ) = ϕ 1 ( θ , τ ) ∫ s ∗ ( u − 1 2 τ ) s ( u + 1 2 τ ) e j θ u d u {\displaystyle M_{1}(\phi ,\tau )=\phi _{1}(\theta ,\tau )\int s^{*}\left(u-{\dfrac {1}{2}}\tau \right)s\left(u+{\dfrac {1}{2}}\tau \right)e^{j\theta u}\,du} (4) M 2 ( ϕ , τ ) = ϕ 2 ( θ , τ ) ∫ s ∗ ( u − 1 2 τ ) s ( u + 1 2 τ ) e j θ u d u {\displaystyle M_{2}(\phi ,\tau )=\phi _{2}(\theta ,\tau )\int s^{*}\left(u-{\dfrac {1}{2}}\tau \right)s\left(u+{\dfrac {1}{2}}\tau \right)e^{j\theta u}\,du} (5) 方程式(4)、(5)相除得 M 1 ( ϕ , τ ) = ϕ 1 ( θ , τ ) ϕ 2 ( θ , τ ) M 2 ( ϕ , τ ) {\displaystyle M_{1}(\phi ,\tau )={\dfrac {\phi _{1}(\theta ,\tau )}{\phi _{2}(\theta ,\tau )}}M_{2}(\phi ,\tau )} (6) 方程式(6)相當重要，其結果使其連接特徵方程式在有線區域內之核不為零。 欲獲得兩分布之間的關係，需使用雙傅立葉轉換並使用方程式(2) C 1 ( t , ω ) = 1 4 π 2 ∬ ϕ 1 ( θ , τ ) ϕ 2 ( θ , τ ) M 2 ( θ , τ ) e − j θ t − j τ ω d θ d τ {\displaystyle C_{1}(t,\omega )={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iint {\dfrac {\phi _{1}(\theta ,\tau )}{\phi _{2}(\theta ,\tau )}}M_{2}(\theta ,\tau )e^{-j\theta t-j\tau \omega }\,d\theta \,d\tau } (7) 用 C 2 {\displaystyle C_{2}} 來表示 M 2 {\displaystyle M_{2}} C 1 ( t , ω ) = 1 4 π 2 ⨌ ϕ 1 ( θ , τ ) ϕ 2 ( θ , τ ) C 2 ( t , ω ′ ) e j θ ( t ′ − t ) + j τ ( ω ′ − ω ) d θ d τ d t ′ d ω ′ {\displaystyle C_{1}(t,\omega )={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iiiint {\dfrac {\phi _{1}(\theta ,\tau )}{\phi _{2}(\theta ,\tau )}}C_{2}(t,\omega ^{'})e^{j\theta (t^{'}-t)+j\tau (\omega ^{'}-\omega )}\,d\theta \,d\tau \,dt^{'}\,d\omega ^{'}} (8) 可改寫成 C 1 ( t , ω ) = ∬ g 12 ( t ′ − t , ω ′ − ω ) C 2 ( t , ω ′ ) d t ′ d ω ′ {\displaystyle C_{1}(t,\omega )=\iint g_{12}(t^{'}-t,\omega '-\omega )C_{2}(t,\omega ')\,dt^{'}\,d\omega '} (9) 其中， g 12 ( t , ω ) = 1 4 π 2 ∬ ϕ 1 ( θ , τ ) ϕ 2 ( θ , τ ) e j θ t + j τ ω d θ d τ {\displaystyle g_{12}(t,\omega )={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iint {\dfrac {\phi _{1}(\theta ,\tau )}{\phi _{2}(\theta ,\tau )}}e^{j\theta t+j\tau \omega }\,d\theta \,d\tau } (10) 我們專注於其中一個從任意代表性的頻譜轉換的情況，在方程式(9)中， C 1 {\displaystyle C_{1}} 為頻譜圖而 C 2 {\displaystyle C_{2}} 為任意數，為了簡化符號使用以下表示， ϕ S P = ϕ 1 {\displaystyle \phi _{SP}=\phi _{1}} , ϕ = ϕ 2 {\displaystyle \phi =\phi _{2}} , g S P = g 12 {\displaystyle g_{SP}=g_{12}} ，可被表示為 C S P ( t , ω ) = ∬ g S P ( t ′ − t , ω ′ − ω ) C ( t , ω ′ ) d t ′ d ω ′ {\displaystyle C_{SP}(t,\omega )=\iint g_{SP}(t^{'}-t,\omega ^{'}-\omega )C(t,\omega ^{'})\,dt^{'}\,d\omega ^{'}} (11) 頻譜圖的核為 g S P ( t , ω ) = 1 4 π 2 ∬ A h ( − θ , τ ) ϕ ( θ , τ ) e j θ t + j τ ω d θ d τ = 1 4 π 2 ∭ 1 ϕ ( θ , τ ) h ∗ ( u − 1 2 τ ) h ( u + 1 2 τ ) e j θ t + j τ ω − j θ u d u d τ d θ = 1 4 π 2 ∭ h ∗ ( u − 1 2 τ ) h ( u + 1 2 τ ) ϕ ( θ , τ ) ϕ ( θ , τ ) ϕ ( − θ , τ ) e − j θ t + j τ ω + j θ u d u d τ d θ {\displaystyle {\begin{alignedat}{3}g_{SP}(t,\omega )&={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iint {\dfrac {A_{h}(-\theta ,\tau )}{\phi (\theta ,\tau )}}e^{j\theta t+j\tau \omega }\,d\theta \,d\tau \\&={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iiint {\dfrac {1}{\phi (\theta ,\tau )}}h^{*}(u-{\dfrac {1}{2}}\tau )h(u+{\dfrac {1}{2}}\tau )e^{j\theta t+j\tau \omega -j\theta u}\,du\,d\tau \,d\theta \\&={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iiint h^{*}(u-{\dfrac {1}{2}}\tau )h(u+{\dfrac {1}{2}}\tau ){\dfrac {\phi (\theta ,\tau )}{\phi (\theta ,\tau )\phi (-\theta ,\tau )}}e^{-j\theta t+j\tau \omega +j\theta u}\,du\,d\tau \,d\theta \\\end{alignedat}}} (12) 令 ϕ ( − θ , τ ) ϕ ( θ , τ ) = 1 {\displaystyle \phi (-\theta ,\tau )\phi (\theta ,\tau )=1} , g S P ( t , ω ) {\displaystyle g_{SP}(t,\omega )} 為窗函數，然而在 − ω {\displaystyle -\omega } 狀況下得 g S P ( t , ω ) = C h ( t , − ω ) {\displaystyle g_{SP}(t,\omega )=C_{h}(t,-\omega )} (13) 使其核滿足 ϕ ( − θ , τ ) ϕ ( θ , τ ) = 1 {\displaystyle \phi (-\theta ,\tau )\phi (\theta ,\tau )=1} C S P ( t , ω ) = ∬ C s ( t ′ , ω ′ ) C h ( t ′ − t , ω ′ − ω ) d t ′ d ω ′ {\displaystyle C_{SP}(t,\omega )=\iint C_{s}(t^{'},\omega ^{'})C_{h}(t^{'}-t,\omega ^{'}-\omega )\,dt^{'}\,d\omega ^{'}} (14) 其核亦滿足 ϕ ( − θ , τ ) ϕ ( θ , τ ) = 1 {\displaystyle \phi (-\theta ,\tau )\phi (\theta ,\tau )=1} 其證明可見Janssen[4]. 當 ϕ ( − θ , τ ) ϕ ( θ , τ ) {\displaystyle \phi (-\theta ,\tau )\phi (\theta ,\tau )} 不等於1時， C S P ( t , ω ) = ⨌ G ( t ″ , ω ″ ) C s ( t ′ , ω ′ ) C h ( t ″ + t ′ − t , − ω ″ + ω − ω ′ ) d t ′ d t ″ d ω d ω ″ {\displaystyle C_{SP}(t,\omega )=\iiiint G(t^{''},\omega ^{''})C_{s}(t^{'},\omega ^{'})C_{h}(t^{''}+t^{'}-t,-\omega ^{''}+\omega -\omega ^{'})\,dt^{'}\,dt^{''}\,d\omega ^{\,}d\omega ^{''}} (15) G ( t , ω ) = 1 4 π 2 ∬ e − j θ t − j τ ω ϕ ( θ , τ ) ϕ ( − θ , τ ) d θ d τ {\displaystyle G(t,\omega )={\dfrac {1}{4\pi ^{2}}}\iint {\dfrac {e^{-j\theta t-j\tau \omega }}{\phi (\theta ,\tau )\phi (-\theta ,\tau )}}\,d\theta \,d\tau } (16) L. Cohen, "Generalized phase-space distribution functions," Jour. Math. Phys., vol.7, pp. 781–786, 1966. L. Cohen, "Quantization Problem and Variational Principle in the Phase Space Formulation of Quantum Mechanics," Jour. Math. Phys., vol.7, pp. 1863–1866, 1976. A. J. E. M. Janssen, "On the locus and spread of pseudo-density functions in the time frequency plane," Philips Journal of Research, vol. 37, pp. 79–110, 1982. B. Boashash, “Theory of Quadratic TFDs”, Chapter 3, pp. 59–82, in B. Boashash, editor, Time-Frequency Signal Analysis & Processing: A Comprehensive Reference, Elsevier, Oxford, 2003; ISBN 0-08-044335-4.