关于小波变换的知识点

1. 尺度与频率之间的关系 

设a为尺度,fs为采样频率,Fc为小波中心频率,则a对应的实际频率Fa为

Fa=Fc×fs/a (1)

显然,为使小波尺度图的频率范围为(0,fs/2),尺度范围应为(2*Fc,inf),其中inf表示为无穷大。在实际应用中,只需取尺度足够大即可。

2 Morlet小波分析,怎么确定fb和fc?

没有说明和大家没有讲到是因为没人在小波变换中才去“确定”它们,说白了这两参数不是让你去确定的,是让你去设定的,你对小波的应用方法就没搞清,你要搞清楚的是它们如何影响处理结果的,按照你处理的目的设置不同的值,这牵扯到小波基的某些数学指标是如何影响处理结果的问题,要说的就多了。

    在cmorwavf函数的帮助文档中,列举了cmor1.5-1的函数波形,


中心频率(fc)可以这样看,从横轴0开始的波峰到横轴1的波峰,刚好是正弦波的一个完整周期,其经历的时间就应是频率值的倒数,那么中心频率刚好是1.

下面是cmor1.5-2的函数波形,从横轴0开始的波峰到横轴0.5的波峰也是一个完整周期,经历的时间为0.5,取倒数,中心频率刚好是2.这与你设定的fc一致,也就是说fc就是这么影响Morlet复小波的。当你要消噪或研究高频信息,对于同一个数据信号cmor1.5-2肯定比cmor1.5-1更能消除细小的噪声和得到更高频率的信息。

     对于fb对结果的影响也是类似,



fb越大时域宽度越长,支撑长度越长,产生高幅值的小波系数也多,在检测信号奇异性的时候往往希望能有一定数量的波峰波谷(在小波中就意味着较长的支撑和较高的消失矩),当然也不是越多越好,这要看待分析信号的情况,所以这玩意是你先设定,做完CCWT后,看看效果是否满意,再来根据你要研究信号或处理的目的,更改fc和fb的值,不是开始就确定它们(再说在处理之前你如何确定,即使你确定了又有啥意义,在CCWT之前的一切确定是毫无意义的,只有出了结果反复修改你的设定才能最终用“确定”一词)。

总结:fc的大小影响的是小波的频率:fc越大,小波频率越大,因此当你要消噪或研究高频信息,fc增大的话更能消除细小的噪声和得到更高频率的信息。

fb影响的是小波的支撑长度,fb越大,时域宽度越长,支撑长度也越长,产生高幅值的小波系数也就越多,

3,如何判断中心频率与所选分析信号的关系


4,matlab 小波时频图绘制原理

-、绘制原理

1.需要用到的小波工具箱中的三个函数

COEFS = cwt(S,SCALES,'wname')

说明:该函数能实现连续小波变换,其中S为输入信号,SCALES为尺度,wname为小波名

称。

FREQ = centfrq('wname')

说明:该函数能求出以wname命名的母小波的中心频率。

F = scal2frq(A,'wname',DELTA)

说明:该函数能将尺度转换为实际频率,其中A为尺度,wname为小波名称,DELTA为采样

周期。

注:这三个函数还有其它格式,具体可参阅matlab的帮助文档。

2.尺度与频率之间的关系

设a为尺度,fs为采样频率,Fc为小波中心频率,则a对应的实际频率Fa为

Fa=Fc×fs/a

(1)

显然,为使小波尺度图的频率范围为(0,fs/2),尺度范围应为(2*Fc,inf),其中inf表示

为无穷大。在实际应用中,只需取尺度足够大即可。

3.尺度序列的确定

由式(1)可以看出,为使转换后的频率序列是一等差序列,尺度序列必须取为以下形式:

c/totalscal,...,c/(totalscal-1),c/4,c/2,c

(2)

其中,totalscal是对信号进行小波变换时所用尺度序列的长度(通常需要预先设定好),

c为一常数。

下面讲讲c的求法。

根据式(1)容易看出,尺度c/totalscal所对应的实际频率应为fs/2,于是可得

c=2×Fc/totalscal

(3)

将式(3)代入式(2)便得到了所需的尺度序列。

4.时频图的绘制

确定了小波基和尺度后,就可以用cwt求小波系数coefs(系数是复数时要取模),然后

用scal2frq将尺度序列转换为实际频率序列f,

最后结合时间序列t,用imagesc(t,f,abs(coefs))便能画出小波时频图。

注意:直接将尺度序列取为等差序列,例如1:1:64,将只能得到正确的尺度-时间-小

波系数图,而无法将其转换为频率-时间-小波系数图。这是因为此时的频率间隔不为

常数。

此时,可通过查表的方法将尺度转化为频率或直接修改尺度轴标注。同理,利用本帖所

介绍的方法只能得到频率-时间-小波系数图,不能得到正确的尺度-时间-小波系数

图。

二、应用例子

下面给出一实际例子来说明小波时频图的绘制。所取仿真信号是由频率分别为100Hz和2

00Hz的两个正弦分量所合成的信号。

clear;

clc;

fs=1024; %采样频率

f1=100;

f2=200;

t=0:1/fs:1;

s=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi*f2*t);

%两个不同频率正弦信号合成的仿真信号

%%%%%%%%%%%%%%%%%小波时频图绘制%%%%%%%%%%%%%%%%%%

wavename='cmor3-3';

totalscal=256;

%尺度序列的长度,即scal的长度

wcf=centfrq(wavename);

%小波的中心频率

cparam=2*wcf*totalscal;

%为得到合适的尺度所求出的参数

a=totalscal:-1:1;

scal=cparam./a;

%得到各个尺度,以使转换得到频率序列为等差序列

coefs=cwt(s,scal,wavename);

%得到小波系数

f=scal2frq(scal,wavename,1/fs);

%将尺度转换为频率

imagesc(t,f,abs(coefs));

%绘制色谱图

colorbar;

xlabel('时间 t/s');

ylabel('频率 f/Hz');

title('小波时频图');

程序运行结果如下:

说明:(1)应用时只须改变wavename和totalscal两个参数即可。

(2)在这个例子中,最好选用复的morlet小波,其它小波的分析效果不好,而且morlet小

波的带宽参数和中心频率取得越大,时频图上反映的时频聚集性越好。


5,关于小波参数选择的仿真

首先生成一个信号:


设置fc=0.1:0.5:8,fb=10:10:80,观察生成的时频图,查看参数对小波变换的影响。

6, 关于小波参数的选择对时频图的影响。

1. 采样频率和信号点数之间的关系的影响

当采样频率fs与信号点数相同时,即倍数相同时,发现:

时间上为1s,  频率上显示的时真实值,这个时候时频图比较完美。此时参数为:fs=2^16,N=2^16,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128


fs=2^16,N=2^16,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128

增大fs,当fs为信号点数的两倍时,此时时间上为0.5s,频率坐标范围增大1倍,频率显示的仍是真实值。


fs=2^17,N=2^16,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128  

减小fs,当fs为信号点数的一半时,此时时间上为2s,频率坐标范围减小1倍,频率显示的仍是真实值。仔细观察,此时的时频图上显示的有杂波。


fs=2^15,N=2^16,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128

   如果接着减小,当减小到原信号的1/4时,频率轴坐标为采样频率的一半,因此频率轴范围跟着缩小相同的倍数,这时由于采样频率小于信号的最大频率,此时频率轴显示的并不是频率的真实值。而且时频图出现了错误。所以采样频率一定要大于信号的最大频率的2倍以上。


fs=2^12,N=2^16,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128 

下面观察采样频率与信号点数之间的关系,尝试增大采样频率来找到与信号点数之间的限制。

     当信号点数与信号的最大频率近似相等时,设置采样频率为信号点数的2倍时,此时效果并不好,一方面有杂波,另一方面,采样频率与信号最高频率的两倍相离过小。


fs=2^14,N=2^13,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128  

   当信号点数与信号的最大频率近似相等时,设置采样频率为信号点数的4倍时,此时效果比2倍时要好一点,但存在高频信号分辨率低,有少量杂波存在的问题


fs=2^15,N=2^13,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128  

当采样频率增加过大时,会出现下列情况,效果反而不好


综上,在信号频率的选取上,要保证:

1. 采样频率要大于信号最高频率的2倍以上。

2. 时间值等于信号点数/采样频率。

3.当信号点数与信号最高频率相等时,采样频率的最好设置在信号点数的4倍,也就是2^2左右。

2. 小波参数选择的影响

首先以下列参数设置为基准


fs=2^15,N=2^15,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128  


fs=2^15,N=2^15,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128      频域上显示

改变fc值:

   增大fc值的影响:

fc的值增大从1.5增大到2,发现出现了严重的杂波:


将fc的值增大从1.5增大到3:

fc增大到5

fc增大到7:


就目前观察到的情况来看:增大fc,频率分辨率会增大,但是在不同频率成分上出现的杂波越来越多。

下面看减小fc的情况:

当fc从1.5减少到1时,低频处有杂波出现而且频率分辨率明显降低。


当从1.5减少到0.5时:


综上,改变fc值的影响是:

增大fc时,频率分辨率提高,但是增大到一定程度时,会在不同频率成分上出现杂波,增大到特别大的值时,甚至会出现杂波淹没。

减小fc的值时,频率分辨率会降低,杂波可能出现在低频处,但是频率分辨率降低的影响更大。


改变fb值的影响:

     下面四张图分别是fb取20,40,80,120的值时的时频图,从中可以看出,fb的取值增大可以增大频率分辨率,但是不像fc的值那样敏感,当增大的范围过大时,也会在不同频率上出现杂波,但是相比fc变动引起的杂波来说很小。

     fb值减小时,频率分辨率会降低,有杂波出现,但是和增大fb时一样,杂波成分分布广但是较小。




     fb值减小时,频率分辨率会降低,有杂波出现,但是和增大fb时一样,杂波成分分布广但是较小。下图fb取值为1.


      . 

3. 尺度参数选择的影响

基准:fs=2^15,N=2^15,fc=1.5,fb=3,totalscal=2^7=128  


增大尺度参数:从128增加到256


从128增加到512



从128增加到1024:


可以看出,当增大尺度值时,低频杂波分量出现,且数值较大,直接盖过信号频率分量

下面是减小尺度值的情况:

从128减小到64:



从128减小到32:



减小到16:



可以减尺度值,分辨率逐渐变差,但是无低频杂波分量出现。

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