分數階Fourier變換理論及應用.ppt

1、分數階Fourier變換理論及應用,小組成員：杜光龍、程海全、劉學鋒、郭軍偉,Fourier變換,處理平穩(wěn)信號,全局譜,分數階傅立葉變換概述,為了分析和處理非平穩(wěn)信號，人們提出了一系列新的信號分析理論： 分數階Fourier變換、短時Fourier變換、Wigner分布、Gabor變換、小波變換等,19291980 早期未被人們重視的研究。 1980年，V.Namias 從特征值和特征函數的角度提出了 分數階傅立葉變換的概念。定義為傳統(tǒng)傅立葉變換的分數冪形式。 1994年， L.B.Ameida將分數階傅立葉變換解釋為時頻面上的坐標軸旋轉。,一、分數階傅立葉變換“旋轉”思想,Fourier變換

2、的對稱形式,Fourier變換的多次復合運算,Fourier變換多次復合后有如下規(guī)律,規(guī)定： 恒等算子,當n為非負整數時有：,“ 旋轉”思想的引入 每次的Fourier變換都可看作是坐標軸的/2旋轉， 在旋轉的同時變化信號的表示形式。,當n為非負整數時 均有了定義。,同理可引入“順時針”旋轉,當n為負整數是 也有了定義。,旋轉具備如下性質： (1)零度旋轉對應于信號自身：F0=I (2)逆時針旋轉/2對應于Fourier變換：F 順時針旋轉/2對應逆Fourier變換：F-1 (3)旋轉具有連續(xù)可加性: FmFn = Fm+n,二、分數階傅立葉變換定義,設p為任意實數，定義廣義Fourier變

3、換:,其中,注意： 當p=1時，即為傅立葉變換； P=0，即為函數本身,核函數具有以下性質: 1.互換性 2.p共軛對稱性 3. 4.積分相加性（完備性） 5.正交性,分數階傅立葉變換變換對,下面給出幾個常見信號的不同p下的傅立葉變換仿真圖,方波脈沖各分數階下的傅立葉變換演示圖,(1)線性性質,三、分數階傅立葉變換基本性質,這是一個非常有用的性質, 用它實現濾波具有更好的效果。,(2)算子可加性,特別,(3)恒等變換,(4)標準Fourier變換,三、分數階傅立葉變換基本性質,(5)時移性質,(6)頻移性質,(7)尺度性質,式中,注：變量u的尺度改變，函數幅值改變，旋轉角改變。,三、分數階傅立

4、葉變換基本性質,在傳統(tǒng)的Fourier變換中，時間變量t的變化只是使其頻譜的頻率變量w的其的尺度和幅度發(fā)生相應的變化，而在FRFT中，時間變量t的變化不僅使FRFT的變量u發(fā)生尺度和幅度的變化，更重要的是旋轉角度也發(fā)生變化。,(8)Parseval等式,能量守恒特性：,三、分數階傅立葉變換基本性質,分數階fourier變換的數值計算,無量綱化,數值離散化是一個變換或算子能夠被實際應用的前提 對于時頻表示f(t,w)引入尺度參數s，做線性變換 x=t/s, v=ws 其中s=(t/w)1/2, t和w為函數f(t,w)的“支撐寬度”絕大部分能量在區(qū)間-t/2, t/2與-w/2, w/2內 變換

5、后的f(x,v)“支撐區(qū)間”長度都變成x=v= (tw) 這里N=tw為時間-帶寬積(N1),計算步驟（算法）,算法步驟如下 確定足夠大的時間頻率帶寬x= (tw) ，對信號抽樣 線性調頻信號乘法，其中的線性調頻函數g1(x)的時間帶寬積為f(x)的兩倍，因而的采樣間隔為1/(2x)； 線性調頻信號卷積； 經過數學處理后，此式離散形式為 其中 線性調頻信號乘法： 顯然，此時得到的fp(u)的采樣值,應用濾波（1/4）,信號一：高斯信號 信號二：線性調頻信號,時域信號,功率譜,應用濾波（2/4）,P=0.7時二者可完全分開,分數階傅立葉域,p=0.7時分數階傅立葉變換,應用濾波（3/4）,濾波效果,時域混疊信號,P=0.7分數階傅里葉域濾波信號,匹配濾波,應用濾波（4/4）,變換域濾波： 線性變換變換域 與濾波器相乘，濾除不需要的信號 逆變換,應用電路實現,電路實現結構如下圖所示 經過推導，可得信號x(t)與y(t)的分數階傅里葉變換為 G(w)為g(t)的傅里葉變換，可用于控制濾波器通帶,應用多路傳輸(1/2),任意完備變換域均可進行信號的多路傳輸（多路復用），如時域、頻域（FDMA） 并非所有完備變換域都有實用價值多項式分解域、高斯基函數分解 實用的變換一般為稀疏域變換域內，信號為“緊支撐”，一般為無窮維空間 絕對稀疏域