小波分析有两种类型:连续小波和多分辨率小波。哪种小波分析最适合您的工作取决于您想对数据做什么。本主题主要关注一维数据,但是您可以将相同的原则应用于二维数据。
如果你的目标是执行一个详细的时频分析,选择连续小波变换(CWT)。在实现方面,CWT比离散小波变换(DWT)更精细地离散尺度。有关更多信息,请参阅连续和离散小波变换。
对于瞬时频率增长较快的信号,连续小波变换优于短时傅里叶变换(STFT)。在下图中,双曲调频的瞬时频率在谱图和cwt衍生的尺度图中被绘制为虚线。
连续小波变换能很好地定位非平稳信号中的瞬态。在下面的图中,观察小波系数与信号中发生的突变是如何对齐的。
要获得数据的连续小波变换,使用cwt和cwtfilterbank。这两个函数都支持下表中列出的解析小波。缺省情况下,cwt和cwtfilterbank使用广义莫尔斯小波族。这个族由两个参数定义。您可以改变参数来重新创建许多常用的小波。在时域图中,红线和蓝线分别是小波的实部和虚部。轮廓图显示了小波在时间和频率上的扩展。
表中所有的小波都是解析的。解析小波是具有单侧谱和时域复值的小波。这些小波是用连续小波变换进行时频分析的好选择。由于小波系数是复数,连续小波变换提供了相位信息。cwt和cwtfilterbank支持解析和反解析小波。
在多分辨率分析(MRA)中,你在渐进较粗的尺度上近似一个信号,同时记录在连续尺度上近似之间的差异。你通过对信号进行离散小波变换(DWT)来创建近似和差值。DWT为许多自然信号提供了稀疏表示。近似是通过将信号与缩放函数的缩放和平移副本进行比较而形成的。连续尺度之间的差异,也称为细节,是通过小波的缩放和翻译副本来捕获的。在log2刻度上,连续刻度之间的差总是1。在CWT的情况下,连续尺度之间的差异更小。
当生成MRA时,您可以在每次增加或不增加规模时将近似值抽取2倍。每种选择都有其优点和缺点。如果进行子采样,最终得到的小波系数与原始信号相同。在抽取DWT中,平移是尺度的整数倍。对于非抽取DWT,转换是整数移位。非抽取DWT提供原始数据的冗余表示,但不像CWT那样冗余。应用程序不仅会影响小波的选择,还会影响小波的选择
在分析阶段保持能量是很重要的,必须使用正交小波。正交变换保持能量。考虑使用紧支正交小波。请记住,除了Haar小波,其余具有紧支集的正交小波都是不对称的。相关滤波器具有非线性相位。此表列出了支持的正交小波
如果希望找到间隔较近的特性,请选择支持较小的小波,如haar、db2或sym2。小波的支持应该足够小,以分离感兴趣的特征。具有较大支持度的小波往往难以检测出紧密间隔的特征。使用大支持度小波会导致系数不能区分个别特征。在下面的图中,上面的图显示了一个带有尖峰的信号。下面的图显示了使用haar(粗蓝线)和db6(粗红线)小波的modwt的一级MRA细节。
如果你的数据有稀疏间隔的瞬态,你可以使用小波来获得更好结果。
如果你的目标是进行方差分析,最大重叠离散小波变换(MODWT)适合这项任务。MODWT是标准DWT的变体。有以下优势:
MODWT在分析阶段守恒能量。
MODWT对不同尺度的分区是不同的。如金融数据的小波分析和小波变点检测。
MODWT需要一个正交小波,如Daubechies小波或Symlet。
MODWT是一个平移不变性。对输入数据进行移位,小波系数也会发生相同的移位。但是DWT不是移位不变的。改变输入会改变系数,并能在不同尺度上重新分配能量。
使用正交小波族的信号的抽取DWT,波解码器提供了信号的最小冗余表示。小波在尺度内和尺度之间没有重叠。系数的个数等于信号样本的个数。当您想要删除不被感知到的特性时,最小冗余表示是一个很好的压缩选择。
信号的连续小波变换提供了一个高度冗余的信号表示。在尺度内和尺度之间的小波有明显的重叠。此外,考虑到尺度的精细离散化,计算连续小波变换和存储小波系数的代价明显大于小波变换。
MODWT也是一种冗余变换,但冗余系数通常比CWT小得多。冗余倾向于强化信号特征和您想要检查的特征,例如频率中断或其他短暂事件。
正交小波,如Symlet或Daubechies小波,是一个很好的选择去噪信号。双正交小波也可以用于图像处理。双正交小波滤波器的线性相位对图像处理至关重要。采用双正交小波不会在图像中引入视觉失真。
正交变换不着色白噪声。如果将白噪声作为正交变换的输入,则输出为白噪声。用双正交小波颜色白噪声进行DWT。正交变换保证能量不丢失。
如果你的工作涉及到信号或图像压缩,考虑使用双正交小波。该表列出了紧支集双正交小波。
有两个尺度函数小波对,一个用于分析,另一个用于合成,是有用的压缩。
双正交小波滤波器是对称的,具有线性相位。
用于分析的小波可以有许多消失矩。具有N个消失矩的小波正交于N-1次多项式。使用多消失矩的小波可以减少有效小波系数。压缩是改善。
用于综合的对偶小波具有较好的规律性。重建的信号更平滑。使用比合成滤波器消失矩更少的分析滤波器会对压缩产生不利影响。
例如,参见双正交小波的图像重建。当采用双正交小波时,在分析阶段能量不守恒。
如果一个小波是正交的,小波变换保持能量。除Haar小波外,具有紧支集的正交小波均不对称。相关滤波器具有非线性相位。
具有N个消失矩的小波正交于N−1次多项式。消失矩的数目与小波的振荡具有松散的关系。随着消失矩数的增加,小波振荡越大。
消失矩的数量也影响小波的支持度。Daubechies证明了具有N个消失矩的小波必须具有长度至少为2N-1的支持度。
许多小波的名称来自消失矩的数量。例如,db6是具有六个消失矩的Daubechies小波,sym3是具有三个消失矩的Symlet。对于小波,coif3是具有六个消失矩的小波。对于Fejér-Korovkin小波,fk8是Fejér-Korovkin小波,滤波器长度为8。根据分析小波和综合小波各自具有的消失矩的个数,推导出双正交小波的名称。例如,bior3.5是综合小波中带有三个消失矩和五个v的双正交小波
如果消失矩N等于1、2或3,那么dbN和symN是相同的。
正则性与一个函数有多少个连续导数有关。直观地说,规律性可以被认为是平滑度的度量。为了检测数据中的突变,小波必须具有足够的规则。对于有N个连续导数的小波,小波必须至少有N+1个消失矩。
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根据对选取原则的分析可以看出,选取正则性的小波可使变换后的信号越稳定、越平滑;选取消失矩高的小波基变换后信号的能量越集中;选择支集长度较短的小波有利于提取脉搏波信号中的突变点;选择对称性小波可使脉搏波信号不失真;选取正交小波能够减少数据运算量,能够满足信号的精确重构。
没有小波基能够完全满足以上条件,因此在实际应用中,要综合考虑上述五个方面来选择合适的小波基。
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