กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 14 นาที

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์ ( WDF) ใช้ใน การประมวลผลสัญญาณ ในฐานะการแปลงในการ วิเคราะห์เวลา-ความถี่

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์

( เรียนรู้วิธีและเวลาในการลบข้อความนี้ )
การวิเคราะห์การกระจายความถี่ตามเวลาของ WDF (สีแดงและสีเหลือง) เทียบกับธนาคาร FIR (สีเขียว)

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์ ( WDF) ใช้ในการประมวลผลสัญญาณในฐานะการแปลงในการ วิเคราะห์เวลา-ความถี่

ฟังก์ชันการกระจายความน่าจะเป็นแบบวิกเนอร์ (WDF) ถูกเสนอขึ้นครั้งแรกในวิชาฟิสิกส์ ในปี 1932 โดยยูจีน วิกเนอร์เพื่ออธิบายการแก้ไขเชิงควอนตัมในกลศาสตร์สถิติ แบบคลาสสิก และมีความสำคัญในกลศาสตร์ควอนตัมในปริภูมิเฟส (ดูเพิ่มเติมเพื่อเปรียบเทียบ: การกระจายความน่าจะเป็นแบบกึ่งวิกเนอร์หรือที่เรียกว่าฟังก์ชันวิกเนอร์หรือการกระจายวิกเนอร์-วิลล์ )

เนื่องจากโครงสร้างทางพีชคณิต ร่วมกัน ระหว่างคู่ ตำแหน่ง-โมเมนตัมและคู่เวลา-ความถี่ จึงทำให้ฟังก์ชันนี้มีประโยชน์ในการประมวลผลสัญญาณเช่นกัน ในฐานะการแปลงในวิเคราะห์เวลา-ความถี่ ซึ่งเป็นหัวข้อของบทความนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับการแปลงฟูริเยร์ในช่วงเวลาสั้น ๆเช่นการแปลงกาบอร์ฟังก์ชันการกระจายวิกเนอร์ให้ความละเอียดเชิงเวลาเทียบกับความถี่สูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ทางคณิตศาสตร์ ภายใต้ข้อจำกัดของหลักการความไม่แน่นอน ข้อเสียคือการเกิดพจน์ไขว้ขนาดใหญ่ระหว่างส่วนประกอบสัญญาณแต่ละคู่ และระหว่างความถี่บวกและลบ ซึ่งทำให้สูตรดั้งเดิมของฟังก์ชันไม่เหมาะสมกับการใช้งานวิเคราะห์ส่วนใหญ่ จึงมีการเสนอการปรับเปลี่ยนในภายหลัง ซึ่งยังคงรักษาความคมชัดของฟังก์ชันการกระจายวิกเนอร์ไว้ แต่ลดพจน์ไขว้ลงอย่างมาก

นิยามทางคณิตศาสตร์

ฟังก์ชันการแจกแจงวิกเนอร์มีนิยามที่แตกต่างกันหลายแบบ นิยามที่ให้ไว้ในที่นี้เป็นนิยามเฉพาะสำหรับการวิเคราะห์เวลา-ความถี่ เมื่อกำหนดอนุกรมเวลา ฟังก์ชัน ความแปรปรวนร่วมอัตโนมัติแบบไม่คงที่ของอนุกรมเวลานี้จะกำหนดโดย

โดยที่หมายถึงค่าเฉลี่ยของผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ทั้งหมดของกระบวนการ และคือค่าเฉลี่ย ซึ่งอาจเป็นหรือไม่เป็นฟังก์ชันของเวลา จากนั้นฟังก์ชันวิกเนอร์จะกำหนดโดยการแสดงฟังก์ชันสหสัมพันธ์อัตโนมัติในรูปของเวลาเฉลี่ยและเวลาหน่วง ก่อน แล้วจึงทำการแปลงฟูริเยร์ของเวลาหน่วงนั้น

ดังนั้นสำหรับ อนุกรมเวลาเดี่ยว (ที่มีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์) ฟังก์ชันวิกเนอร์จึงกำหนดได้ง่ายๆ ดังนี้

แรงจูงใจในการใช้ฟังก์ชันวิกเนอร์คือ ฟังก์ชันนี้จะลดรูปไปเป็น ฟังก์ชัน ความหนาแน่นสเปกตรัมได้ตลอดเวลาสำหรับกระบวนการสถิต แต่ในขณะเดียวกันก็เทียบเท่ากับฟังก์ชันสหสัมพันธ์อัตโนมัติแบบไม่สถิตโดยสมบูรณ์ ดังนั้น ฟังก์ชันวิกเนอร์จึงบอกเราได้ (โดยประมาณ) ว่าความหนาแน่นสเปกตรัมเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป

ตัวอย่างการวิเคราะห์ความถี่เวลา

ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างบางส่วนที่แสดงให้เห็นถึงวิธีการใช้ WDF ในการวิเคราะห์เวลา-ความถี่

สัญญาณอินพุตคงที่

เมื่อสัญญาณอินพุตคงที่ การกระจายความถี่ตามเวลาของสัญญาณจะเป็นเส้นตรงแนวนอนตามแกนเวลา ตัวอย่างเช่น ถ้าx ( t ) = 1 แล้ว

สัญญาณอินพุตไซน์

เมื่อสัญญาณอินพุตเป็นฟังก์ชันไซน์ การกระจายเวลา-ความถี่ของสัญญาณจะเป็นเส้นแนวนอนขนานกับแกนเวลา โดยเบี่ยงเบนจากแกนเวลาด้วยความถี่ของสัญญาณไซน์ ตัวอย่างเช่น ถ้าx ( t ) = e i2π ktแล้ว

สัญญาณอินพุต Chirp

เมื่อสัญญาณอินพุตเป็นฟังก์ชันชิปเชิงเส้น ความถี่ทันทีจะเป็นฟังก์ชันเชิงเส้น ซึ่งหมายความว่าการกระจายความถี่ตามเวลาควรเป็นเส้นตรง ตัวอย่างเช่น ถ้า

,

ดังนั้นความถี่ทันทีของมันคือ

และ WDF ของมัน

สัญญาณอินพุตเดลต้า

เมื่อสัญญาณอินพุตเป็นฟังก์ชันเดลต้า เนื่องจากมีค่าไม่เป็นศูนย์เฉพาะที่ t=0 และประกอบด้วยส่วนประกอบความถี่อนันต์ ดังนั้นการกระจายความถี่ตามเวลาของสัญญาณควรเป็นเส้นตรงแนวตั้งที่ผ่านจุดกำเนิด ซึ่งหมายความว่าการกระจายความถี่ตามเวลาของฟังก์ชันเดลต้าก็ควรเป็นฟังก์ชันเดลต้าเช่นกัน ตาม WDF

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์ (Wigner distribution function) เหมาะที่สุดสำหรับการวิเคราะห์เวลา-ความถี่เมื่อเฟสของสัญญาณอินพุตอยู่ในลำดับที่ 2 หรือต่ำกว่า สำหรับสัญญาณเหล่านั้น WDF สามารถสร้างการกระจายเวลา-ความถี่ของสัญญาณอินพุตได้อย่างแม่นยำ

ฟังก์ชันตู้สินค้า

,

ฟังก์ชันสี่เหลี่ยมผืนผ้า

คุณสมบัติครอสเทอร์ม

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์ไม่ใช่การแปลงเชิงเส้น เทอมไขว้ ("จังหวะเวลา") เกิดขึ้นเมื่อมีส่วนประกอบมากกว่าหนึ่งส่วนในสัญญาณอินพุต ซึ่งคล้ายคลึงกับจังหวะความถี่ใน เวลา [ 1 ] ใน การกระจายความน่าจะเป็นแบบกึ่งวิกเนอร์ในฟิสิกส์ดั้งเดิมเทอมนี้มีผลทางฟิสิกส์ที่สำคัญและมีประโยชน์ ซึ่งจำเป็นสำหรับค่าคาดหวังที่เที่ยงตรง ในทางตรงกันข้าม การแปลงฟูริเยร์ในช่วงเวลาสั้น ๆ ไม่มีคุณลักษณะนี้ คุณลักษณะเชิงลบของ WDF สะท้อนถึงขีดจำกัดกาบอร์ของสัญญาณคลาสสิกและไม่เกี่ยวข้องทางกายภาพกับโครงสร้างควอนตัมพื้นฐานใด ๆ ที่เป็นไปได้

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์ (Wigner distribution function) ของผลรวมของ ส่วนประกอบ เกาส์เซียน สองส่วน ประกอบด้วยเทอมอัตโนมัติสองเทอมและเทอมไขว้หนึ่งเทอมอยู่ตรงกลาง การเปลี่ยนแปลงเฟสสัมพัทธ์ระหว่างส่วนประกอบจะมีผลต่อเทอมไขว้เท่านั้น

ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างบางส่วนที่แสดงให้เห็นถึงลักษณะเฉพาะของพจน์ไขว้ในฟังก์ชันการแจกแจงวิกเนอร์

เพื่อลดความยากลำบากของเทอมไขว้ ได้มีการเสนอแนวทางต่างๆ ไว้ในเอกสาร[ 2 ] [ 3 ]ซึ่งบางส่วนนำไปสู่การแปลงใหม่ เช่นฟังก์ชันการกระจาย Wigner ที่แก้ไข การแปลง Gabor –Wignerฟังก์ชันการกระจาย Choi-Williamsและการกระจายคลาสของ Cohen

คุณสมบัติของฟังก์ชันการแจกแจงวิกเนอร์

ฟังก์ชันการแจกแจงวิกเนอร์มีคุณสมบัติที่เห็นได้ชัดหลายประการดังแสดงในตารางต่อไปนี้

คุณสมบัติการฉายภาพ
คุณสมบัติทางพลังงาน
คุณสมบัติการฟื้นฟู
ความถี่เฉลี่ยของสภาวะและเวลาเฉลี่ยของสภาวะ
คุณสมบัติของโมเมนต์
อสังหาริมทรัพย์
ทรัพย์สินในภูมิภาค
ทฤษฎีบทการคูณ
ทฤษฎีบทการสังเคราะห์
ทฤษฎีความสัมพันธ์
ความแปรปรวนร่วมแบบเลื่อนเวลา
ความแปรปรวนร่วมของการปรับเปลี่ยน
ความแปรปรวนของมาตราส่วน

ฟังก์ชันการกระจายวิกเนอร์แบบมีหน้าต่าง

เมื่อสัญญาณไม่จำกัดเวลา ฟังก์ชันการกระจายวิกเนอร์ (Wigner Distribution Function) ของสัญญาณนั้นยากต่อการนำไปใช้ ดังนั้นเราจึงเพิ่มฟังก์ชันใหม่ (มาสก์) เข้าไปในส่วนการอินทิเกรต เพื่อให้เราต้องนำฟังก์ชันเดิมไปใช้เพียงบางส่วนแทนที่จะอินทิเกรตตั้งแต่ลบอนันต์ไปจนถึงบวกอนันต์

ฟังก์ชันดั้งเดิม:

ใช้งานร่วมกับหน้ากาก:

อยู่ ที่ไหนจริงและมีกำหนดเวลา

การดำเนินการ

ตามคำจำกัดความ:
สมมติว่าสำหรับและ
เรายกตัวอย่างดังนี้
ฟังก์ชันจริงอยู่ที่ไหน
จากนั้นเราจะเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างสองสภาวะ
ในอุดมคติ:
เมื่อฟังก์ชันมาสก์ทำงานซึ่งหมายความว่าไม่มีฟังก์ชันมาสก์

3 เงื่อนไข

จากนั้นเราจะพิจารณาเงื่อนไขที่มีฟังก์ชันมาสก์:
เราจะเห็นว่าค่าของ x(t) อยู่ระหว่าง –B ถึง B เท่านั้น ดังนั้นการดำเนินการดังกล่าวจึงสามารถกำจัดพจน์ไขว้ของฟังก์ชันได้ แต่ถ้า x(t) ไม่ใช่ฟังก์ชันเดลต้าหรือฟังก์ชันความถี่แคบ แต่เป็นฟังก์ชันที่มีความถี่กว้างหรือมีระลอกคลื่น ขอบของสัญญาณอาจยังคงอยู่ระหว่าง –B และ B ซึ่งยังคงทำให้เกิดปัญหาพจน์ไขว้
ตัวอย่างเช่น:

ดูเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติม

  • Wigner, E. (1932). "เกี่ยวกับการแก้ไขควอนตัมสำหรับสมดุลทางเทอร์โมไดนามิก" (PDF) . Physical Review . 40 (5): 749– 759. Bibcode : 1932PhRv...40..749W . doi : 10.1103/PhysRev.40.749 . hdl : 10338.dmlcz/141466 .
  • J. Ville , 1948. "Théorie et Applications de la Notion de Signal Analytique", Câbles et Transmission , 2 , 61–74.
  • TACM Classen และ WFG Mecklenbrauker, 1980. "การกระจายแบบวิกเนอร์ - เครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์สัญญาณเวลา-ความถี่; ตอนที่ 1," Philips J. Res., เล่มที่ 35, หน้า 217–250.
  • L. Cohen (1989): Proceedings of the IEEE 77หน้า 941–981, การกระจายความถี่ตามเวลา—บทวิจารณ์
  • L. Cohen, การวิเคราะห์เวลา-ความถี่ , Prentice-Hall, นิวยอร์ก, 1995. ISBN 978-0135945322
  • S. Qian และ D. Chen, การวิเคราะห์เวลา-ความถี่ร่วม: วิธีการและการประยุกต์ใช้ , บทที่ 5, Prentice Hall, NJ, 1996
  • B. Boashash, "หมายเหตุเกี่ยวกับการใช้การแจกแจงวิกเนอร์สำหรับการวิเคราะห์สัญญาณเวลา-ความถี่", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing , Vol. 36 , No. 9, pp. 1518–1521, กันยายน 1988. doi : 10.1109/29.90380 . B. Boashash, บรรณาธิการ, การวิเคราะห์และประมวลผลสัญญาณเวลา-ความถี่ – เอกสารอ้างอิงที่ครอบคลุม , Elsevier Science, Oxford, 2003, ISBN 0-08-044335-4.
  • F. Hlawatsch, GF Boudreaux-Bartels : "การแสดงสัญญาณเวลา-ความถี่เชิงเส้นและเชิงกำลังสอง" IEEE Signal Processing Magazine, หน้า 21–67, เม.ย. 1992
  • RL Allen และ DW Mills, การวิเคราะห์สัญญาณ: เวลา ความถี่ มาตราส่วน และโครงสร้าง , Wiley-Interscience, NJ, 2004
  • เจียน-จิวน์ ติง, บันทึกการเรียนเรื่องการวิเคราะห์ความถี่เวลาและการแปลงเวฟเล็ต, ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า, มหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน (NTU), ไทเป, ไต้หวัน, 2015
  • Kakofengitis, D. และ Steuernagel, O. (2017). "กระแสควอนตัมเฟสสเปซของวิกเนอร์ในระบบสองสถานะที่ถูกกระตุ้นอย่างอ่อนและไม่เป็นเชิงเส้นอย่างอ่อน" European Physical Journal Plus 14.07.2017
  • โปรแกรม Sonogram Visible Speech เป็นซอฟต์แวร์ฟรีที่ได้รับอนุญาตภายใต้ GPL สำหรับการแยกแยะภาพจาก Wigner Distribution
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wigner_distribution_function&oldid=1306923597 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์

ฟังก์ชันการกระจายของวิกเนอร์ ( WDF) ใช้ใน การประมวลผลสัญญาณ ในฐานะการแปลงในการ วิเคราะห์เวลา-ความถี่

นิยามทางคณิตศาสตร์

ฟังก์ชันการแจกแจงวิกเนอร์มีนิยามที่แตกต่างกันหลายแบบ นิยามที่ให้ไว้ในที่นี้เป็นนิยามเฉพาะสำหรับการวิเคราะห์เวลา-ความถี่ เมื่อกำหนดอนุกรมเวลา ฟังก์ชัน ความแปรปรวนร่วมอัตโนมัติ แบบไม่คงที่ของอนุกรมเวลานี้จะกำหนดโดย x [ ที ] {\displaystyle x[t]}

ตัวอย่างการวิเคราะห์ความถี่เวลา

ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างบางส่วนที่แสดงให้เห็นถึงวิธีการใช้ WDF ในการวิเคราะห์เวลา-ความถี่

สัญญาณอินพุตคงที่

เมื่อสัญญาณอินพุตคงที่ การกระจายความถี่ตามเวลาของสัญญาณจะเป็นเส้นตรงแนวนอนตามแกนเวลา ตัวอย่างเช่น ถ้า x ( t ) = 1 แล้ว