“Es con la intuición que se puede Introducción y...

16
04/10/10 Carrera de Bioingeniería 2 Señales y Sistemas 04/10/10 Carrera de Bioingeniería 2 Temas a Tratar Introducción y motivación Descomposición mediante átomos: Transformada de Fourier de Tiempo Corto Transformada Onditas: Continua, Diádica, Paquetes Distribuciones de Energía: Wigner-Ville Choi-William 04/10/10 Carrera de Bioingeniería 3 Señales y Sistemas Introducción y Motivación 04/10/10 Carrera de Bioingeniería 4 Señales y Sistemas Es con la intuición que se puede inventar; pero es con la lógica que uno puede demostrarlo Shie Qian, Dapang Chen, Joint Time-Frequency Analysis, Prentice Hall, 1996. 04/10/10 Carrera de Bioingeniería 5 Señales y Sistemas 04/10/10 Carrera de Bioingeniería 5 ¿Qué es el Análisis en Frecuencia...? Análisis: Consiste en aislar los componentes del sistema que tienen una forma compleja para tratar de comprender mejor su naturaleza u origen. Para el análisis en frecuencia utilizamos familias de funciones exponenciales. 04/10/10 Carrera de Bioingeniería 6 Señales y Sistemas Problemas del mundo real: ¡Nada dura para siempre...! (solo lo ideal, la Eternidad)

Transcript of “Es con la intuición que se puede Introducción y...

Page 1: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 2

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 2

Temas a Tratar

� Introducción y motivación

� Descomposición mediante átomos:� Transformada de Fourier de Tiempo Corto

� Transformada Onditas: Continua, Diádica, Paquetes

� Distribuciones de Energía:� Wigner-Ville

� Choi-William

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 3

S

eña

les

y S

iste

mas

Introducción y Motivación

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 4

S

eña

les

y S

iste

mas �Es con la intuición que se puede

inventar; pero es con la lógica que uno

puede demostrarlo�

Shie Qian, Dapang Chen, �Joint Time-Frequency

Analysis�, Prentice Hall, 1996.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 5

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 5

¿Qué es el Análisis en Frecuencia...?

� Análisis:

� Consiste en aislar los componentes del sistema que tienen

una forma compleja para tratar de comprender mejor su

naturaleza u origen.

� Para el análisis en frecuencia utilizamos familias de

funciones exponenciales.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 6

S

eña

les

y S

iste

mas

Problemas del mundo �real�:

¡Nada dura para siempre...!

(solo lo �ideal�, la Eternidad�)

Page 2: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 7

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 7

Señales no estacionarias o transitorias...

� La familia de Fourier está �diseñada� para analizar

señales cuyo �comportamiento� o propiedades no

varien en el tiempo...

� Las exponenciales complejas resultan ser las auto-

funciones de los sistemas LTI �ideales�.

� En otros casos se requiere otra �base� que permita

realizar un análisis más �útil�...

. . . . . .

t Æ¥t Æ-¥

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 8

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 8

0 0.5 1 1.5 2 2.5-1

-0.5

0

0.5

1[A B]

-50 0 500

10

20

30

40

50Transformada de Fourier de [A B]

0 0.5 1 1.5 2 2.5-1

-0.5

0

0.5

1[B A]

-50 0 500

10

20

30

40

50Transformada de Fourier de [B A]

¿Qué es lo que Fourier

no puede �ver�?

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 9

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 9

Entonces...

� Para muchas señales:

� No alcanza con conocer la información relativa al

contenido frecuencial global...

� también necesitamos información acerca de los

tiempos en los que ocurren cambios en el

contenido frecuencial...

� y poder seguir la evolución dinámica de los

mismos.

¿Cuáles señales?: No estacionarias, transitorias o que varían sus

características en el tiempo (derivadas de un sistema no LTI)

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 10

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 10

¿Porqué Necesito Una Descripción

Diferente?

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 11

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 11

¿Porqué Necesito Una Descripción

Diferente?

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 12

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 12

¿Porqué Necesito Una Descripción

Diferente?

Page 3: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 13

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 13

¿Porqué Necesito Una Descripción

Diferente?

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 14

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 14

¿Porqué Necesito Una Descripción

Diferente?

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 16

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 16

F r e c u e n c i a e n H z4 0 0 0

3 0 0 0

2 0 0 0

0

1 0 0 0

T i e m p o e n s e g .

0 0 . 5 2 2 . 51 . 51

Una solución: análisis por tramos

t

t

t

t

t

t

t

f

f

f

f

f

f 4 , 4 , 2 , 1 , 3 , 3

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 17

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 17

Otro Ejemplo: EEG

� Fragmento de EEG en el cual la actividad alfa de 10 Hz tipica del cerebro

desaparece entre el segundo 4 y el 10 cuando los pacientes abren los ojos.

Esta interrupción se nota claramente en el espectrograma.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 18

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 18

Otro ejemplo: señal FM

Page 4: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 19

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 19

¿Porque necesito diferentes representaciones

Tiempo-Frecuencia?

� Representación tiempo-frecuencia de la señal �chirp� de eco-localización del murciélago:

� Espectrograma (i),

� Distribución de Wigner Ville (m),

� Optimal radially Gaussian kernel (d).

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 20

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 20

0

Am

plitu

d

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

Tiempo (mseg.)

0 100 200 300 400 500 600 700

ok m o s e L a m a e l m a R

ok m o s e L a m a e l m a R

x 10

0 4

Fre

cuen

cia

(KH

z)

1

2

3

4

Fre

c uen

cia

(KH

z)

1

2

3

4

Tiempo (mseg.)

0 100 200 300 400 500 600 700

Cuef

rencia

t (

mse

g)

14

ok m o s e L a m a e l m a R

ok m o s e L a m a e l m a R

Fre

cuen

cia

(KH

z)

0

1

2

3

4

Esc

ala

5

1

2

3

4

Fre

cuen

cia

(KH

z)

0

1

2

3

4

Coe

fici

ente

s

1

4

8

12

16

Otros tipos de análisis�

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 21

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 21

Clasificación de las representaciones T-F

� Lineales:� Fourier

� Onditas

� Bilineales o Cuadráticas:� Directos o regulares:

� Wigner-Ville.

� Convolucionados o Clase de Cohen:

� Choi-Williams.

� Espectrograma, Escalograma.

� No-lineales:� Series de Distribución T-F (WV)

� Basis Pursuit y Matching Pursuit.

� Best Ortoghonal Basis.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 22

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 22

Aplicaciones

� Análisis de cambios de dinámica.

� Detección de eventos.

� Clasificación de señales.

� Limpieza de señales (Denoising).

� Compresión de señales.

� Análisis de comportamiento Fractal.

� Etc�

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 23

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 23

Ejemplos: limpieza de ruido acústico

� Automóvil

� Murmullo

� Turbina

� Máquina

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 24

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 24

Ejemplo: Comportamiento fractal

Page 5: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 25

S

eña

les

y S

iste

mas

Representaciones basadas en átomos

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 26

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 26

¿Qué es un

átomo?

Tiempo

Fre

cuencia

(b) Plano Tiempo-Frecuencia

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 (a) Dominio de la Frecuencia

| FFT(WaveletPacket(3,3,7))|

Fre

cuencia

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.5

0

0.5

1 (c) Dominio del Tiempo

Wave

letP

acket(

3,3

,7)

Tiempo

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 27

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 27

Transformada de Fourier (FT)

� Ha dominado el análisis de señales por mucho tiempo.

� Su teoría ha sido extensamente estudiada.

� Existe un algoritmo rápido para calcularla (discreta)

� Para señales no estacionarias se utiliza la versión de

corta duración (STFT).

� La STFT posee limitaciones debido a que usa una

única ventana de análisis.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 28

S

eña

les

y S

iste

mas

STFT como ventaneo temporal

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 28

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 29

S

eña

les

y S

iste

mas

STFT como banco de filtros

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 29 04/10/10 Carrera de Bioingeniería 30

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 30

Otra forma de verlo...

� Esto puede verse

también como un

cambio en las

funciones de la

�base� que utilizo

para el análisis.

Fourier

STFT (banda angosta)

STFT (banda ancha)

Page 6: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 31

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 31

Transformada de Fourier de tiempo Corto

(STFT)

Dada una ventana real simétrica, tal que ( )g t g=Se genera una base al desplazarla y modularla con una frecuencia x,

y se obtiene un �átomo tiempo-frecuencia�:

, ( ) ( )i t

ug t e g t uxx = -

Suponiendo que ha sido normalizada de forma que ||gu,x(t)||= 1, la

STFT o Transformada de Fourier Ventaneada se obtiene mediante

el producto interno <f(t), gu,x(t)>:

*

,( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) i t

uSf u f t g t dt f t g t u e dxxx

+¥ +¥ -

-¥ -¥= = -ò ò

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 32

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 32

Transformada de Fourier de tiempo Corto

(STFT)

En el caso discreto, tenemos las siguientes ecuaciones

equivalentes:

, [ ] [ ]i2 ln

Nm lg n g n m e

p-

= -

1

,

0

[ , ] [ ], [ ] [ ] [ ]i2 lnN

Nm l

n

Sf m l f n g n f n g n m ep--

=

= = -å2

12

0

[ , ] [ , ] [ ] [ ]i2 lnN

Ns

n

P f m l Sf m l f n g n m ep--

=

= = -å

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 33

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 33

Espectrograma

� El módulo

cuadrado de la

transformada

de Fourier

ventaneada

(STFT) es el

espectrograma

de una señal.

¿Y la fase?

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 34

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 34

Espectrograma

�Constituye una vista

alternativa (3D) de la señal

temporal.

�El eje horizontal es el

tiempo.

�El eje vertical es la

frecuencia.

�La oscuridad o color es

proporcional a la energía

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 35

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 35

Espectrograma

� Podemos definir matemáticamente al

espectrograma como:

� Es una función de densidad de energía o

descomposición T-F cuadrática.

22

( , ) ( , ) ( ) ( ) i tPsf u Sf u f t g t u e dtxx x+¥ -

-¥= = -ò

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 36

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 36

Transformada de Fourier de tiempo Corto

(STFT)

� Para la STFT son válidas las siguientes fórmulas de

reconstrucción:

1( ) ( , ) ( )

2

i uf t Sf u g t u e dxxp

+¥ +¥

-¥ -¥= -ò ò

1 1

0 0

1[ ] [ , ] [ ]

i2 lnN N

N

m l

f n Sf m l g n m eN

p- -

= =

= -åå

Page 7: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 37

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 37

Diferentes ventanas

Transformada de Gabor

� La ventana g(t) cuadrada no es la más �adecuada�.

� Otras: Hanning, Hamming, Blackman, etc.

� En el trabajo original de Gabor, la ventana usada era una Gaussiana (óptima):

� A la STFT con esta ventana se le llama Transformada de Gabor.

218

2( )t

gaborg t e-

=

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 38

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 38

Principio de Incertidumbre:

Resolución tiempo-frecuencia

w

t

1930: Heisenberg

descubre que �no

puedes quedarte con

la torta y comerla al

mismo tiempo�

t w

w

w

t

t

f t( )

f t( )

f t( )

F w( )

F w( )

F w( )

Perfectamente

localizado en el

tiempo

Perfectamente

Localizado en la

frecuencia

compromiso

Principio de incertidumbre:

Límite inferior en el producto T-F

Las funciones muy

localizadas en el

tiempo tienen

espectros poco

localizados en

frecuencia y

viceversa.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 39

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 39

¿Que pasa si

quiero medir un

evento con una

resolución tiempo

frecuencia

arbitraria?

Principio de Incertidumbre:

Resolución tiempo-frecuencia

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 40

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 40

Principio de Incertidumbre:

Resolución tiempo-frecuencia

� No podemos conocer las características

temporales y frecuenciales al mismo tiempo y

con una resolución arbitraria.

� Formalmente decimos que:

� la varianza temporal st y la varianza frecuencial sw

de una función satisface la siguiente

inecuación:

( )2( ) Lf t Î �

1

2t ws s ³

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 41

S

eña

les

y S

iste

mas

Localización

� Tiempo medio

� Frecuencia media

� Varianza temporal

� Varianza frecuencial

21( )m

f

t t f t dtE

�-= �

21( )m

f

F dE

w w w w�

�-= �

224( ) ( )t m

f

t t f t dtE

ps

�-= -�

224( ) ( )m

f

F dE

w

ps w w w w

�-= -�

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 42

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 42

Principio de Incertidumbre:

Resolución tiempo-frecuencia

� Dada una ventana g(t), la inecuación se

convierte en igualdad.

� Para cada valor de u y x, hay un rectángulo de

incertidumbre de lados st y sw, con área de al

menos 1/2.

� En la STFT la función g(t) permanece siempre

igual (solo se desplaza en el tiempo)

Þ Resolución uniforme tanto en tiempo como

en frecuencia

Page 8: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 43

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 43

Principio de Incertidumbre:

Resolución tiempo-frecuencia

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 44

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 44

Principio de Incertidumbre:

Resolución tiempo-frecuencia

� Caso discreto: Resolución temporal limitada por la longitud temporal de la ventana:

Dt = Tvent

� Resolución frecuencial está también limitada por ésta longitud:

Df = 1/Tvent

� Por lo tanto tenemos: Dt.Df = 1

� Otra vez, no podemos mejorar una salvo que empeoremos la otra.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 45

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 45

Principio de Incertidumbre:

Resolución tiempo-frecuencia

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

10

20

30

40

Tiempo

Fre

cuenci

a

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

10

20

30

40

Tiempo

Fre

cuenci

a

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 46

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 46

Transformada Ondita (CWT)

� Es de aparición relativamente reciente (10 años).

� Su teoría todavía continua desarrollándose

� Está �diseñada� para señales no estacionarias.

� Utiliza ventanas de ancho variable de acuerdo a la

frecuencia (de forma similar al oído).

� Existe un algoritmo rápido para calcularla (diádica).

� Su descomposición jerárquica permite el análisis a

distintas escalas (multiresolución).

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 47

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 47

Transformada Ondita (WT)

� Una ondita (wavelet) es una función que tiene una duración limitada en el tiempo y tiene valor medio cero.

� Familias de onditas (Coifflets, Daubechies, Haar, etc) con propiedades que las hacen apropiadas para diversos procesamientos.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 48

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 48

Transformada Ondita (WT)

� A partir de una ondita madre, se obtienen �átomos tiempo-escala�, que permiten análisis por compresión o dilatación, y desplazamiento en el tiempo.

� Análisis similar al de la STFT, descomponiendo la señal en términos de éstos átomos.

WT

STFT

Page 9: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 49

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 49

Onditas: escala y localización

( ),

1u s

t ut

ssy y

-æ ö= × ç ÷è ø

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 50

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 50

Familias de Onditas

� Reales o analíticas

� Soporte Compacto

� Simetría

� Regularidad

� Localización Tiempo-Frecuencia

� Otras: Filtros, Modelos, etc.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 51

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 51

Familias de Onditas

Meyer

Daubechies

m=4

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 52

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 52

Familias de Onditas

Splines

m=1, n=9

Vaidyanathan

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 53

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 53

Familias de Onditas

-4 -2 0 2 4-1

0

1

Morlet

0 0.5 1 1.5-2

0

2

Haar

0 5 10 15 20 25 30-1

0

1

2

Coifflets

0 5 10 15-1

0

1

2

Symlets

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 54

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 54

Espectro de una ondita

0 20 40 60 80 100 120-1

-0.5

0

0.5

1Wavelet Daubechies 8

n

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

1

2

3

4

5

6Espectro

w (radianes)

Page 10: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 55

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 55

0 20 40 60 80 100 120-1

-0.5

0

0.5

1Wavelet Symlets 8

n

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

2

4

6Espectro

w (radianes)

Espectro de una ondita

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 56

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 56

Transformada Ondita Continua (CWT)

Una ondita es una función con valor medio igual a cero,

norma unitaria y centrada en la vecindad de 0:

2( ) L ( ); ( ) 0; ( ) 1t t dt ty y y+¥

-¥Î = =ò�

A partir de ésta, obtenemos por escalado y traslación el

átomo tiempo-frecuencia:

,

1( )u s

t ut

ssy y

-æ ö= ç ÷è ø

La CWT continua será:

( )*1,( , ) ( ), ( ) ( ) t u

u s ssWf u s f t t f t dy y

+¥-

-¥= = ò

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 57

S

eña

les

y S

iste

mas

Transformada Wavelet Continua (CWT)Symlets 8

time (or space) b

sca

les a

20 40 60 80 1 4 7101316192225283134374043

Daubechies 8

time (or space) b

sca

les a

20 40 60 80 1 4 7101316192225283134374043

Morlet

time (or space) b

sca

les a

20 40 60 80 1 4 7101316192225283134374043

Meyer

time (or space) b

sca

les a

20 40 60 80 1 4 7101316192225283134374043

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 58

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 58

Resolución T-F CWT

� También cumple con el principio de

incertidumbre de Heisenberg.

� Pero la resolución no es uniforme en el plano

T-F .

� Bajas frecuencias: mayor resolución

frecuencial.

� Altas frecuencias: mayor resolución temporal.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 59

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 59

Resolución T-F CWT

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 60

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 60

CWT (ondita sobrero mexicano)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

1

2

t

f(t)

u

log 2(s)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-6

-4

-2

0

Page 11: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 61

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 61

Transformada Ondita Discreta (DWT)

Para calcular la versión discreta, se evalúa en las escalas s=a j con

a=21/v, lo que hace que en cada intervalo [2j,2j+1] haya v valores

intermedios. La función ondita resulta:

1[ ]j jj

nn

aay y æ ö= ç ÷

è øLa Transformada ondita discreta resulta entonces:

1*

0

[ , ] [ ] [ ]N

j

j

m

Wf n a f m m ny-

=

= -åDonde a j pertenece a [2N-1, K-1] y K es el soporte de y (es

distinta de 0 en el intervalo [-K/2, K/2])

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 62

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 62

Resolución T-F DWT

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 63

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 63

Transformada Ondita Discreta Diádica

� Si se restringe el valor de a de manera que a=2, se

obtiene la transformada ondita discreta diádica

(DDWT)

� En este caso se obtiene una base ortogonal y aparece

el denominado análisis multiresolución.

� En general no se evalúa siguiendo la ecuación de la

transformada discreta.

� Se utiliza un algoritmo rápido basado en filtrado

pasa-bajos y pasa-altos con filtros especiales

derivados de la ondita madre.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 64

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 64

Análisis Multiresolución

� Se define un análisis multiresolución como una secuencia de subespacios que satisface las condiciones:

� (densidad) es denso en L2(R),

� (separación)

� (escalamiento) f(t) V0 <=> f(2-j t) Vj

� (ortonormalidad) es una base ortonormal para V0

V jjÎZU

{ }V jjÎ

=ZI 0 ,

K KÍ Í Í Í-V V V1 0 1

Î

{ }j ( )t kk

-ÎZ

Î

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 65

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 65

Análisis Multiresolución

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 66

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 66

Algoritmo DDWT

Page 12: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 67

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 67

Distribución de los Filtros

f0 2f0 3f0 4f0 5f0 6f0 7f0 8f0 9f0

frecuencia

f0 2f0 4f0 8f0

frecuencia

a)

b)

Ancho de Banda Relativo Constante (WT)

Ancho de Banda Constante (STFT)

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 68

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 68

Resolución Tiempo-Frecuencia

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 69

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 69

Espectrograma

(STFT)

Escalograma

(DDWT)

Sonograma

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 70

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 70

Comparación Discreta-Diádica

0 100 200 300 400 500 6000

0.01

0.02Analyzed signal.

Discrete Transform, absolute coefficients.

j=lo

g2(s

) (s

=2

j )

Tiempo50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

1

2

3

4

5

Absolute Values of Ca,b Coefficients for a = 1 2 3 4 5 ...

time (or space) b

sca

les a

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1 3 5 7 91113151719212325272931

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 71

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 71

Bases y marcos

� Se debe aclarar que el conjunto de átomos definidos para la DWT (o la STFT) no necesariamente constituyen una base ortogonal, sino más bien un marco (más general).

� El caso DDWT si constituye una base ortogonal.

� La teoría de marcos analiza la completitud, la estabilidad y la redundancia de las representaciones lineales de señales discretas, además de los aspectos relacionados con la reconstrucción.

� Intuitivamente podemos pensar que la completitud depende de una adecuada cobertura del plano T-F.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 72

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 72

Cuadrículas tiempo-frecuencia

Dirac Fourier

t

f

STFT (banda ancha) STFT (banda angosta)

Page 13: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 73

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 73

Cuadrículas tiempo-frecuencia

WD WP

t

f

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 74

S

eña

les

y S

iste

mas

Distribuciones Tiempo Frecuencia

Cuadráticas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 75

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 75

Distribuciones Tiempo Frecuencia

Cuadráticas

� Bilineales o Cuadráticas:

� Directos o regulares:

� Wigner-Ville.

� Convolucionados o Clase de Cohen:

� Choi-Williams.

� Espectrograma, Escalograma.

� No-lineales:

� Series de Distribución T-F (WV)

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 76

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 76

Distribución de Wigner-Ville (DWV)

� DWT y STFT se calculan correlacionando la

señal con familias de átomos tiempo-

frecuencia.

� Su resolución T-F está limitada por la de los

átomos correspondientes.

� Idealmente quisiéramos definir una densidad

de energía sin perdida de resolución.

� La DWV posee propiedades muy interesantes

en este sentido.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 77

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 77

Distribución de Wigner-Ville

� Posee otros inconvenientes, como la existencia

de términos de interferencia y la no

positividad.

� Para atenuarlos se requiere realizar una

promediación T-F, lo que resulta otra vez en

una perdida de resolución.

� Se puede demostrar que el espectrograma, el

escalograma y todas las descomposiciones T-F

cuadráticas pueden escribirse de esta forma.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 78

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 78

Distribución de Wigner-Ville

� Ventana: versión desplazada de la misma

señal.

� Se obtiene comparando la información de la

señal con su propia información en otros

instantes y frecuencias.

Page 14: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 79

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 79

Distribución de Wigner-Ville

Se define como:

*( , )2 2

i

vP f u f u f u e dtxt tx t

+¥ -

æ ö æ ö= + -ç ÷ ç ÷è ø è øò

Su versión discreta esta dada por:

21*[ , ]

2 2

i kpN

Nv

p N

p pP f n k f n f n e

p--

=-

é ù é ù= + -ê ú ê úë û ë ûå

Como ésta requiere conocer los valores en muestras intermedias,

se recurre a una interpolación en frecuencias agregando ceros

entre cada muestra.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 80

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 80

Distribución de Wigner-Ville

� Desventaja: al ser cuadrática con respecto a f,

si f = f1+f2, aparecen términos de interferencia:

1 2 1[v v v vP f P f P f P f= + +donde:

*[ , ]( , )2 2

i

vP h g u h u g u e dtxt tx

+¥ -

æ ö æ ö= + -ç ÷ ç ÷è ø è øò

Además posee valores negativos.¿Son siempre

malos los términos

cruzados?

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 81

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 81

� Algunas propiedades:

� Real.

� Invarianza a la traslación temporal.

� Invarianza a la traslación frecuencial.

� Condición marginal temporal.

� Condición marginal frecuencial.

Distribución de Wigner-Ville

Parseval

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 82

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 82

Distribución de Wigner-Ville

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 83

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 83

DWV, Espectrogama y Escalograma

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 84

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 84

Distribución de Choi-William

� Consiste en convolucionar la DWV con un

núcleo exponencial bidimensional (cuasi

cónico).

� No conserva todas las propiedades de DWV,

pero disminuye los términos cruzados.

Page 15: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 85

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 85

Distribución de Choi-William

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 86

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 86

Series de Distribución T-F

� Si descomponemos la DWV en una serie de

funciones bidimensionales tipo Gabor los

términos de interferencia son generalmente los

de mayor orden.

� Entonces puedo eliminar estos términos y

quedarme solo con los que tienen información

importante (no-lineal).

� Puedo conservar la mayoría de las propiedades

de DWV.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 87

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 87

Bibliografía: Libros

� Stephane G. Mallat, �A Wavelet Tour of Signal Processing�, Academic Press; 2nd edition, September 1999, Cap. 4.

� G. Strang y T.Nguyen, �Wavelets and Filter Banks�, Wellesley-Cambridge Press, Secciones 2.4 a 2.6.

� L. Cohen, �Time-Frequency Analysis�, Prentice-Hall Signal Processing. 1st edition, January 1995.

� Shie Quian, Dapang Chen, �Joint Time-Frequency Analysis�, Prentice Hall, 1996.

� I. Daubechies, �Ten Lectures on wavelets�, Rutgers University and AT&T Bell Laboratories, Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, Pennsylvania, 1992.

� J. Deller, J. Proakis, J. Hansen, �Discrete Time Processing of Speech Signals�. Macmillan Publishing, NewYork, 1993.

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 88

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 88

Bibliografía: artículos y sitios WEB

� O. Rioul, M. Vetterli, �Wavelets and signal processing�, IEEE SP

Magazine, vol. 8, no. 4, Oct. 1991, pp.14-38.

� Amara Graps , �An Introduction to Wavelets�, IEEE

Computational Sciences and Engineering, vol 2, no. 2, 1995, pp

50-61, http://www.amara.com/current/wavelet.html

� Wavelet Digest, http://www.wavelet.org/wavelet/index.html

� Wavelet TB http://www.mathworks.com/products/wavelet/

� Wavelab TB, http://playfair.stanford.edu/~wavelab/

� Xwpl, http://www.math.yale.edu/pub/wavelets/software/xwpl/

� P. Flandrin home page, http://www.ens-lyon.fr/~flandrin/

Page 16: “Es con la intuición que se puede Introducción y ...bioingenieria1.wdfiles.com/local--files/descargas/TF_2010.pdf · 0.5 1 [B A]-50 0 50 0 10 20 30 40 50 Transformada de Fourier

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 91

S

eña

les

y S

iste

mas

04/10/10 Carrera de Bioingeniería 91

Agradecimientos

� Leandro Di Persia

� Diego Milone