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小波包分解

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小波包分解(wavelet packet decomposition)也可稱為小波包(wavelet packet)或子帶樹(subband tree)及最佳子帶樹結構(optimal subband tree structuring)。其概念是用分析樹來表示小波包,即利用多次疊代的小波轉換分析輸入訊號的細節部分。
從函數理論的角度來看,小波包分解是將信號投影到小波包基函數張成的空間中。從信號處理的角度來看,它是讓信號通過一系列中心頻率不同但帶寬相同的濾波器。
中文名
小波包
外文名
wavelet packagedecomposition
基本釋義
將信號投影到小波包基函數的空間
性    質
信號時頻分析方法
歸屬學科
信號處理
涉及領域
信號分析、圖像處理

小波包分解背景

傳統的振動信號分析和處理方法一般都是採用傅立葉分析,它是一個窗口函數固定不變的分析方法,無法反映信號的非平穩、持時短、時域和頻域局部化等特性 [1] 
小波分析是一種窗口面積固定但其形狀可改變,即時間和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法,由於它在分解的過程中只對低頻信號再分解,對高頻信號不再實施分解,使得它的頻率分辨率隨頻率升高而降低 [1] 
在這種情況下,小波包分解應運而生。
小波包分析能夠為信號提供一種更加精細的分析方法。小波包分析將時頻平面劃分得更為細緻,它對信號的高頻部分的分辨率比二進小波要高。而且,它在小波分析理論的基礎之上,引入了最優基選擇的概念。即,將頻帶經過多層次的劃分之後,根據被分析信號的特徵,自適應地選取最佳基函數,使之與信號相匹配,以提高信號的分析能力 [2]  。因此,小波包具有廣泛的應用價值。
從函數理論的角度來看,小波包變換是將信號投影到小波包基函數張成的空間中。從信號處理的角度來看,它是讓信號通過一系列中心頻率不同但帶寬相同的濾波器。

小波包分解小波包

分別是尺度函數和小波函數,令:
則,定義的函數
稱為關於尺度函數
小波包
分別是尺度函數和小波函數,令:
則,定義的函數
稱為關於尺度函數
縮短小波包

小波包分解子空間分解過程

函數族
稱為由尺度函數
生成的小波庫。
如下圖1,為空間的小波包分解: [3] 
圖1 圖1

小波包分解實際意義分析

參數j,k,n 的意義 [3] 
小波庫中的一個函數:
參數
:尺度座標
參數
:位置座標
參數
:震盪次數
是中心在
,支集大小數量級為
,震盪次數為
的小波函數
參數
固定
小波庫中的函數
構成
的正交基,此時變換類似於一個加窗的
變換
參數
固定
小波庫中的函數構成的正交基,此時,變換是一個小波變換。

小波包分解最優小波包基

在對函數或信號進行小波包分解時,由於
有不同的分解方式,即
有不同的正交基,因此,我們面臨“最優基”的選擇問題。
什麼是最優基?
如何選擇最優基? [3] 

小波包分解代價函數

定義一個序列的代價函數,從小波庫的所有小波包基中尋找使代價函數最小的基 ,對一個給定向量來説,代價最小就是最有效的表示,此基便為“最優基”。 [3] 
基本要求
單調性
可加性(次可加性)

小波包分解常用代價函數

①數列中大於給定門限的係數的個數。即預先給定一門限值
,並計數數列中絕對值大於
的元素的個數
②範數:
通常選擇:
其中,
範數越小,能量越集中
③熵:
④能量對數
參考資料
  • 1.    小波包分解  .新浪博客.2012-02-12[引用日期2017-04-29]
  • 2.    吳延軍. 小波包分解及其參數模型[J]. 應用聲學, 1998(3):25-29.
  • 3.    小波包  .微盤[引用日期2017-04-29]