通过MUSIC使用特征向量估计信号的基本频率


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内容:

(免责声明:这不是通信问题)。

我正在尝试估计真实的周期性信号的基本频率。通过将原始信号与脉冲信号进行匹配滤波来构造此信号。(匹配的过滤器)。结果信号具有以下特征:

  • 这是周期性的。(基本为1 /周期),这就是我试图估计的值。

  • 它是不固定的时间。具体地,周期脉冲的幅度可以在幅度上变化。(例如,一个脉冲可以为低,而另一个脉冲可以为高,而下一个脉冲又可以为低,并且在该介质之后一个,等等)。

  • 我相信它的频率是固定的(只要您接受变化的幅度,但不改变频带)。

  • 它具有谐波失真。我的意思是,(如果我错了,请纠正我),但是信号中的单个脉冲不是正弦波,而是像高斯,三角形,半抛物线等“笨拙”的形状。 。

我正在尝试估计该信号的基本频率。

当然,有时原始信号不过是噪声而已,但它仍会通过路径并得到匹配滤波。(稍后会详细介绍)。

我尝试过的

现在,我知道许多基本的频率估算器,例如

  1. 自相关方法
  2. YIN及其所有依赖项
  3. FFT方法。

等等,

  • 尹:我还没有尝试过尹。

  • FFT方法:FFT方法将为您提供所有谐波和基波,但是我注意到,由于基波并不总是最高峰,因此它特别挑剔,特别是对于这种非平稳业务。很快,您会发现自己试图确定多个峰中的哪个峰是基本峰,这成为一个难题。

  • 自相关:自相关方法似乎比FFT方法要好,但是它仍然对时域信号的幅度不规则敏感。自相关方法测量中心波瓣到下一个最高波瓣之间的距离。该距离对应于基本距离。但是,在非平稳情况下,此副瓣可能太低,您可能会在某些阈值方案中错过它。

然后我想到也许可以使用像MUSIC这样的子空间方法来估计基本面。经过测试,我发现它确实确实给出了一些非常不错的结果-它在与信号基频相对应的频率处稳健地(甚至在非平稳情况下)达到峰值。(将您要查找的信号数设置为2,它将检索基本信号-即,选择信号协方差矩阵的2个最高特征向量(对应于特征值的最大值),丢弃它们,然后构造从剩余的噪声子空间中,将您的假设复杂正弦曲线投射到它们上,进行倒数运算,瞧,这是一个很好的伪频谱)。

问题与解答:

  1. 话虽如此,我仍然想理解为什么它会更好。
  2. 在MUSIC中,我们丢弃信号子空间并使用噪声子空间。在我看来,信号子空间的特征向量实际上是某种“最适合”的-实际上它们是最佳匹配滤波器。因此:为什么不直接使用信号子空间特征向量呢?(我知道它不再是MUSIC了,但是为什么使用噪声子空间更好呢?)
  3. 最后,最后一个问题是,尽管这种方法对于非平稳信号(如上所定义)似乎更健壮,但问题在于,即使系统中只有噪声,我现在总是会得到答案!(如上所述,当您没有周期性信号时,原始的预匹配滤波信号有时可能只是白噪声)。

可能存在什么方法来抵消这种情况?我尝试查看特征值,在只有信号的噪声与有信号的情况下,它们的衰减还有更多的“曲率”,但我担心它可能不够鲁棒。

奖金:

  1. 协方差矩阵的特征向量何时正弦于VS?是什么决定它们是否是正弦曲线?他们为什么不摆正呢?还是在此处插入其他形状的信号?

穆罕默德-您能否进行一些编辑/澄清?我可以成为术语的忠实拥护者,但这对未来的访问者来说很重要。除了“干净”之外,还可以说谐波失真。您可以说是周期性的,而不是重复的。固定的可以指时变统计或时变频谱。你能澄清一下吗?自相关方法是Yule-Walker方法的别名。当您说“信号数量”时,这是真正的正弦曲线还是复杂的指数?可以使用最大值特征值吗?等级在线性代数中还有其他含义。与“最高方差”相同...-
布莱恩

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...(续)重要的一件事(我会在澄清时在回答中记下这一点)是MUSIC方法是噪声子空间方法。因此,理想情况下,不使用具有最大特征值的信号子空间特征向量。同样,如果您的信号是周期性的,则它是正弦波的总和。如果它是周期性的,则可以由傅立叶级数定义,该傅立叶级数是离散正弦波的总和。
布莱恩

@Bryan对不起,您很晚才回来(很长的周末),实际上我会尽快修改整个问题,并让您知道-谢谢!
Spacey 2012年

@Bryan我终于修改了整个帖子,添加了您的建议,还澄清了很多上下文/问题。请参阅。一定要让我知道我是否可以澄清其他问题。
Spacey 2012年

@Mohammad您能通过特征向量的“强度”(即特征值)来识别是否存在信号吗?
Jim Clay

Answers:


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FŤs=CØvXŤXs=CØvXŤ-üXs-ü=FŤ-üs-ü
FŤs=FŤ-s0Ť-s
CØvXsXŤ=-Ë一世s-ŤXdμX

直觉是为信号中的某些有限观测值估计的自相关矩阵渐近地表现为循环矩阵,因为相关仅取决于时间差而不是绝对位置,循环矩阵作为特征向量具有离散正弦波(因为它们是卷积)运营商)。有很多证明,这是一个粗略的直觉。

正弦对角线化的自相关函数集恰好是对应于固定过程的自相关函数,但是许多其他过程的自相关函数将在一定间隔内被正弦波近似对角化。这些过程对应于可以通过一定时间间隔内的平稳过程近似的过程。更多细节在这里

一般的非平稳过程可以具有自相关函数,而不必由正弦曲线对角化。

局部静止过程将具有缓慢变化的频谱和/或频谱中少量间隔良好的突变。语音,动物的噪音,音乐和许多其他自然声音都符合此描述。据我所知,子空间识别算法起作用的原因是,我们分析的信号类型通常具有某种形式的局部平稳性(不严格)。


μ是光谱密度。
Emre 2012年

@MarkS非常感谢。我有一些跟进:1)基于此,我们可以说一个过程在其协方差矩阵的特征向量是正弦的情况下是平稳的吗?这可以是一种平稳性量度吗?2)您提到“ ...,循环矩阵具有离散正弦曲线作为其特征向量(因为它们是卷积算符)...”我不清楚这意味着什么-算符?能否请您澄清一下。3)当您说“自相关函数集”时,您是在谈论协方差矩阵的行?再次感谢。
Spacey 2012年

@Mohammad Cheers:1)是的,可以将其大致视为平稳的度量。2)一个向量的所有循环排列形成一个循环矩阵,因此将循环矩阵与另一个向量相乘就是这两个向量之间的卷积。3)自相关函数Corr(s,t)是某个随机过程X的X(s)与X(t)之间的自相关。之所以称它为函数是因为我想同时处理连续和离散情况。样本自相关矩阵可以看作是对该函数的离散近似。
Mark S

@Emre感谢您指出了Wiener-Khinchin_theorem,我首先在小组学习了傅立叶分析,但从未在信号处理课程中正式介绍过它。
Mark S
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