使用する「一体型」または「通常の周波数」または「ヘルツ」の連続フーリエ変換のための規則を:
バツ(f)≜ F{ x (t )}x (t )=F− 1{ X(f)}=∫−∞∞x(t)e−j2πftdt=∫−∞∞X(f)ej2πftdf
したがって、ヒルベルト変換が時間領域の信号または関数を同じ領域の別の信号または関数にマッピングすることがわかります。
バツ^(T )≜ H{ x (t )}=1πt⊛ X (T )=∫- ∞∞1πあなたx(t−u)du=∫−∞∞1π(t−u)x(u)du
ヒルベルト変換はLTIなので、ます。そして、LTIであるにもかかわらず、ヒルベルト変換は因果関係がないことがわかっています(ただし、十分な遅延が与えられれば、ヒルベルト変換への近似も、必要に応じて、特定の非ゼロエラーへの近似も実現できます)。x^(t−τ)=H{x(t−τ)}
そして、このLTIヒルベルト変換器には周波数応答があることを知っています。
バツ^(f)≜ F{バツ^(t )}= − jsgn(f)X(f)=⎧⎩⎨⎪⎪e- J π/ 2バツ(f)0e+ J π/ 2バツ(f)f> 0f= 0f< 0
もちろん、です。したがって、すべての正の周波数成分の位相が-90°シフトし、すべての負の周波数成分の位相が+ 90°シフトします。ワイプされたDCを除いて、どの振幅も影響を受けません。これは、基本的にヒルベルト変換が行うことです。バツ(f)≜ F{ x (t )}
このことから、分析信号について知っています。
バツa(t )バツa(f)≜ X (T )+ Jバツ^(t )= X(f)+ jバツ^(f)= X(f)+ j (− jsgn(f)X(f))= (1 + sgn(f))バツ(f)=⎧⎩⎨2 X(f)バツ(f)0f> 0f= 0f< 0
したがって、複素数値の時間領域信号がある場合、この信号の実数部と虚数部がヒルベルト変換ペアを形成するであり、周波数領域では、すべての負の周波数成分振幅がゼロです。フーリエ変換は対称的であるため、双対性があり、時間と周波数役割を逆にすることができます。つまり、このスペクトルの実数部と虚数部がヒルベルト変換ペアを形成する複素数値の周波数領域スペクトルがある場合、時間領域では、すべての負の時間成分の振幅がゼロになります。。バツa(t )tfバツ(f)
もう一度述べますが、インパルス応答をに、周波数応答をに置き換えて、h (t )x (t )H(f)バツ(f)
I { h (t )} = H{ R{h(t)} }⟺H(f)=0∀f<0
そして同様に
I{H(f)}=−H{R{H(f)}}⟺h(t)=0∀t<0
ここで、H(f)≜F{h(t)}
負のすべてのに対してゼロであるインパルス応答によって記述されるLTIシステムは、「因果システム」と呼ばれるものです。これは、インパルス応答が、駆動インパルスが時間内に発生するまで駆動インパルスに応答しないためです。したがって、すべての実現可能なリアルタイムLTIシステム(因果関係が必要)では、周波数応答の実数部と虚数部は、周波数領域のヒルベルトペアです。これは特に驚くべきことでも特別なことでもありません。h(t)t
だから、(マットが予想通り)の実部と虚部関係について何かもっとあり、何かを LTIシステムに関してれるビットsurprizing(あるいは、少なくとも、簡単ではありませんが)。我々は持っている2つのこのクラスでは「と呼ばれているLTIシステムやLTIフィルタの定義や説明を最小位相フィルタを」:
- 有理伝達関数を持つLTIフィルター(分子と分母を因数分解して、それぞれ零点と極と呼ばれる根を生成できます)で、極と零点の両方が左半平面にあります。
H(sj2π)=A(s−q1)(s−q2)...(s−qM)(s−p1)(s−p2)...(s−pN)M≤N
安定性のために必要: for allR{pn}<01≤n≤N
最小フェーズに必要: for allR{qm}<01≤m≤M
これらのフィルターは、「最小位相」と呼ばれます。左半平面の任意のゼロに対して、に同じ位置に極を持つオールパスフィルターはそのゼロをキャンセルし、右半平面に反映します。qm
HAP(sj2π)=s+qms−qm
このオールパスフィルターは、すべての周波数に対して正確に0 dBの大きさの周波数応答を持っています。
|HAP(f)|=1∀f
ただし、位相角はゼロではありません。このAPFは(負の)位相シフトを追加します。
arg{HAP(f)}=−2arctan(2πf−I{qm}−R{qm})
結果のカスケードフィルター with the zero 右半平面に反映されるは、元のフィルター(左半平面にすべてゼロを持つ)と同じ大きさですが、より多くの(負の)位相シフトがあります。より多くの位相遅延とより多くの群遅延。「最小相」フィルタは、正確に右半平面のゼロを反映APFS有するクローンのいずれかよりも低い(負の)位相シフトを有する同じ大きさの応答を有するフィルタのみです。H(sj2π)⋅HAP(sj2π)qm
「最大相」フィルタは1で、すべてのゼロの右半平面またはに住ん。R{qm}≥0
したがって、最小位相フィルターの2番目の定義は、この最小位相応答が振幅応答にどのように関連するかを正確に指定します。
- LTIシステムまたはフィルター
H(f)=|H(f)|ejarg{H(f)}=|H(f)|ejϕ(f)
ラジアン単位の自然位相応答がマグニチュード応答の自然対数のヒルベルト変換の負である場合にのみ、最小位相です。
ϕ(f)≜arg{H(f)}=−H{ln(|H(f)|)}
以来
H(f)=|H(f)|ejϕ(f)=eln(|H(f)|)ejϕ(f)=eln(|H(f)|)+jϕ(f)=eln(H(f))
これは、周波数応答の複雑な自然の実数部と虚数部を関連付けてい。その複素対数に等しい複素周波数応答をもつ仮想LTIフィルターを構築できるとします。ログ()G (f)
G (f)=ln(H(f))=ln(|H(f)| )+ j ϕ (f)= R { G (f)} + j I { G (f)}
I { G (f)}=ϕ(f)=−H{ln(|H(f)|)}=−H{R{G(f)}}
次に、対応するインパルス応答は因果関係になります。G(f)
F−1{G(f)}=g(t)=0∀t<0
この質問の目的は、最小位相フィルターの2つの定義を解決することです。最初の定義を前提として、仮説が因果的なインパルス応答を持つべき直接的な理由が見当たらない場合。G(f)=ln(H(f))g(t )
2つの定義を直接解決する唯一の方法は、次のことを考慮することです。
H(f)= A(J 2 πf−q1)(J 2 πf−q2)...(j2πf−qM)(j2πf−p1)(j2πf−p2)...(j2πf−pN)
(今のところあると仮定し)A>0
ln(|H(f)|)=ln(A)+∑m=1Mln(|j2πf−qm|)−∑n=1Nln(|j2πf−pn|)
ϕ(f)≜arg{H(f)}=∑m=1Marg{j2πf−qm}−∑n=1Narg{j2πf−pn}
定数関数のヒルベルト変換はゼロであるため、
H{ln(A)}=0
次に、との合計の残りの対応する各項がヒルベルトペアであることを証明できる場合、つまり、ln(|H(f)|)arg{H(f)}
arg{j2πf−qm}=−H{ln(|j2πf−qm|)}1≤m≤M
そして
arg{j2πf−pn}=−H{ln(|j2πf−pn|)}1≤n≤N
所与と、R{qm}<0R{pn}<0
次に、それを示すことができます
ϕ(f)≜arg{H(f)}=−H{ln(|H(f)|)}
単一の一次項を検討する場合、位相の折り返しについてあまり心配する必要はありません。フォームは零点と極の両方で同じであるため、単一の零点のみを考慮する
arg{j2πf−qm}=arg{j2πf−(R{qm}+jI{qm})}=arg{−R{qm}+j(2πf−I{qm})}=arctan(2πf−I{qm}−R{qm})
そして
ln(|j2πf−qm|)=ln(|j2πf−(R{qm}+jI{qm})|)=ln(|−R{qm}+j(2πf−I{qm})|)=ln((−R{qm})2+(2πf−I{qm})2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√ )=12ln((−R{qm})2+(2πf−I{qm})2)
だから今それを示すタスクになります
arctan(2πf−I{qm}−R{qm})=−H{12ln((−R{qm})2+(2πf−I{qm})2)}
時間領域では、ヒルベルト変換はLTIであることを思い出してください。したがって、あり、が何であるかは関係ありません。これは、ヒルベルト変換への入力と出力の両方における時間へのオフセットです。x^(t−τ)=H{x(t−τ)}τt
ここで、周波数領域では、周波数へのオフセットはなので、一般性を失うことなく、両側からを排除できます。fI{qm}2πI{qm}
arctan(2πf−R{qm})=−H{12ln((−R{qm})2+(2πf)2)}
これにより、問題はどちらも左半平面の単一の実極と実ゼロに分解されます。これで、とを正規化して、次のように置き換えることができます。−R{qm}2π
ω≜2πf−R{qm}
その結果
arctan(ω)=−H{12ln((−R{qm})2+(ω⋅(−R{qm}))2)}=−H{12ln((−R{qm})2⋅(1+ω2))}=−H{ln(−R{qm})+12ln(1+ω2)}=−H{12ln(1+ω2)}
定数のヒルベルト変換がゼロであるため、最後の項は削除されます。ln(−R{qm})
したがって、ここで、最小位相フィルターが何であるかの2つの定義が同等であることを証明するために、上の(または下の)同一性を「単純に」証明する必要があります。
誰かが、等高線積分または残差理論または複雑な変数分析の結果を使用せずに、この事実を証明できますか?:
arctan(ω)=−12H{ln(1+ω2)}=−12∫−∞∞1πuln(1+(ω−u)2)du=−12∫−∞∞1π(ω−u)ln(1+u2)du