如何减轻希尔伯特变换的边缘效应?
可以通过适当的填充来减轻这种影响,这会施加“统计先验”(即假设)。
无填充等价于周期性填充,即信号的右连接其左,反之亦然;这通常是不合理的,因为一分钟后发生的事情可能与. 没有一个万能的,但我对一般情况的建议是reflect
填充,它延续了来自其局部特征的信号。如果目标是瞬时频率/幅度定位,zero
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根据您的信号:
当边界处的导数是连续的(即填充部分“平滑”地连接原始部分)时,反射效果最好。
为什么会有边缘效应?
希尔伯特变换是卷积;因此,随之而来的一整套问题都是适用的(补救措施也是如此)。本质上,“左派右派”,反之亦然,为了应对,我们扩展了“左派”和“右派”,使得来自“另一边”的贡献可以忽略不计。如何扩展是填充的主题——这里部分介绍了。
“因为它是离散的”(而不是连续的)是一种常见的解释,但存在缺陷:主要因素是边界附近没有信息。“连续解释”恰好是正确的,因为连续时间信号通常在所有时间都被完美地定义 - 即没有丢失信息:如果我们在某个间隔之外将相同的连续信号归零,边缘效应就会倾泻而出。
但是有一个基本的限制:希尔伯特核在 L1 意义上是发散的(从任何点到无穷大的积分发散),因此卷积贡献永远不会低于机器 epsilon(尽管如果我们关心 L2 度量,确实收敛)。因此,我们不能在离散方面做到“完美”——但效果可以做得很小。
应用
适当的填充是时频分析中的一个重要主题:STFT、CWT。对于后者,尤其是我们使用解析小波,并且希尔伯特变换信号是解析的 - 所以问题是类似的。
归根结底是为信号的延续选择“最佳猜测”,最好在了解信号源的情况下完成。如果目标仅仅是一个平滑的希尔伯特包络,这总是可以通过适当的局部插值来实现 - 例如基于 FFT 或边界小波。
这些概念同样适用于合成信号和“真实”信号。最后我会指出,如果目标是幅度提取,那么 CWT 和同步压缩比直接希尔伯特包络更受欢迎,因为后者仅限于单分量信号(绝大多数真实世界信号不是)和前者是健壮的。
代码
可在Github获得。