Например, Бобцов

СВОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ n-МЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ ПО БАЗИСУ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВСПЛЕСКОВ

А.Ю. Гришенцев

УДК 517.521: 004.046
СВОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ n-МЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ ПО БАЗИСУ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВСПЛЕСКОВ
А.Ю. Гришенцев
Рассмотрены свойства способа декомпозиции n-мерных цифровых сигналов по базису прямоугольных всплесков. Показано выполнение свойства линейного преобразования и условия сохранения энергии сигнала при переходе от пространственного к частотно-пространственному представлению. Сформулирован переход к ортогональной форме преобразования. Ключевые слова: декомпозиция n-мерных сигналов, спектральный анализ, цифровая обработка сигналов.
Введение
На сегодняшний день наиболее востребованными способами взаимного преобразования цифрового сигнала из частотной в пространственную область являются Фурье- и вейвлет-преобразование [1, 2]. Вейвлет-преобразование, также как и оконное преобразование Фурье, позволяет не только получить спектр сигнала, но и локализовать его в пространстве. В настоящей работе рассматриваются свойства способа преобразования по базису прямоугольных всплесков (БПВ) [3, 4], который также позволяет получить пространственную локализацию спектра цифрового сигнала, при этом достаточно просто реализуется с помощью программных или только аппаратных средств.

Свойства преобразования по базису прямоугольных всплесков

Основной задачей рассматриваемого способа декомпозиции по БПВ является получение спектра n-

мерного цифрового сигнала и его локализация в пространстве Rn , фактически отображение цифрового сигнала в фазовое пространство. Эта задача решается в ходе прямого преобразования (декомпозиции) путем последовательных итеративных вычислений в соответствии с выражением

fk 1  fk  Sk ,

(1)

где k – номер спектрального элемента декомпозиции Sk , выделяемого по масштабному признаку из

сигнала fk . Значение индекса k соответствует протяженности взаимно перпендикулярных и параллель-

ных элементов спектральных компонент, fk – остаточный сигнал. Максимальное (исходное) значение k

равно K, Sk – спектральные элементы декомпозиции, отобранные по масштабному признаку. Сумма

всех полученных в ходе прямого преобразования спектральных элементов декомпозиции Sk является

результатом обратного преобразования (синтеза) и равна

K
fK  Sk .

(2)

k 1

Таким образом, разложение n-мерного сигнала происходит не по выбранному заранее n-мерному

базису (базисной функции), а по взаимно параллельным и перпендикулярным элементам исходного сиг-

нала, которые образуют множество уникальных для данного сигнала n-мерных базисов, являющихся ча-

стью исходного сигнала. Основой для формирования таких базисов разложения n-мерного сигнала слу-

жит меандр-подобный сигнал, называемый в рамках рассматриваемого способа элементарным вспле-

ском. Под элементарным всплеском будем понимать дискретную структуру, имеющую размерность,

равную размерности исходного сигнала с отличной от нуля амплитудой. В направлении выделения эле-

ментарного всплеска его протяженность может иметь любое отличное от нуля значение, но не более раз-

мера исходного сигнала в данном направлении. По другим направлениям размеры элементарного вспле-

ска равны единице дискретизации соответствующих направлений [3, 4].

На рис. 1 показаны некоторые свойства конфигурации элементов декомпозиции на примере одно-

мерных сигналов. Приведены варианты четырех одномерных сигналов f  x и некоторые возможные

способы декомпозиции. Стрелками обозначены переходы к корректным вариантам декомпозиции, перечеркнутые стрелки обозначают некорректные варианты декомпозиции (присутствуют на рис. 1, в, г) с последующим переходом к корректным. В ходе наблюдения за возможными вариантами декомпозиции и разделением их на корректные и некорректные можно сделать некоторые обобщения: (1) менее протяженные элементарные всплески конфигурационно могут быть расположены только пол-
ностью над непрерывным более протяженным, либо над нулевым (имеется в виду его отсутствие) всплеском; (2) соседние всплески не могут быть расположены неразрывно, между всплесками по оси положения в пространстве должен присутствовать разрыв, минимальная протяженность которого равна единице дискретизации сигнала в данном направлении.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 5 (81)

75

СВОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ n-МЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ...

(3)
а

бв

г

Рис. 1. Допустимые и недопустимые варианты конфигурации элементов декомпозиции по БПВ: f [x] – исходные сигналы с амплитудой A ; Sk – спектральный элемент декомпозиции, полученный
выделением всплесков протяженностью k
Указанные свойства (1)–(2) являются следствием декомпозиции сигнала в соответствии с алгоритмом, рассмотренным в [3, 4], и могут быть обобщены на случай многомерного сигнала. Из свойства (2) можно вывести понятие периода T  k 1 (или минимального периода) элементарного всплеска как минимально допустимого периода повторения элементарных всплесков заданной протяженности k . Покажем, что декомпозиция по БПВ является линейным преобразованием, т.е. обладает свойствами линейной системы – аддитивностью и однородностью [5].
Аддитивность декомпозиции по БПВ обусловлена тем, что суммирование сигналов f [x]  g[x] в
пространственной области эквивалентно суммированию сигналов в пространственно-частотной области
F  f [x]  F g[x] , причем при суммировании сигналов в пространственно-частотной области необхо-
димо приводить результат суммирования к конечному виду в соответствии со свойствами (1)–(2). Адди-
тивность преобразования является следствием равенства суммы f [x]  g[x]  F 1 F  f [x]  F g[x]
для каждого конкретного значения x и одновременной инвариантности декомпозиции по БПВ. Одно-
родность декомпозиции по БПВ F m  f [x]  m  F  f [x] является следствием равенства
K
m Sk [x]  m  f [x] , где m – рациональное число. k 1 Для n-мерного пространства Rn можно записать свойства линейности преобразования по БПВ:
    аддитивность – f [Rn ]  g[Rn ]  F 1 F f [Rn ]  F g[Rn ] ,
K
однородность – m Sk [Rn ]  m  f [Rn ] . k 1 Отметим, что декомпозиция по БПВ не является инвариантом относительно сдвига сигнала f [Rn ] ,
так как сдвиг исходного сигнала вызывает соответствующее смещение положения элементарных всплесков. При сдвиге сигнала f [Rn ] инвариантом является спектральная плотность p , рассчитываемая как
отношение суммы всех элементов каждого спектрального элемента декомпозиции Sk [Rn ] к числу всех дискретных элементов, в котором задана функция f [Rn ] . Покажем, что при преобразовании по БПВ не-
изменной остается энергия. В случае одномерного сигнала f [x] , заданного на интервале X , его энергия
может быть определена как

76 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 5 (81)

А.Ю. Гришенцев

E   f 2[x] , X
из выражения (2) [1] следует, что

f

2[

x]



 

K

Sk

[

x]

2 

.

 k 1



Раскрывая выражение (4) как полиномиальный многочлен второй степени, получаем

   


K

Sk

[

x]

 

2



K K 1
Sk2[x]  2

K

Si[x]S j [x] ,

 k 1

 k 1

i 1 j i 1

или, в конечном виде,

(3) (4)

    f 2[x] 

K 

K 1
Sk2[x]  2

K

Si[x]S j [x] .

 X

X k 1

i 1 j i 1

(5)

Правую часть, стоящую под общей суммой выражения (5), можно записать в виде

K K 1 K

KK

    Sk2[x]  2

Si[x]S j [x] 

Si[x]S j [x] .

k 1 i 1 j i 1

i 1 j 1

(6)

На рис. 2 приведен пример произведений ненулевых спектральных элементов декомпозиции Sk сиг-

нала f [x] в соответствии с выражением (6). Заметим, что произведения спектральных элементов декомпо-

зиции Si S j имеют протяженность наименьшего значения min(i, j) и размерность квадрата амплитуды A2 . Извлекая корень из суммы произведений Si S j , выделенных по признаку равных протяженностей, получаем взаимно ортогональные формы спектральных элементов декомпозиции:

K
Si[x]  Si2[x]  2 Si[x]S j [x] . j i 1
В силу ортогональности (выполняется равенство Парсеваля как обобщение теоремы Пифагора для n -мерного случая) обратное преобразование будет иметь вид

K
f [x]  Si2[x] , ik
а эквивалент выражения (3) записывается в форме

(7)

  X

f 2[x] 

X

 

K k 1

Sk2

[

x]

(8)

для Si[x] и в форме

  Rn

f 2[Rn] 

Rn

 

K k 1

S

2 k

[

R

n

]

.

(9)

для пространства Rn . Отметим, что выражение (9) для преобразования по БПВ можно рассматривать как аналог уравнения Парсеваля для преобразования Фурье [5–7].

Рассмотрим в качестве примера переход к ортогональной форме Si[x] для сигнала f [x] на рис. 2.

Вначале производится расчет множества спектральных элементов декомпозиции S  S5 , S3 , S2 , S1 в

соответствии с (1), подробное описание декомпозиции можно найти в [3, 4]. Далее формируются элемен-

ты произведений S  S (упорядоченные пары), для которых, впрочем, выполняется условие коммутатив-

ности Si  S j  S j  Si . Результат произведений отображен в центральной части рис. 2. Произведем запись

значений амплитуд спектральных элементов декомпозиции в ортогональной форме для 4-го отсчета (от-

счет производится слева, начиная с нуля по оси x , шкала отображена на графике f [x] ): S5[4]  22  2 ,

S3[4]  32  2  3 2  21 , S2[4]  12  2 1 2  2 1 3  11 , S1[4]  22  2  2  2  2  2  3  2  2 1  2 7 .

Результаты расчетов Si[x] представлены на рис. 2 (столбец справа). Очевидно, что амплитуды исходно-

го сигнала по значениям Si[x] могут быть восстановлены в соответствии с выражением (7). Далее рас-

 считаем полную энергию E в соответствии с (8):

X

K  k 1

Sk2 [ x]



54



3 21

2 111 28



133

,

вычисле-

ние по выражению (3) дает результат f 2[x]  02  22  52  62  82  22  02  02  133 . X

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 5 (81)

77

СВОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ n-МЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ...
Рис. 2. Получение ортогональной формы декомпозиции по БПВ: f [x] – исходный сигнал с амплитудой A ; Sk – спектральный элемент декомпозиции, полученный
выделением всплесков протяженностью k Порядок вычислительной сложности алгоритма прямого преобразования по БПВ для одномерного
случая можно оценить как O  N  , где N – размер массива данных.
Для прямого преобразования по БПВ в n -мерном пространстве Rn сигнала f [Rn ] , ограниченного размерами пространства, в котором задан сигнал X1  X 2,...,  X n , порядок вычислительной сложности
можно оценить как O n  X1  X 2,...,  X n  .
Отметим, что все преобразование в соответствии с (1) и (2) может быть выполнено на кольце целых чисел, что обеспечивает высокое быстродействие и достаточно простую реализацию способа преобразования по БПВ полностью аппаратными средствами.
Заключение В работе показаны свойства преобразования по базису прямоугольных всплесков – линейность, сохранение энергии сигнала, ортогональная форма преобразования. Рассмотрен ряд примеров, выполнена оценка вычислительной сложности. Приведены выражения, готовые к непосредственному применению в практических вычислениях.
Литература 1. Чобану М. Многомерные многоскоростные системы обработки сигналов. – М.: Техносфера, 2009. –
480 с. 2. Шарк Г.Г. Применение вейвлетов для ЦОС. – М.: Техносфера, 2007. – 192 с. 3. Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г. Декомпозиция n-мерных цифровых сигналов по базису прямо-
угольных всплесков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2012. – № 4 (80). – С. 75–79.
78 Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,
2012, № 5 (81)

И.Ю. Голубев, В.А. Богатырев

4. Заявка на изобретение. Способ построения спектра n-мерных неразделимых цифровых сигналов. Гришенцев А.Ю., Коробейников А.Г. № 2011126856, от 29.06.2011.
5. Смит С. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников. – М.: Додека-XXI, 2011. – 720 с.
6. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. – 2-е изд. – М.: Техносфера, 2009. – 856 с. 7. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. – 2-е изд. Пер. с англ. – М.: Бином пресс, 2009.– 656 с.

Гришенцев Алексей Юрьевич

– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, tigerpost@ya.ru

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № 5 (81)

79