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  • Daubechies小波介绍

    Daubechies小波是正交、连续且紧支撑的。

    正交条件下,$H(omega)$必须满足下式:

    $|H(omega)|^2+|H(omega + pi)|^2 =1$

    连续紧支撑条件下,$H(omega)$必须满足下式:

    $H(omega)=left(  frac{1+e^{-iomega}}{2}   ight) ^N S(omega)$

    $S(omega)=sum^A_{k=0}a_ke^{-ikomega}$

    从上式可以看出,$h[n]$可看做N个[1,1]的卷积再和$s[n]$卷积(不考虑归一化),而$s[n]$就是$S(omega)$的系数:$s[n]=[a_0, a_1, a_2,...]$。

    将紧支撑条件代入正交条件,简化后可得:

    $(cos^2(frac{omega}{2}))^N|s(omega)|^2+(sin^2(frac{omega}{2}))^N|S(omega+pi)|^2=1$

    若将$s[n]$限定为实数,那么$|S(omega)|^2$是偶函数,所以$|S(omega)|^2$可写作下式:

    $|S(omega)|^2=sum^A_{k=0}d_k cos^k (omega) = sum^A_{k=0} d_k ( 1 - 2sin^2( frac{omega}{2} ) )$

    至此,我们将三角变量全部化成$frac{omega}{2}$,且上式只包含$cos$和$sin$的平方项。

    我们暂时令$ y=sin^2 ( frac{omega}{2} ) $,$P(y)=sum^A_{k=0}d_k(1-2y)^k$,就得到:

    $(1-y)^NP(y)+y^NP(1-y)=1$

    这种形式的方程的解为:

    $P(y)=sum^{N-1}_{k=0}dbinom{2N-1}{k}y^k(1-y)^{N-1-k}$

    然后将$y$和$P(y)$恢复成三角形式,以$frac{1-cos omega}{2}$代替$sin^2(frac{omega}{2})$,再将$cos omega$以欧拉公式替换为复指数形式,最后以$z=e^{-iomega}$替换复指数,最终得到:

    $T(z)=|S(z)|^2 = frac{1}{ 4^{N-1} } sum^{N-1}_{k=0} dbinom{2N-1}{k} (-z+2-z^{-1})^k (z+2+z^{-1})^{N-1-k}$

    上式满足$T(z)=T(frac{1}{z})$。于是我们就能得到一系列关于$T(z)$的零点的性质:

    (a) 若$z_0 eq 0$是$T(z)$的零点,那么$1/z_0$也是$T(z)$的零点

    (b) 若$z_0$是$T(z)$的零点,那么$overline{z_0}$也是$T(z)$的零点

    考虑到将$z$的取值限定在单位圆上,我们有(考虑$|z|=|overline{z}|=zoverline{z}=1$):

    $|(z-w)(z-1/overline{w})|=|(z-w)(z-zoverline{z}/overline{w})|=|(z-w)z(1-overline{z/w})|=|z-w||w|^{-1}|overline{w-z}|=|w|^{-1}|z-w|^2$

    这样,$T(z)=|S(z)|^2$就可以化为所有项均为平方的$z$的一次多项式连乘,且$z$的所有零点全部“翻转”到单位圆内成为最小相位系统。将$T(z)$开方(并归一化)后得到的$F(z)$代回到文章开头的$H(omega)=left(  frac{1+e^{-iomega}}{2}   ight) ^N S(omega)$,即可求得Daubechies尺度滤波器系数。

    下面是一个求六抽头Daubechies尺度滤波器系数的例子:

    $N=3$

    $P(y)=1+3y+6y^2$

    $T(z)=1+3(frac{1-z}{2})(frac{1-1/z}{2})+6((frac{1-z}{2})(frac{1-1/z}{2}))^2$

          $=frac{3}{8} z^2+frac{9}{4} z+frac{19}{4} z^{-1}+frac{3}{8} z^{-2}$

     $alpha=frac{3}{8}$

    $T(z)$用计算机求解,取单位圆内零点:$z_1=0.28725+0.15289i, overline{z_1}=0.28725+0.15289i$

    $F(z)=sqrt{frac{3}{8}} frac{1}{z_1}(z-z_1)(z-overline{z_1}) $

    于是$H(omega)=(frac{1+e^{-iomega} }{2})^3 F(e^{-iomega}) $展开后即得滤波器系数。(习惯上将求得的滤波器系数逆序排列)

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