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希尔伯特(Hilbert)变换希尔伯特(Hilbert)变换是一种信号处理中常用的数学工具之一，主要用于将实数信号转化为复数信号，并提取出复信号的包络和瞬时相位等信息。
本文将对希尔伯特变换的基本概念、性质以及在信号处理中的应用进行介绍。
一、基本概念1. 复信号的生成在信号处理中，我们往往需要将一个实数信号变为一个复数信号，这可以通过对信号进行“解析”的方式来实现。
具体地，我们将实数信号x(t)通过一个信号处理器H(t)（即称为系统传递函数）得到一个复数信号X(t)，即：X(t) = H(t) * x(t)其中，符号“*”表示对那些对应时间点处的信号进行点乘，即乘上相应的复数模长e^(jw)，其中w为角频率，j为单位复数。
2. 复信号的包络和瞬时相位由于复数信号包含实部和虚部两个分量，其中实部和虚部分别表示原信号的信号值和90度相位移的信息。
因此，我们可以通过分别从复数信号中提取出它的实部和虚部，来获得原始信号的包络和瞬时相位两个信息。
具体的，假设我们有一个复数信号X(t) = x(t) + j*y(t)，其中x(t)为实部，y(t)为虚部，则：信号的包络：A(t) = sqrt(x^2(t) + y^2(t))其中，atan2(y(t), x(t))表示y(t)/x(t)的反正切，但与通常的反正切最大的区别在于，它不仅考虑了y(t)/x(t)的值，而且也考虑了x(t)的符号，从而在所有象限范围内都具有唯一性。
3. 希尔伯特变换希尔伯特变换是一种用于从实数信号中构造复数信号的技术。
具体地，假设我们有一个实数信号x(t)，那么它的希尔伯特变换y(t)定义如下：y(t) = H[x(t)] = P.\ I.C.\ \lim_{\varepsilon \to 0} \frac{1}{\pi}\int_{-\infty}^\infty \frac{x(t')}{t-t'-j\varepsilon} dt'其中，P和I.C.分别表示柯西主值和积分常数项。
黄锷院士在《On Holo-Hilbert spectral analysis: a full informational spectral representation for nonlinear and non-stationary dat》a 中提出一种高维全息谱分析理论HHSA(Holo-Hilbert spectral analysis) 要理解HHSA 方法，首先要了解希尔伯特变换、经验模态分解(EMD) 、与希尔伯特-黄变换(HHT) 。
学术背景：在信号处理与频谱分析的目的是要描述信号的频谱含量在时间上变化，以便能在时间和频谱上同时表示信号的能量或者强度。
傅里叶频谱并没有告诉我们哪些频率在什么时候出现。
因此傅里叶变换无法表现信号频率成分的时变性，因此学术界先后发展出了短时傅里叶变换、窗口傅里叶变换、小波等手段，近似的求信号某一时刻的瞬时频率。
希尔伯特变换：希尔伯特变换是以著名数学家大卫•希尔伯特(David Hilbert)来命名。
通过希尔伯特变换，使得我们对短信号和复杂信号的瞬时参数的定义及计算成为可能，能够实现真正意义上的瞬时频率的提取，因而希尔伯特变换在信号处理上具有十分重要的地位，使得希尔伯特变换具有广泛的工程应用。
但在进一步的工程应用中，希尔伯特变换具有以下缺陷：(1) 希尔伯特变换只能近似应用于窄带信号。
但实际应用中，存在许多非窄带信号，希尔伯特变换对这些信号无能为力。
即便是窄带信号，如果不能完全满足希尔伯特变换条件，也会使结果发生错误。
而实际信号中由于噪声的存在，会使很多原来满足 希尔伯特变换条件的信号无法完全满足；(2) 对于任意给定时刻，通过希尔伯特变换运算后的结果只能在 一个频率值，即只能处理任何时刻为单一频率的信号；(3) 对于一个非平稳的数据序列，希尔伯特变换得到的结果很大 程度上失去了原有的物理意义。
图1傅立叶、小波与希尔伯特-黄变换对瞬时频率的分辨率 希尔伯特-黄变换：针对上述的三个问题，黄铐院士在 1998年提出希尔伯特-黄变换 (HHT)。
§5.6 希尔伯特(Hilbert )变换•希尔伯特变换的引入 • 可实现系统的网络函数与希尔伯特变换一．由傅里叶变换到希尔伯特变换正负号函数的傅里叶变换 根据对称性得到那么假设系统函数为那么冲激响应系统框图:系统的零状态响应利用卷积定理具有系统函数为 － 的网络是一个使相位滞后 弧度的宽带相移全通网络同理可得到: 假设系统冲激响应为()[]ωj t F 2sgn =()jt 221sgn ⋅↔-πω()ωπ-↔sgn 1j t ()为奇函数ωsgn ()ωπsgn 1j t -↔()⎩⎨⎧<>--=-=090 0 90sgn )(00ωωωωj j j j H ()()[]t j H F t h πω11==-()()ωF t f ˆˆ ()()ωF t f ()ωsgn j -()()()()t t f t h t f t f π1ˆ*=*=()[]()()()[]()()⎩⎨⎧<>-=-⋅== 0 0 sgn ˆˆωωωωωωωjF jF j F F t f F ()t t h π1-=2π()ωsgn j其网络的系统函数为该系统框图为输出信号利用卷积定理具有系统函数为 的网络是一个使相位滞后 弧度的宽带相移全通网络 希尔伯波特变换二． 可实现系统的网络函数与希尔伯特变换可实现系统是因果系统，其冲激响应()[]()⎩⎨⎧<->===090 0 90 sgn )(00ωωωωj j j t h FH ()()ωt f ()(ωF t f ˆˆ ()ωsgn j ()()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-*=*=t t f t h t f t f π1ˆˆ()()()()()⎩⎨⎧<->=⋅= 0 0 sgn ˆωωωωωωωjF jF j FF 2π()ωsgn j ()[]()()τττπd 1ˆ⎰∞∞--==t f t f tf H ()()t t f t f π1ˆ*=()[]()()τττπd 1ˆ1⎰∞∞----==t f t f tf H ()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-*=t t f t f π1ˆ即:其傅里叶变换又那么根据实部与实部相等，虚部与虚部相等，解得因果系统系统函数 的实部与虚部满足希尔伯特变换约束关系三．常用希尔伯特变换对作为一种数学工具在通信系统中得到了广泛的应用()()()t u t h t h ⋅=()00<=t t h()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+*=ωωπδωπωj j H j H 121()()())()(ωωωωωϕj jX j R e j H j H j +==()ωωj jX j R +)(()()[]()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+*+=ωωπδωωπj j jX j R 121()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡*+=ωωωππ121j X j R ()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡*-+ωωωππ12j R j X j ()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=+∴⎰∞∞-λλωλπωωωd 2121j X j R j jX j R ()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+⎰∞∞-λλωλπωd 212j R j X j ()λλωλπωd 1)(⎰∞∞--=j X j R ()()λλωλπωd 1⎰∞∞---=j R j X )(ωj H例5-6-1用三种方法求解此题：方法1 :方法2：那么希尔伯特变换的频谱函数为即：方法3：直接用希尔伯特变换定义式例5-6-2因为即系统函数式中实部虚部[]的实部与虚部满足希尔，证明)()()(thFtueth tα-=().ˆtft的希尔伯特变换ω()()弧度，即滞后比希尔伯特变换2ˆπtftf()()[]tttfHtfsin4cosˆωπω=⎪⎭⎫⎝⎛-==()[]()()cosωωπδωωπδωω-++==tFF因()()()[]()()()sgnˆωωπδωωπδωωω--++=-⋅=jjjFF()()()[]()ttfjFsinˆˆωωωδωωδπω=↔--+=[]tttHsindcos1cosωτττωπω=-=⎰∞∞-()[][]ωααjtueFthF t+==-1)(()()()ωωωαωωααωjjXjRjjH+=+-+=2222()22ωααω+=jR()22ωαωω+-=jX现在求 的希尔伯特变换可求出各分式系数那么()ωj X ()[]()λλωλπωd 1⎰∞∞--=j X j X H ()()λλωαλλπd 122⎰∞∞-=+-=()()λωαλαλλωαλλ-+++-==+-C j B j A 22令22,21,21αωωαωαω+=+-=--=C j B j A ()[]()()()()()()λωλαωωαλαωαλαωπωd 2121122⎰∞∞-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-++++-+---=j j j j j X H ()[]()()()()()()λωλαωωαλαωαλαωπωd 2121122⎰∞∞-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-++++-+---=j j j j j X H ()λωλωαλωλααωπd 122222⎰∞∞-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-+=()λωλωαλωλαλααωπd 12222222⎰∞∞-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-++=()()()∞∞-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-+=ωλωαλαωαλααωπln ln arctg 12222()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=0022122ππααωπ22αωα+=()ωR =例5-6-3试分析下面系统可以产生单边带信号信号 是带限信号，其频谱函数为图中系统函数 载频由调制定理可知 为带通信号其频谱函数 是的希尔伯特变换信号其频谱那么其频谱函数即输出信号其频谱为()t y 2m m()t g ()ωG ()()ωωsgn j j H -=m ωω>>0()()t t g t y 01cos ω=()[]()()()00112121ωωωωω-++==G G Y t y F ()t g ˆ()t g ()[]()()()ωωωsgn ˆˆj jG G t g F -==()()()t t g t y 02sin ˆω-⋅=()[]()()()()[]0022ˆ21ωωδωωδπωπω+--*==j G Y t y F ()()()()[]0000sgn sgn 2ωωωωωωωω+++---=jG jG j ()()()()()00002sgn 21sgn 21ωωωωωωωωω++---=G G Y ()()()t y t y t y 21+=()()()ωωω21Y Y Y +=频谱图如下所示是带通信号〔上边带调幅信号〕的频谱 00m 0m 000m 0m 0()ωY。
希尔伯特变换电路导言：希尔伯特变换电路是一种常用的信号处理电路，常用于实现信号的频率调制与解调、滤波、频谱分析等应用。
本文将介绍希尔伯特变换电路的原理、设计和应用。
一、希尔伯特变换的原理希尔伯特变换是一种将信号从时域转换到频域的数学变换方法。
它可以将一个实函数信号转换为一个复函数信号，复函数的虚部表示了原信号的相位信息。
希尔伯特变换常用于对调制信号进行解调，从中提取出原始信号的相位信息。
二、希尔伯特变换电路的设计希尔伯特变换电路的设计主要包括滤波器和相移电路两个部分。
1. 滤波器设计希尔伯特变换电路中的滤波器通常采用带通滤波器，它可以通过选择合适的中心频率和带宽来滤除不需要的频率分量，只保留感兴趣的频率分量。
常用的滤波器有巴特沃斯滤波器和卡兹米尔滤波器等。
2. 相移电路设计相移电路用于给滤波后的信号添加一个90度的相位差，使得输出信号的虚部与实部相差90度，实现希尔伯特变换。
常用的相移电路有RC电路、LC电路和差分电路等。
三、希尔伯特变换电路的应用希尔伯特变换电路在通信领域有着广泛的应用。
1. 频率调制与解调希尔伯特变换电路可以将调制信号转换为基带信号，实现频率调制与解调。
在调制过程中，希尔伯特变换电路可以提取原始信号的相位信息，从而实现解调。
常见的调制方式有频移键控调制（FSK）和相移键控调制（PSK）等。
2. 滤波希尔伯特变换电路可以实现信号的滤波功能，滤除不需要的频率分量。
通过选择合适的滤波器参数，可以实现低通滤波、高通滤波、带通滤波等不同的滤波效果。
3. 频谱分析希尔伯特变换电路可以将信号转换到频域，实现频谱分析。
通过分析信号在频域上的特征，可以了解信号的频率分布情况，从而对信号进行更深入的分析。
结论：希尔伯特变换电路是一种常用的信号处理电路，可以实现信号的频率调制与解调、滤波、频谱分析等多种应用。
通过合理设计滤波器和相移电路，可以实现希尔伯特变换的功能。
在通信领域，希尔伯特变换电路被广泛应用于调制解调、滤波和频谱分析等领域，为信号处理提供了重要的工具。
希尔伯特变换原理及应用希尔伯特变换是数学中一个重要的变换原理，它在信号处理、图像处理、量子力学等领域都有着广泛的应用。
希尔伯特变换的核心思想是将一个实函数转换为另一个实函数，通过这种变换可以方便地处理信号的相位信息。
下面我们将详细介绍希尔伯特变换的原理及其在不同领域的应用。
希尔伯特变换原理主要是通过对原始信号进行傅里叶变换，然后将其频谱中的负频率部分置零，最后再进行逆傅里叶变换得到希尔伯特变换。
希尔伯特变换的一个重要性质是在频域中将信号的相位信息提取出来，因此在信号处理中常常用于分析信号的瞬时特性。
在信号处理领域，希尔伯特变换常用于分析非平稳信号，例如音频信号、心电图等。
通过希尔伯特变换可以得到信号的瞬时频率、瞬时幅度等信息，从而更好地理解信号的特性。
另外，希尔伯特变换还可以用于信号的包络提取、调制识别等应用。
在图像处理领域，希尔伯特变换也有着重要的应用。
通过希尔伯特变换可以得到图像的相位信息，进而实现图像的边缘检测、纹理分析等功能。
希尔伯特变换在图像处理中还可以用于图像增强、图像压缩等方面。
在量子力学领域，希尔伯特变换是量子力学中的基本工具之一。
通过希尔伯特变换可以将量子态表示为希尔伯特空间中的矢量，在量子力学中希尔伯特变换有着重要的数学意义。
总的来说，希尔伯特变换是一种非常重要的数学工具，它在信号处理、图像处理、量子力学等领域都有着广泛的应用。
通过希尔伯特变换可以方便地处理信号的相位信息，实现信号的分析、处理和识别。
希尔伯特变换的原理相对简单，但在实际应用中却有着丰富的应用场景，对于提高数据处理的效率和准确性具有重要意义。
希尔伯特变换的研究对于推动数学、物理、工程等领域的发展都具有着积极的意义。
一种Hilbert变换法在非线性系统分析中的应用
孔宪仁;熊怀;李海勤;杨震国
【期刊名称】《机械工程学报》
【年(卷),期】2016(52)19
【摘要】Hilbert变换是信号处理领域常用工具之一,将Hilbert变换法改进并应用到信号分解和非线性系统振动分析中。
振动信号的多谐波性,使得Hilbert变换法
提取信号的瞬时频率和瞬时相角可以通过滤波的方法分离成快变和慢变两部分,从
而提取系统的振动分量;通过迭代计算,依次获得振动信号中所有谐波分量;将非线性振动方程用瞬态幅值相关的瞬态参数表示,从而求解系统的频响关系曲线方程。
通
过相应的数值模拟计算,验证了改进的Hilbert变换法在非线性振动分析的有效性。
【总页数】7页(P95-101)
【关键词】希尔伯特变换;信号分解;瞬时幅值;瞬时频率;频响曲线
【作者】孔宪仁;熊怀;李海勤;杨震国
【作者单位】哈尔滨工业大学卫星技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O322
【相关文献】
1.Taylor变换法在非线性系统中的应用举例 [J], 李洪霞;林锌
2.Hilbert变换和数学形态学滤波在电压闪变检测中的应用 [J], 杨宏达;刘文平
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[摘要]文章提出了一种在软件无线电中基于希尔伯特(hilbert)变换的调相信号数字化解调算法,与传统解调方法相比,简单、计算量小且易于实现,能很好地满足软件无线电中的要求。
理论分析和仿真结果表明该解调方案的抗干扰性能有明显改善,具有理论意义和实际应用价值。
[关键词]软件无线电希尔伯特变换数字化解调仿真[中图分类号]tn911.72[文献标识码]a[文章编号]1007-9416(2010)03-0119-02软件无线电是近年现代通信技术的一个重要研究领域。
其基本思想是在一个通用的硬件平台上安装不同的软件实现不同的通信功能,它便于通过软件升级来扩充系统功能,适应新的通信标准[1]。
目前,在软件无线电系统的接收端一般使用数字化正交解调方式[2],见图1所示。
数字化正交解调算法的基本原理是:将模拟中频信号首先经过a/d转换器,转化为数字信号,然后用数控振荡器(nco)产生的两路本振信号分别与混频,输出信号经fir数字低通滤波器(lpf),得到基本信号和,最后解调输出。
它的主要缺点是要提取同步载波,算法比较复杂,而且占用存储空间大。
为克服这些缺点,本文提出了一种能适用于各种数字调相方式,且算法简单、快速的数字化解调算法。
1 基于hilbert变换的数字调相信号快速解调算法根据hilbert变换的性质,如果低频限带信号hilbert变换为,带宽为,则当载波频率时,有:(1)(2)因此,我们可设计一个数字化解调器如图2所示。
1.1 算法解释一般数字调相信号可表示为[3]:,则当时,经a/d采样后离散化为:(3)我们以周期(为基带信号的码元宽度)提取离散信号,然后进行hilbert变换,则离散化信号的hilbert变换为:(4)由hilbert变换的定义可知:的hilbert变换实际上是与冲激响应为的系统的卷积,所以可以通过hilbert滤波器来实现hilbert变换。
这样当通过滤波器时,就会产生的时延(为滤波器的阶数)。
1希尔伯特变换的基本原理希尔伯特变换（Hilbert transform）是一种非常重要的信号处理技术，它在时间域和频率域之间建立了一种特殊的变换关系，可以通过提取信号的相位信息来分析信号的时频特性。
本文将详细介绍希尔伯特变换的基本原理。
一、定义与表达式希尔伯特变换首先由德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert）提出，他建立了一个衍生（Analytic）函数的概念。
对于一个实值信号函数x(t)，它的希尔伯特变换H{x(t)}可以表示为：H{x(t)} = \frac{1}{\pi} \int_{-\infty}^{\infty}\frac{x(\tau)}{t-\tau} d\tau其中，H{x(t)}是实值信号的希尔伯特变换，x(t)是原始信号，t是时间变量。
希尔伯特变换可以通过对信号的频谱进行处理实现，首先对原始信号进行傅里叶变换得到频谱X(f)，然后将频谱进行处理后再进行逆傅里叶变换得到希尔伯特变换。
具体来说，对于一个实值信号x(t)，它的傅里叶变换为X(f)，那么它的希尔伯特变换H{x(t)}可以表示为：H{x(t)} = IFT \{ -j \cdot sign(f) \cdot X(f) \}其中，IFT 表示逆傅里叶变换，sign(f)是频率变量的符号函数。
二、频谱分析希尔伯特变换的一个重要应用是信号的频谱分析，通过分析信号的相位信息来了解信号的时频特性。
希尔伯特变换可以提取信号的边带频率信息，从而反映信号的局部属性。
对于一个实值信号x(t)，它的频谱X(f)可以分解为实部和虚部：X(f) = X_r(f) + j \cdot X_i(f)其中，X_r(f)和X_i(f)分别是实部和虚部的频谱函数。
希尔伯特变换可以通过将频谱的虚部部分置零来获得信号的解析信号。
解析信号是一种由实信号和其希尔伯特变换构成的复信号表示，它具有可分辨信号的相位信息的特点。
三、希尔伯特变换的性质希尔伯特变换具有许多重要的性质，其中最重要的性质是希尔伯特变换的平移性质和相位信息的提取。
希尔伯特变换公式希尔伯特变换（Hilbert Transform）是信号处理领域中的一种重要方法，可以将实部信号变换为虚部信号或者将虚部信号变换为实部信号。
它常用于信号分析、调制解调、信号检测等应用中。
希尔伯特变换在数学上具有许多重要的性质和定理，其中最著名的就是希尔伯特变换的公式。
X(t) = \frac{1}{\pi} P.V. \int_{-\infty}^{\infty}\frac{x(\tau)}{t - \tau} d\tau其中，X(t)表示得到的复信号，x(t)表示原始的实部信号，P.V.表示柯西主值，\int_{-\infty}^{\infty}表示对变量\tau从负无穷到正无穷的积分。
这个公式的意义是，通过对原始信号进行积分，并用柯西主值来消除奇点，得到一个复信号。
复信号X(t)的实部就是原始信号x(t)，而虚部则是原始信号在频域上的一个相位信息。
X(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} x(t) e^{-i \omega t} dt 其中，X(\omega)表示变换后得到的频域信号，e^{-i \omega t}表示傅里叶变换的基函数。
然后，我们通过一些数学技巧，可以将傅里叶变换转换为希尔伯特变换。
具体过程如下：1. 对傅里叶变换的结果X(\omega)进行频域平移，将频率轴平移到正半轴。
X(\omega) \rightarrow X(\omega - \frac{\pi}{2})2.将平移后的结果再进行傅里叶反变换，得到变换后的信号y(t)。
y(t) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty} X(\omega -\frac{\pi}{2}) e^{i \omega t} d\omega3. 最后，我们通过在变换后的信号上加上一个相位角为-\frac{\pi}{2}的复指数，得到复信号X(t)。
X(t) = y(t) e^{-i \frac{\pi}{2}} = y(t) (-i)将y(t)带入公式中，得到：X(t) = -\frac{i}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty} e^{i \omega t} \left[ \int_{-\infty}^{\infty} x(\tau) e^{-i (\omega -\frac{\pi}{2})\tau} d\tau \right] d\omega通过交换积分的顺序，可以得到：X(t) = \frac{1}{\pi} P.V. \int_{-\infty}^{\infty}\frac{x(\tau)}{t - \tau} d\tau这就是希尔伯特变换的公式。
