On the Marginal Hilbert Spectrum
Outline
Definitions of the Hilbert Spectrum (HS) andthe Marginal Hilbert Spectrum (MHS).
Computation of MHS
The relation between MHS and FourierSpectrum
MHS with different frequency resolutions
Examples
Hilbert  Spectrum
Definition of Hilbert Spectra
can be amplitude or the square of amplitude (energy).
ω
d t
Schematic of Hilbert Spectrum
Hilbert Spectra
Definition of the Marginal Hilbert Spectrum
Computing Hilbert Spectrum
Marginal Spectrum
Hilbert and Marginal Spectra
Some Properties
MHS and Fourier Spectra
1/T
MHS with different Resolutions
Observations
Note that N/T is actually the sampling rate, so theconservation from Fourier to Hilbert is simply twicethe sampling rate, if we use the full frequency rangeto the Nyquist limit.
If we use any zoom, the additional factor is anadditional
Some Properties
The spectral density depends on the bin size that is onboth temporal and frequency resolutions.
For marginal Frequency spectrum, the temporalresolution is implicit.
For instantaneous energy density, the frequencyresolution is implicit.
Frequency assumes instantaneous value, not mean; itis not limited by the Nyquist.
We can zoom the spectrum to any temporal andfrequency location.
Fourier vs. Hilbert Spectra
Adaptive basis, Data Driven
Time-frequency  spectrum
Physical meaningful frequency at both the highand low frequency ranges
Resolution of the frequency adjustable
Zoom capability
Marginal spectra for frequency and time.
Example
Uniformly distributed white noise
STD = 0.2
Data : White Noise STD = 0.2
Fourier Power Spectrum
IMF
Hilbert Marginal and Fourier Spectra
Non-zero mean data : DC components
Factor = 1
Effects on Frequency Resolution MHS
Normalized MHS
[ 10      20    50    100
 300   500  600    800]/1000
Effect Frequency Resolution : bin size
Normalized
Data
DataX
Data : IMF
IMFX
Fourier Spectra
FourierSpectraVariousWindows2
Fourier Spectra
FourierSpectraVariousWindows
Hilbert Spectra : Various F-Resolutions
HilbertMarginalSpectraVariousResolutions
Hilbert Amplitude Spectra : Various F-Resolutions
HilbertMarginalAmplitudeSpectraVariousResolutions
Example
Earthquake data
Earthquake data E921
Data
IMF EEMD2(3,0.2,100)
IMFeemd100
IMF EEMD2(3,0.1,10)
IMF EEMD2(3,0,1)
IMFeemd1
Different Frequency Resolutions
VS Fourier and Normalization
MHS and Fourier at full resolutions
MargHilbertFourierSpectraRaw
MHS and Fourier Normalized
MargHilbertFourierSpectraNormalized
MHS Smoothed and Normalized
MargHilbertFourierSpectraSmoothNormalized
MHS Different Frequency Resolutions
MargHilbertFourierSpectraRaw
MHS Different Resolutions Normalized
MargHilbertFourierSpectraNormalized
MHS EMD and EEMD
MHSEEMDvsEMD
Zoom
MHS 100 Ensemble
MHSFourierZoomNormal
MHS 100 Ensemble
MHSFourierMHvarBinZoomNormal
MH Amplitude Spectrum
MargHilbertAmplitudeFourierSpectra
10 Ensemble
Poor normalization
Fourier and Hilbert Marginal Spectra
Normalized
Effect of Filter size : Fourier
Hilbert Spectrum
Hilbert Spectrum
Hilbert Spectrum
Hilbert Spectrum
Marginal Spectra
Normalized
Zoom Effects
Normalized
Effect of bin size
Normalized
Effects of bin size and zoom
Normalized
Example
Delta-Function
Influence of the resolution of frequency on the Hilbert-Huang spectrum
[ 10      20    50    100
 300   500  600    800]/1000
Effects of Frequency Resolution
Fourier Energy Spectrum
Summary
Hilbert spectra are time-frequencypresentations.
The marginal spectra could have variousresolutions and zoom capability.
Hilbert marginal spectra could be smoothedwithout losing resolution drastically.
Another marginal Hilbert quantity is the time-energy distribution.
Summary
For long time, the Hilbert Marginal Spectrum was notdefined absolutely.
The energy and amplitude spectra were not clearlycompared; they are totally different spectra.
Clear conversion factor are given to makecomparisons between MHS and Fourier easily.
Conversion factor also was provided for MHS withdifferent Frequency resolutions.
In most cases the MHS in energy is very similar toFourier in case the data are from stationary andlinear processes, for the temporal has beenintegrated out.