Критерий минимума среднеквадратической ошибки оценивания
 применяется для выделения случайных
сигналов из помех, т.е. когда необходимо получить сигнал
                       применяется для выделения случайных
сигналов из помех, т.е. когда необходимо получить сигнал  , который как можно более точно
воспроизводил бы полезный информационный сигнал
, который как можно более точно
воспроизводил бы полезный информационный сигнал  . Здесь
и далее
. Здесь
и далее  обозначает оценку процесса
 обозначает оценку процесса  ,
,  –
мгновенную ошибку оценивания.
 –
мгновенную ошибку оценивания.
Критерий максимума отношения сигнал/шум обычно применяется для решения задачи обнаружения или различения детерминированных сигналов. Пусть наблюдаемый сигнал
 ,                                  где
,                                  где  –
детерминированный сигнал;
 –
детерминированный сигнал;  – аддитивный шум
наблюдения. Так как фильтр является линейной системой, то с учетом принципа
суперпозиции сигнал на выходе фильтра будет
 – аддитивный шум
наблюдения. Так как фильтр является линейной системой, то с учетом принципа
суперпозиции сигнал на выходе фильтра будет
 , где
, где  и
 и  – отклики линейной системы соответственно
на
 – отклики линейной системы соответственно
на  и
 и  . Тогда
критерий максимума отношения сигнал/шум имеет вид
. Тогда
критерий максимума отношения сигнал/шум имеет вид
 ,                                   где
,                                   где  –
отношение сигнал/шум, вычисленное для момента времени
 –
отношение сигнал/шум, вычисленное для момента времени  ,
,
 – дисперсия шума
 – дисперсия шума  ,
,
 – импульсная характеристика искомой линейной системы. Как будет показано
далее, фильтр, синтезированный по этому критерию, существенно искажает форму
сигнала.
 – импульсная характеристика искомой линейной системы. Как будет показано
далее, фильтр, синтезированный по этому критерию, существенно искажает форму
сигнала.
Сформулируем исходные данные для
синтеза фильтра, максимизирующего отношение сигнал/шум  .
.
Пусть наблюдаемый сигнал  представляет собой аддитивную смесь сигнала
представляет собой аддитивную смесь сигнала
 и шума
 и шума  , т.е. определяется
формулой . Сигнал
, т.е. определяется
формулой . Сигнал  полностью
известен. Это означает, что заданы его форма и время прихода. Шум
 полностью
известен. Это означает, что заданы его форма и время прихода. Шум  является белым шумом с нулевым математическим
ожиданием и ковариационной функцией
 является белым шумом с нулевым математическим
ожиданием и ковариационной функцией
 .
.                                    
Требуется синтезировать физически
осуществимый линейный фильтр с постоянными параметрами, обеспечивающий на
выходе в заданный момент времени  наибольшее возможное
отношение квадрата пикового значения сигнала к дисперсии шума
 наибольшее возможное
отношение квадрата пикового значения сигнала к дисперсии шума
 .
.                                 
Выполним синтез фильтра, т.е. найдем импульсную характеристику фильтра, удовлетворяющую критерию . Пусть входной сигнал имеет спектральную плотность
 ,                   где
,                   где  –
модуль спектральной плотности сигнала (амплитудный спектр),
 –
модуль спектральной плотности сигнала (амплитудный спектр),  – фаза спектральной плотности сигнала
(фазовый спектр).
 – фаза спектральной плотности сигнала
(фазовый спектр).
Спектральная плотность сигнала на выходе фильтра с учетом и равна:

 ,                   где
,                   где  –
комплексная частотная характеристика искомого фильтра,
 –
комплексная частотная характеристика искомого фильтра,  и
 и
 – его амлитудно-частотная и фазо-частотная
характеристики. Взяв обратное преобразование Фурье от спектральной плотности
 – его амлитудно-частотная и фазо-частотная
характеристики. Взяв обратное преобразование Фурье от спектральной плотности  , получим сигнал
, получим сигнал  на
выходе фильтра:
 на
выходе фильтра:

 .
.        
В момент времени  сигнал на выходе фильтра
 сигнал на выходе фильтра

 .
.       
При действии на вход линейного фильтра белого шума со спектральной плотностью мощности дисперсия шума на выходе фильтра с учетом
 .
.                             
Подставив  и  в , получим выражение для отношения
сигнал/шум на выходе линейного фильтра в момент времени  :
:

 .
.                                         
Задача определения оптимальной
комплексной частотной характеристики фильтра  связана
с нахождением экстремума . Для этого используем неравенство
Буняковского–Шварца [8]:
 связана
с нахождением экстремума . Для этого используем неравенство
Буняковского–Шварца [8]:
 .
.           
Выполнив преобразование числителя в формуле с учетом , получим


 .
.
Таким образом,

 .
.                                    
Неравенство  перейдет в равенство, т.е. отношение
сигнал/шум  достигнет максимума при
 достигнет максимума при
 и
                                   и
 ,                             где
,                             где  – не
равная нулю некоторая произвольная постоянная величина.
 – не
равная нулю некоторая произвольная постоянная величина.
Таким образом, комплексная частотная характеристика оптимального фильтра, удовлетворяющего критерию , равна


 .
.                            
Фильтр с комплексной
частотной характеристикой  называется
согласованным, так как его амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики
согласованы с амплитудным и фазовым спектрами входного сигнала. Фазочастотная
характеристика согласованного фильтра отличается от фазового спектра входного
сигнала только знаком и линейной функцией частоты  , а его
амплитудно-частотная характеристика с точностью до константы равна амплитудному
спектру входного сигнала. Сомножитель
, а его
амплитудно-частотная характеристика с точностью до константы равна амплитудному
спектру входного сигнала. Сомножитель  в  представляет
собой комплексную частотную характеристику линии задержки сигнала на
 в  представляет
собой комплексную частотную характеристику линии задержки сигнала на  .
. 
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.