Для случая, когда и
– стационарные
взаимно-некоррелированные процессы с известными энергетическими спектрами
и
,
задача была решена независимо друг от друга А.Н. Колмогоровым и Н. Винером,
поэтому оптимальный (в указанном смысле) линейный фильтр называют фильтром
Колмогорова _Винера. Фильтр физически реализуем, если его импульсная характеристика
равна нулю при отрицательных значениях аргумента. Фильтр будет оптимальным,
если ошибка некоррелирована с входным сигналом для всех значений
:
. (6.7)
Для реализуемого фильтра , а для нереализуемого
.
Фильтр будет оптимальным, если его импульсная характеристика удовлетворяет уравнению Винера-Хопфа
.
Уравнение легко решается для нереализуемых фильтров,
когда . Применив преобразование Фурье к
обеим частям, получим
.
Отсюда частотный коэффициент передачи оптимального линейного фильтра
или в более общем случае, когда учитывается задержка в фильтре,
. (6.8)
Ошибка при этом
.
Ошибка равна нулю только в
том случае, когда , т.е. спектры сигнала и
помехи не перекрываются. Во всех остальных случаях оптимальный фильтр
пропускает различные частоты с тем меньшим весом, чем больше отношение
при данной частоте. Увеличивая время
запаздывания, можно приблизиться к (6.7) и в случае реализуемого фильтра.
Если требуется реализовать фильтр без существенного запаздывания, то задача существенно усложняется. В этом случае используют выражение для частотного коэффициента передачи (6.7) и раскладывают его на несколько составляющих, выделяя оптимальную реализуемую часть. В общем случае оптимальным по критерию минимума среднеквадратической ошибки является нелинейный фильтр. Исключение представляет случай, когда сигнал и помеха являются гауссовскими. для них оптимальный фильтр всегда линеен.
Фильтр Колмогорова-Винера является оптимальным для выделения (оценки) стационарного сигнала. Модулированные сигналы имеют конечную длительность и не являются стационарными.
Существует другой подход к синтезу оптимального
фильтра: определяют не сами характеристики оптимального фильтра, а
дифференциальные уравнения, моделирующие этот фильтр. В теории линейной
фильтрации такой подход был применен Калманом и Бьюси. Условие стационарности
сигнала и помехи при этом не является обязательным. Дополнительно
предполагается, что фильтруемое сообщение порождается
линейным стохастическим дифференциальным уравнением
. (6.9)
Физически это означает, что
сообщение рассматривают как результат прохождения
стационарного белого шума
через линейную
цепь, в данном случае через интегрирующую RC
цепочку с постоянной
. Сформированное таким
образом сообщение является гаусссовским марковским процессом с функцией
корреляции
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.