Критерий минимума среднеквадратической ошибки оценивания
применяется для выделения случайных
сигналов из помех, т.е. когда необходимо получить сигнал
, который как можно более точно
воспроизводил бы полезный информационный сигнал
. Здесь
и далее
обозначает оценку процесса
,
–
мгновенную ошибку оценивания.
Критерий максимума отношения сигнал/шум обычно применяется для решения задачи обнаружения или различения детерминированных сигналов. Пусть наблюдаемый сигнал
, где
–
детерминированный сигнал;
– аддитивный шум
наблюдения. Так как фильтр является линейной системой, то с учетом принципа
суперпозиции сигнал на выходе фильтра будет
, где
и
– отклики линейной системы соответственно
на
и
. Тогда
критерий максимума отношения сигнал/шум имеет вид
, где
–
отношение сигнал/шум, вычисленное для момента времени
,
– дисперсия шума
,
– 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
и шума
, т.е. определяется
формулой . Сигнал
полностью
известен. Это означает, что заданы его форма и время прихода. Шум
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
.
Выполним синтез фильтра, т.е. найдем импульсную характеристику фильтра, удовлетворяющую критерию . Пусть входной сигнал имеет спектральную плотность
, где
–
модуль спектральной плотности сигнала (амплитудный спектр),
– фаза спектральной плотности сигнала
(фазовый спектр).
Спектральная плотность сигнала на выходе фильтра с учетом и равна:
, где
–
комплексная частотная характеристика искомого фильтра,
и
– его амлитудно-частотная и фазо-частотная
характеристики. Взяв обратное преобразование Фурье от спектральной плотности
, получим сигнал
на
выходе фильтра:
.
В момент времени 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]:
.
Выполнив преобразование числителя в формуле с учетом , получим
.
Таким образом,
.
Неравенство перейдет в равенство, т.е. отношение
сигнал/шум достигнет максимума при
и
, где
– 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
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.