75615

ОПТИМАЛЬНАЯ И СОГЛАСОВАННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Оптимальная фильтрация Оптимальное выделение сигнала из шума можно проводить различными методами в зависимости от того какая задача ставится: обнаружение сигнала сохранение формы сигнала и т. В каждом методе оптимальной фильтрации вводится понятие критерия оптимальности согласно которому строится оптимальный алгоритм обработки сигнала. Оптимальный фильтр КолмогороваВинера Фильтры низкой частоты высокой частоты и полосовые фильтры эффективны в том случае когда частотные спектры сигнала и шума не...

Русский

2015-01-15

170.5 KB

56 чел.

ОС. Лекция 9.

ОПТИМАЛЬНАЯ И СОГЛАСОВАННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Оптимальная фильтрация

Оптимальное выделение сигнала из шума можно проводить различными методами, в зависимости от того, какая задача ставится: обнаружение сигнала, сохранение формы сигнала и т.д. В каждом методе оптимальной фильтрации вводится понятие критерия оптимальности, согласно которому строится оптимальный алгоритм обработки сигнала.

Передаточная функция оптимального фильтра, предназначенного для обнаружения прямоугольного импульса длительностью

Блок-схема устройства

где  - интегратор,  - элемент временной задержки.

Рис. 4

Оптимальный фильтр в данном случае решает задачу обнаружения одиночного импульса конечной длительности. Форма и амплитуда импульса после фильтра будут искажены.


Оптимальный фильтр Колмогорова-Винера

Фильтры низкой частоты, высокой частоты и полосовые фильтры эффективны в том случае, когда частотные спектры сигнала и шума не перекрываются.

Наилучшее разделение сигнала и шума цифровыми методами обеспечивает оптимальный фильтр Колмогорова-Винера.

Частотная характеристика фильтра Колмогорова-Винера:

                              H(w) = Ws(w) / [Ws(w)+Wq(w)] 

где Ws(w) и Wq(w) - энергетические спектры (плотности мощности) сигнала и помех.

На рис. 1.9 и 1.10 приведены примеры фильтрации сигналов вида одиночного импульса и синусоидального сигнала ограниченной длительности.

                            А                                                             Б

                                               

Рис. 1.9. Исходный сигнал с шумом (А) и после фильтра (Б).

           А                                                                  Б

Рис. 1.10. Частотная характеристика  оптимального фильтра  (А) и сигнал после фильтра (Б).

Программа оптимального фильтра Колмогорова - Винера

A=20; %амплитуда сигнала

Q=20; %амплитуда шума

Fs=1024;

N=1024;%количество точек расчета

for k=1:N %цикл вычисления сигнала и шума

%s1(k)=A*exp(-0.00003*(k-500)^2.0); %колоколообразный сигнал

%s1(k)=A*sin(2*pi*12*k/1000.0)%синусоидальный сигнал

s1(k)=0;

if (k>400)&(k<600) % сигнал прямоугольной формы

  s1(k)=A;

end   

q(k)=Q*(randn(size(Fs))); %шум

x1(k)=s1(k)+q(k); % суммирование сигнала и шума

end

Y=fft(s1,N)/N; %БПФ сигнала без шума

SS1=Y.*conj(Y)/Fs; %спектр мощности сигнала без шума

Y1=fft(q,N)/L; %БПФ  шума

SS2=Y1.*conj(Y1)/N; %спектр мощности  шума  

for i=1:N    

H(i)=SS1(i)/(SS1(i)+SS2(i)); %передаточная функция оптимального %фильтра в частотной области

end  

i=1:N

XX1=fft(x1,N); %частотный спектр сигнала с шумом

Z=ifft(XX1.*H);   %свертка зашумленного сигнала с частотной характеристикой фильтра

%i=1:N 

%h=ifft(H); %импульсная характеристика фильтра Колмогорова-Винера

%XX2=conv(x1,h); %свертка зашумленного сигнала с импульсной характеристикой фильтра (второй способ)


Согласованная фильтрация

Цифровая обработка сигналов решает две основные задачи: обнаружение и определение параметров зашумленного сигнала. Задача может состоять и только в обнаружении сигнала, вид которого известен. В этом случае может быть использована согласованная фильтрация, т.е. применен фильтр, «настроенный» точно под ожидаемый вид сигнала.

Для того, чтобы вычислить выходной сигнал фильтра, нужно выполнить операцию свертки массива частотного спектра F входного сигнала с частотной характеристикой фильтра H с помощью функции обратного преобразования Фурье, например, Z=ifft(F.*H),  или операции свертки массива входного сигнала x с импульсным откликом фильтра h, например: Z = conv(x,h).

Частотная характеристика согласованного фильтра вычисляется "по частотному спектру сигнала" как комплексно сопряженный массив с помощью функции conj, например: Kf=conj(F). Здесь F- частотный спектр сигнала, Kf-частотная характеристика  фильтра, согласованного с этим сигналом.

Ниже приведен пример использования согласованного фильтра для обнаружения линейно-частотно-модулированного сигнала (ЛЧМ-сигнала). Здесь цифровая обработка применяется не к самому ЛЧМ-сигналу (рис.1.13А), а к его частотному спектру, который представляет собой широкополосный сигнал в частотной области ( рис. 1.13Б)

                  А                                                                 Б

              Рис. 1.13. Вид ЛЧМ-сигнала (А) и его частотного спектра (Б)                                                                          

На рис. 1.14А приведен вид сигнала на выходе согласованного фильтра для случая, когда ЛЧМ-сигнал точно соответствует по форме тому, на который настроен фильтр. При зашумлении ЛЧМ-сигнала или его спектра форма отклика на выходе согласованного фильтра сохранится (см. рис. 1.14Б), что и дает возможность обнаруживать ЛЧМ-сигнал на фоне шумов .

Обратите внимание, что форма сигнала, полученного с выхода согласованного фильтра, не имеет ничего общего с формой ЛЧМ-сигнала (и определить параметры ЛЧМ-сигнала  по нему невозможно). Кроме того, если

Рис. 1.14. Пример выходного сигнала согласованного фильтра при незашумленном (А) и зашумленном (Б) сигнале на входе                                                                              

ЛЧМ-сигнал будет отличаться по ширине полосы или по центральной частоте от того, на который "настроен" согласованный фильтр, то определить параметры ЛЧМ-сигнала по выходному сигналу согласованного фильтра будет сложно (см. рис. 1.15). На рис. 1.15А приведен вид выходного сигнала согласованного фильтра для случая, когда ЛЧМ-сигнал отличается по ширине полосы, на рис. 1.15Б  - по ширине полосы и по центральной частоте.

Рис. 1.15. Вид выходного сигнала согласованного фильтра для случаев, когда ЛЧМ-сигнал отличается по ширине полосы (А) и по ширине полосы и по центральной частоте (Б).                                                                         

Ниже приведена программа моделирования согласованной фильтрации ЛЧМ-сигналов.

Программа согласованного фильтра

%Моделирование и согласованная фильтрация ЛЧМ-сигнала

%для случая, когда принимаемый ЛЧМ-сигнал НЕ соответствует %ожидаемому по ширине полосы частот и/или по центральной частоте

%Для того, чтобы вычислить выходной сигнал фильтра, нужно %выполнить операцию свертки массива частотного спектра X1 %входного сигнала с частотной %характеристикой фильтра H с %помощью функции обратного преобразования Фурье, %например:Z=ifft(X1.*H)или операции свертки массива входного %сигнала с импульсным откликом фильтра,например: Z = conv(x1,h)

%Частотная характеристика СОГЛАСОВАННОГО фильтра вычисляется "по %частотному %спектру сигнала" с помощью функции conj, например: %Kf=conj(F1).

%Здесь F1- частотный спектр сигнала,Kf-частотная характеристика  фильтра,СОГЛАСОВАННОГО с этим сигналом. Обратите внимание, что %ФОРМА сигнала, полученного с выхода СОГЛАСОВАННОГО фильтра,

% отличается от формы ЛЧМ-сигнала

 

ts=1*10^(-2); %интервал времени

f0=9.5*10^3; %центральная частота

dfs=1*10^4; %девиация частоты

B=dfs*ts;

A0=1; %амплитуда

fn=f0-dfs/2; %нижняя частота

fv=f0+dfs/2; %верхняя частота

w0=2*pi*f0; %центральная угловая частота

wn=2*pi*fn; %нижняя угловая частота

fi0=0;

b0=2*pi*dfs/ts;

k=5; %количество точек за период максимальной частоты

dt=1/(k*(2*fv));  %шаг дискретности по времени

j=sqrt(-1);

N=round(ts/dt); %число отсчетов при заданном интервале времени и %шаге дискретности

N2=2^nextpow2(N); %вычисление ближайшего целого, %соответствующего 2^n (чтобы применять БПФ)

dt=ts/N2; %скорректированный шаг дискретности по времени

t=0:dt:dt*(N2-1);

s=A0*exp(-j*(wn*t+0.5*b0*t.^2+fi0));%моделирование первого ЛЧМ-сигнала

s1=A0*exp(-j*(wn*1.3*t+0.5*b0*1.1*t.^2+fi0));%моделирование второго  ЛЧМ-сигнала

%коэффициент 1.1 у b0 вызывает расширение полосы частот

%коэффициент 1.3 у wn будет вызывать смещение центральной частоты

figure

plot(t,s);

title('Первый ЛЧМ-сигнал')

xlabel('Номер отсчета')

figure

plot(t,s1);

title('Второй ЛЧМ-сигнал')

xlabel('Номер отсчета')

 

F1=fft(s,N2) % ППФ (прямое преобразование Фурье) первого

% ЛЧМ сигнала, т.е. получение его частотного спектра

FR1=(1/N2)*abs(F1); % амплитудный спектр

figure

plot(abs(F1));

A0*sqrt(pi/2/b0)/dt*2

title('Част. спектр первого ЛЧМ-сигнала')

xlabel('Номер отсчета')

F2=fft(s1,N2) % ППФ (прямое преобразование Фурье) второго ЛЧМ сигнала,

%т.е. получение его частотного спектра

FR2=(1/N2)*abs(F2); % амплитудный спектр

figure

plot(abs(F2));

A0*sqrt(pi/2/b0)/dt*2

title('Част. спектр втрого ЛЧМ-сигнала')

xlabel('Номер отсчета')

 

%реализация согласованной фильтрации

%фильтр согласован с первым ЛЧМ сигналом

shum=100;

%F1=fft(s,N2); % ППФ первого ЛЧМ сигнала

Kf=conj(F1); % частотная функция передачи согласованного фильтра %по первому ЛЧМ-сигналу

i=1:N2

F1(i)=F1(i)+shum*rand(1); %зашумляем спектр первого сигнала

F2(i)=F2(i)+shum*rand(1); %зашумляем спектр второго сигнала

figure

plot(i,F1);

title('Зашумл. част. спектр ЛЧМ-сигнала')

xlabel('Номер отсчета')

Fv=F2.*Kf; % свертка спектра второго ЛЧМ-сигнала с частотной %характеристикой согласованного фильтра. Вычисление сигнала %после фильтра как ifft(Fv).

%fftshift и пр. - для наглядности результата и приведения к "правильной" амплитуде

Sv=real(fftshift(ifft((Fv)))); %Shift zero-frequency component to center of spectrum

Sv1=A0*sqrt(B)*Sv/max(Sv);% приведение к "правильной" амплитуде  

Sv2=sqrt(B)*(1/N2)*(1/A0)*real(fftshift(ifft((Fv))));

% приведение к правильной амплитуде figure

plot(Sv2);

title('Спектр ЛЧМ после согласованного фильтра')

xlabel('Номер отсчета')

pause;

close all;


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65286. Підвищення продуктивності роботи тягодуттьового обладнання котельних установок на основі нових критеріїв проектування 164 KB
  Відповідно до поставленої мети сформульовані наступні задачі: проаналізувати існуючі способи підвищення продуктивності роботи тягодуттьових машин і аеродинамічних систем; провести дослідження впливу неактивних зон у типових елементах...
65287. ФОРМУВАННЯ МОДИФІКОВАНИХ ШАРІВ З УЛЬТРАДИСПЕРСНОЮ ЛИТОЮ СТРУКТУРОЮ В ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ СТАЛЯХ ПОВЕРХНЕВОЮ ПЛАЗМОВОЮ ОБРОБКОЮ 1.26 MB
  Проте останнім часом все більша увага дослідників приділяється розробці нових технологій поверхневої модифікації з отриманням шарів з ультратонкою литою структурою при оплавленні сталей і сплавів ВКДН.
65288. Експериментальне дослідження просторово-часових характеристик завад від морської поверхні й неоднорідностей тропосфери для оптимізації пристроїв обробки сигналів радіотехнічних систем 982 KB
  Проблема забезпечення безпечного судноводіння в умовах обмеженої видимості й у складних метеоумовах належить до однієї з найбільш затребуваних завдань сучасної навігації. При цьому використанню радіолокаційних засобів немає альтернатив, тому що виявлення...
65289. Швидкий пошук різноформатних даних в граничних режимах систем управління 845 KB
  Сучасний розвиток промисловості характеризується зростанням вимог до інформаційного забезпечення інтеґрованого організаційно-адміністративного управління на верхньому рівні ієрархії та жорсткими вимогами...
65290. Творчість Палладія Еленопольського в контексті формування ідеалів християнського життя: історико-соціальний аспект 208.5 KB
  Актуальність роботи зумовлюється і тим що дослідження процесу використання біблійних текстів у конструюванні християнського дискурсу за часів Пізньої Античності є відносно новими і нечастими; ця сфера історичних досліджень лише нині почала активно розвиватися в зарубіжній історіографії...
65291. ФОРМУВАННЯ ФАХОВОЇ КОМПЕТЕНТНОСТІ МАЙБУТНІХ ІНЖЕНЕРІВ-МЕТАЛУРГІВ У ПРОЦЕСІ ВИВЧЕННЯ ПРОФЕСІЙНО ОРІЄНТОВАНИХ ДИСЦИПЛІН 217 KB
  Необхідність підвищення рівня фахової компетентності майбутніх інженерівметалургів зумовлена інтенсивною модернізацією вітчизняного металургійного...
65292. Формування дослідницьких умінь студентів технічних університетів у процесі вивчення професійно-орієнтованих дисциплін 538.5 KB
  Критерії: 1 мотиваційно-ціннісний 2 когнітивний 3 діяльнісний формування ціннісного ставлення до дослідницької діяльності; створення в технічному університеті професійнодослідницького середовища; забезпечення...
65293. Підвищення ефективності процесу електродугового наплавлення шляхом використання комбінованих магнітних полів 2.57 MB
  Встановлення особливостей впливу КМП на процеси утворення форми посилення валика та форми проплавлення основного металу при дуговому наплавленні під флюсом дасть можливість розробити рекомендації для вибору оптимальних параметрів...
65294. ФОРМУВАННЯ ЗАГАЛЬНОТЕХНІЧНИХ ЗНАНЬ У ПРОЦЕСІ ПРОФЕСІЙНОЇ ПІДГОТОВКИ МАЙБУТНІХ УЧИТЕЛІВ ТЕХНОЛОГІЙ 221.5 KB
  Нерозробленість даної проблеми наявні протиріччя обумовили вибір теми дисертаційного дослідження: Формування загальнотехнічних знань у процесі професійної підготовки майбутніх учителів технологій.