Передаточная характеристика оптимального (согласованного) фильтра

Синтез оптимального фильтра – это отыскание передаточной характеристики устройства, обеспечивающего оптимизацию сигнал/шум на выходе .

Т. е. задача сводится к отысканию АЧХ и ФЧХ устройства.

Естественно результаты синтеза будут ограниченны входными данными.

Пусть сигнал s(t) действует на фоне шума с постоянным энергетическим спектром (белый шум). Введем в рассмотрение время t₀ – это время в которое производится фиксация уровня сигнал/шум. Выходной сигнал представим в виде:

Среднеквадратическое значение помехи на выходе фильтра:

,

где W(w) – энергетический спектр помехи.

Отсюда следует: .

Необходимо, чтобы это соотношение было максимальным. Для этого воспользуемся неравенством Гуляковского-Шварца: . Это неравенство обращается в равенство только при выполнении условия , где А – произвольный постоянный коэффициент.

В нашем случае: , . Отсюда:

Таким образом:

Учитывая, что выражение в квадратных скобках есть полная энергия входного сигнала Э, запишем окончательное выражение: .

Это неравенство обращается в равенство при выполнении условия:

Откуда: .

Фильтр с таким коэффициентом передачи называется фильтр согласованный с сигналом. Он обеспечивает на выходе максимально возможное соотношение:

.

АЧХ: , ФЧХ: .

Коэффициент А – размерный коэффициент который приводит к безразмерному коэффициенту передачи. Добавление wt₀ делается для выделения всей энергии сигнала.

Вывод: фильтр обеспечивает максимально возможное соотношение сигнал/шум на выходе за счет:

1. Условие компенсации начальных фаз гармонических составляющих сигнала, так как ФЧХ фильтра равна и противоположна по знаку ФЧХ сигнала.

2. За счет совпадения формы K(w) и S(w) фильтр пропускает составляющую шума неравномерно, что приводит к уменьшению шума на выходе.

3. Сигнал ослабляется слабее, чем шум. Это приводит к максимуму отношения сигнал/шум на выходе.

Импульсная характеристика согласованного фильтра

Импульсная характеристика: .

Учитывая, что и вводя новою переменную , получим:

.

Т. е. если задан сигнал s(t), то импульсная характеристика определяется как:

.

Построение графика функции s(t₀––t): кривая s(-t) является зеркальным отражением заданного сигнала s(t). Функция же s(t₀—t) сдвинута относительно s(-t) на величину t₀ вправо, также зеркальна по отношению к исходному сигналу s(t), с осью симметрии проходящей через точку t₀/2.

Так как импульсная характеристика не может быть отрицательной, то t₀ не может быть меньше , чем Т_с (длительность сигнала).

При увеличении t₀ возрастание сигнала не будет, а будет наблюдаться сдвиг сигнала вправо. Условие t₀³Т_с накладывает на сигнал требование его конечной длительности.

Вывод: Применение согласованной фильтрации возможно при импульсном сигнале или ограниченной по времени пачке импульсов.

Оценка реализуемости согласованного фильтра.

Пусть задан сигнал s(t), которому соответствует импульсная характеристика согласованного фильтра и преобразование Фурье от этой функции К(jw). Возникает вопрос, при каких условиях К(jw) может являться передаточной функцией физически осуществимого устройства.

Для анализа будет использовать критерий Пэли-Винера: , где w –– безразмерная нормированная величина (а не частота). Интеграл должен быть сходящимся.

Критерий Пэли-Винера является необходимым, но недостаточным. Он оставляет открытым вопрос о структуре согласованного фильтра. Но из него следует:

1. АЧХ фильтра должна быть интегрируемой в квадрате: . При выполнении этого условия будет возрастать медленнее, чем , что необходимо для сходимости интеграла.

2. АЧХ может быть равной 0 только на некоторых дискретных частотах, но не в конечной полосе частот. В связи с этим фильтры с П-образной АЧХ нереализуемы.

3. Передаточная функция при w>0 реализуема, так как растем медленнее, чем .