- •7. Элементы теории статистического синтеза оптимальных радиотехнических устройств
- •7.1. Классификация задач оптимальных методов радиоприема
- •7.2. Апостериорная плотность вероятности
- •7.3. Линейная фильтрация
- •7.4. Линейная оптимальная фильтрация по критерию максимума отношения сигнал/шум
- •7.5. Оптимальная фильтрация стационарных случайных сигналов
- •7.6. Фильтрация Калмана
- •Методические указания
- •Список литературы
7.2. Апостериорная плотность вероятности
Как видно из п. 7.1, решение задач оптимального радиоприема проводится на основе априорных (предварительных) сведений о подлежащем приему колебании и соответствующей обработки реализации принятого колебания. Естественно, что по сравнению с априорными сведениями, знания о принятом колебании увеличиваются при анализе его принятой реализации. При этом вновь сформированное знание называется апостериорным.
Пусть производиться наблюдение над реализацией колебания
(7.1)
причем регистрируются значения колебания
в дискретные моменты времени
.
Полученная последовательность отсчетов
как известно, описывается совместной
плотностью вероятности
.
Полезный сигнал зависит от одного неизвестного параметра , имеющего априорную плотность вероятности pапр( ). Знание отсчетов u1,u2...um увеличивает информацию о значении параметра сигнала . При этом вся вновь приобретаемая информация о параметре содержится в условной плотности вероятности
которую и называют апостериорной плотностью вероятности.
Для совместной плотности вероятности параметра и отсчетов u1,u2...um в соответствии с теоремой умножения вероятностей имеем:
Принимая во внимание второе равенство и учитывая, что не зависит от параметра , для апостериорной плотности вероятности имеем:
(7.2)
где коэффициент k определяется из условия нормировки.
В теории оптимальных методов радиоприема
условная плотность
из выражения (7.2), рассматриваемая как
функция от
,
носит название функции правдоподобия.
Такое название можно объяснить тем, что
при фиксированных
данная функция показывает, насколько
одно возможное значение параметра
более правдоподобно, чем другое. Обозначим
эту функцию через П(
):
П(
)=
.
В этом случае выражение (7.2) запишется в виде:
pапос( )=kPапр( )П( ), (7.3)
где из условий нормировки
(7.4)
где
множество возможных значений параметра
.
Если параметр принимает конечное или счетное число значений, то в выражении (7.4) интеграл заменяется конечной или бесконечной суммой соответственно.
Обычно полагают, что априорная плотность
вероятности
параметра
известно, поэтому нахождение апостериорной
плотности вероятности pапос(
)
параметра
сводится к вычислению функции правдоподобия
П(
).
Если принимаемое колебание представляет
собой аддитивную смесь (7.1) полезного
сигнала s(t,
)
и шума
и
известна многомерная плотность
вероятности шума
то функция правдоподобия находится
довольно просто [5, с. 19-21]. В противном
случае вычисление функции правдоподобия
представляет весьма сложную задачу.
7.3. Линейная фильтрация
Для устранения вредного влияния шума
на полезный сигнал можно применить
частотно-избирательный линейный
стационарный фильтр. Действительно,
пусть сигнал обладает узкополосным
энергетическим спектром, сосредоточенным
в районе центральной частоты
,
а спектральная плотность мощности шума
занимает более широкую полосу частот.
Тогда фильтр, модуль
частотного коэффициента передачи
которого большой и равномерный в области
сосредоточения энергетического спектра
сигнала и мал на остальных частотах,
будет заметно увеличивать относительную
долю сигнала в результирующем колебании
на выходе такого фильтра. Перейдем
теперь от предварительных качественных
замечаний к количественному описанию.
Положим, что на входе фильтра действует
аддитивная смесь
полезного сигнала
и шума
:
= + .
Кроме того, пусть сигнал и шум представляют собой некоррелированные и стационарные в широком смысле процессы, у которых средние значения равны нулю.
В таком случае интенсивность колебаний на входе фильтра будем характеризовать значением среднего квадрата (средней мощности):
где угловые скобки обозначают усреднение как по времени (для эргодических процессов), так и по ансамблю реализаций.
Однако ввиду некоррелированности
сигналов
и
третье слагаемое
и поэтому средний квадрат входного
сигнала равен сумме средних квадратов
полезного сигнала и шума:
где
-
дисперсия шума на входе фильтра.
Следовательно, относительный уровень
полезного сигнала
по сравнению с шумом
на входе фильтра можно охарактеризовать
так называемым отношением сигнал/шум
.
Поскольку процессы
и
стационарные, то их средние квадраты
не зависят от времени и отношение
сигнал/шум
представляет
собой безразмерное число. Отношение
сигнал/шум можно выразить и в логарифмических
единицах (децибелах):
Поскольку линейный фильтр удовлетворяет
принципу суперпозиции, то на выходе
получим колебание
,
также представляющее собой аддитивную
смесь преобразованных фильтром независимо
полезного сигнала
и шума
:
= + .
Как следует из теории вероятностей, в этом случае и также будут некоррелированы и поэтому средний квадрат выходного колебания
Далее также, как и на входе фильтра, можно определить отношение сигнал/шум на выходе фильтра:
(7.5)
или в логарифмических единицах
Введем в рассмотрение величину
которая носит название выигрыша фильтра по отношению сигнал/шум. Выигрыш фильтра Мф также можно выразить в децибелах:
Ясно, что положительный результат от воздействия фильтра на входное колебание будет лишь в том случае, если Мф >1 или mф>0.
Рассмотрим широко используемую в радиотехнике математическую модель узкополосного сигнала:
где Ak
амплитуда;
- частота и
начальная фаза k-й
гармонической компоненты сигнала.
Найдем среднюю мощность этого сигнала,
проведя усреднение по времени:
Если такой сигнал проходит через линейный
фильтр с частотным коэффициентом
передачи
то средняя мощность сигнала на выходе
(7.6)
Используя понятие одностороннего
спектра мощности
стационарного случайного процесса, для
дисперсии шума
можем записать:
Тогда дисперсия шума на выходе фильтра
(7.7)
Подставив выражения (7.6) и (7.7) в формулу (7.5), находим выражение для отношения сигнал/шум на выходе фильтра:
Зная спектры сигнала и шума с помощью
этой формулы можно подобрать АЧХ
линейного стационарного фильтра таким
образом, чтобы получить требуемый
выигрыш Мф
фильтра по отношению сигнал/шум. При
этом следует иметь в виду, что и сам
полезный сигнал
при прохождении через фильтр претерпевает
определенные изменения. Поэтому фильтр
необходимо подбирать таким образом,
чтобы достичь требуемого значения Мф
и не допустить существенных искажений
сигнала. Конкретные требования как к
значению выигрыша Мф,
так и к допустимому уровню искажений
полезного сигнала фильтром зависят от
назначения конкретной радиосистемы.
