1.從加性雜訊中提取信號

假設一個被測信號由理想信號 s(x) 和雜訊 n(x) 組成:

f(x)=s(x)+n(x)

這是一個加性雜訊的模型,假設雜訊和信號是獨立的。本節的目的是建立一個線性移不變(LSI)系統,將雜訊過濾並且以儘可能高的保真度保存信號。加性雜訊的模型如下圖所示,信號進過系統後,輸出為:

[g(x) = left[ {s(x) + n(x)} 
ight]*h(x)]

加性雜訊模型

令濾波為:

[H(xi ) = frac{{S(xi )}}{{S(xi ) + N(xi )}}]

那麼輸出結果為:

[G(xi ) = left[ {S(xi ) + N(xi )} 
ight]frac{{S(xi )}}{{S(xi ) + N(xi )}} = S(xi )]

這樣便去除了雜訊,從加性雜訊中把需要的信號提取出來了。但是這種情況是非常不切實際的,因為不可能直接得到該系統的 N(xi) ,如果直接得到了 N(xi) 就可以計算出 n(x) 並且進一步得到所需要的信號 s(x) 了。

那麼把濾波 H 改寫為:

[H(xi ) = frac{{S(xi )/N(xi )}}{{S(xi )/N(xi ) + 1}}]

根據這個表達式,當 [left| {S(xi )} 
ight| gg left| {N(xi )} 
ight|] (即信噪比SNR很高)時, [H 	o 1] ;當 [left| {S(xi )} 
ight| ll left| {N(xi )} 
ight|] (即信噪比SNR很低)時, [H 	o 0] 。可以利用這個特點對信號進行濾波,即對信號(理想信號加上雜訊)進行帶通濾波,在SNR高的地方是通帶,其他的地方為0。

2.均衡化

在幾乎每個現實場景中,記錄數據的測量系統都會對要測量的信號產生一些擾動。在許多情況下,這個過程的建模為線性系統,其中系統的輸入是待測量的未知信號 f(x) 並且輸出(記錄的)信息是 f(x)*h(x) 。 理論上來說,衝激響應 h(x) 可以通過校準來確定。那麼是否有可能消除系統的影響?比如說在音頻系統中使用的圖形均衡器就是一個例子。

系統記錄的信號 g(x)=f(x)*h(x)

進行傅里葉變換 G(xi)=F(xi)H(xi)

那麼如果對輸出信號進行反卷積,是否就能恢復待測信號,消除系統的影響呢?對輸出信號進行反卷積,有:

[F(xi ) = G(xi )frac{1}{{H(xi )}}]

那麼會出現一個問題,當 [H(xi ) 	o 0] 時, [frac{1}{{H(xi )}} 	o infty ] ,一點點小的雜訊會因為反卷積被放大,尤其是高頻部分。可以對頻率的帶寬進行限制進行均衡化濾波,保留低頻分量,濾除趨於0的高頻部分,這樣就可以得到一個更加合理(但仍然不完美)的待測信號反卷積重建。

均衡化濾波器頻率範圍為-5<ξ<5。經過反卷積重建的輸出信號的形狀與原始信號十分接近,但仍然得不到完美的重建信號。

3.匹配濾波器

匹配濾波器是一種特殊結構,旨在告訴觀察者是否存在特定信號。 匹配濾波器最初是為雷達信號處理而開發的,但後來應用到檢測和估算的每個領域,在這些領域中我們試圖找到嵌入雜訊和干擾的特定信號。 匹配濾波是基於相關性的信號處理過程。

假設我們所需要的特定信號 s(x) 可以由被探測器探測到的信號 f(x) 和雜訊 n(x) 組成:

s(x)=f(x)+n(x)

假設系統的衝激響應 h(x)=f^*(-x) ,那麼有:

[g(x)=s(x)*{f^*}( - x) = left[ {f(x)*{f^*}( - x)} 
ight] + left[ {n(x)*{f^*}( - x)} 
ight] = {gamma _f}(x) + {gamma _{nf}}(x)]

根據自相關與相關的性質(可參考文章《傅里葉光學(四)》),當輸入信號是想找到的特定信號時,相關度最高, g(x) 的值最大。


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