Файл: Френкс, Л. Теория сигналов.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 144

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

I + XPS = j

Kxx (/) df—2 j Kxx (f) G* (f) Я* (/) df +

 

----00

— o o

 

00

oo

 

f $ Kxx(f)\G(f)\*\H(f)\*df + $ K uu(f)\H(f)\*df +

 

—00

—00

 

 

oo

(9.24)

 

+ X $ Kxx(h\G(f)\*df.

Полагая градиент / + XPs при вариации Я (f) равным нулю, полу­ чаем уравнение

2Кхх (/) | G (/) р Я (f) - 2Kxx (f) G* (/) + 2Кии (/) Н (f) = 0. (9.25)

уСтационарный в сиироном смысле шум

снулевым средним, К (ff

Рис. 9.3. Оптимальная фильтрация с предыскажающим и приемным филь­ трами (Р„ — мощность сигнала).

Аналогично, вычислив градиент по G (/) и полагая его равным нулю, имеем

2Кхх (f) | Я (/) р G0f ) - 2 Kxx (/) Я* (/) + 2ХКии (/) G(/) = 0. (9.26)

Чтобы найти совместное решение (9.25) и (9.26), умножим (9.25) на Я* (f), а (9.26) на G* (/) и вычтем друг из друга. Тогда получим

Kuu(f)\H(f)\* = XKxx(f)\G(f)\\

(9.27)

Из (9.27) ясно, что величина X положительна. Как следует далее из (9.26), произведение G* (f)H* (/) вещественно и неотрицательно. Поэ­ тому G (/)Я (/) = | G (/)Я (/) | = | G(/) | | Я (/) |. В результате, комбини­ руя (9.27) с (9.25) или (9.26), можно получить решение:

|Я(/)Р =

'

U * s ( / ) ] » / 2

х

 

.

к ии (!) J

для /6 В,

I G(/) Р =

-KUg(f)V ^

Киа (])

 

 

ХКхх (!)_

Кхх (!)

 

я (/)|= |о .(/)| =

о для /е я ',

(9.28)

где Я — область частот, в которой отношение

плотности сигнала

к плотности шума превышает некоторый порог; Я'

дополнение Я, т. е.

232


B\JB' = R, Bf[B’ = 0 .

KXX(/) ^

^

(9.29)

Kuuif)

 

 

.

Объяснение этого результата состоит в том, что лучше не расходовать допустимую мощность сигнала на те частотные участки, где отношение сигнал/шум слишком мало. Нетрудно понять и причину того, что уравнения содержат только модули передаточных функций. Средний квадрат ошибки, обусловленной искажениями сигнала,

оо

$ Kxx(f)\l-G(f)H(f)\*df

минимален при нулевой фазе произведения G (/)Я (/), а ошибка, свя­ занная шумом, не зависит от фазы Я (/). Поэтому Я (/) может иметь произвольную фазу при условии, что фаза G (/) дополнительна (соп­ ряжена) с фазой Я (/).

Теперь,

выбирая X так,

чтобы удовлетворить условию ограничения

мощности

(9.23), находим

 

 

 

 

Я'/2 =

J 1КХХ(П Kuu(f)]i/2df

 

 

_В-------------------------

(9.30)

 

 

 

PS+ PN

 

 

 

 

 

 

где PN — J Кии (/) df — мощность шума,

содержащаяся

в полосе

 

в

 

 

(9.28) и (9.17),

получаем

пропускания фильтров. Объединяя (9.30),

минимальный средний

квадрат ошибки:

 

 

 

{ j

lKxx(f)Kuu(f)]l/2df\2

 

 

 

I min ~ —--------------- --------- — + l K xxi!)df.

(9.31)

Если отношение сигнал/шум в канале достаточно велико,

то X мало

и, как видно из (9.28), передающий и приемный фильтры взаимно об­

ратны. Но, если бы мы заранее положили G (/) =

Я -1 (f) и оптимизи­

ровали только по Я (/), то получилось бы

 

Хкхх ф 1/2

 

я (/)|я = LКии (f)

 

о о

 

J [Kxx(f)Kuu(f)]1/2df

(9.32)

I min "

Эти результаты близки к оптимальным (9.28) и (9.31), когда отношение сигнал/шум велико.

Пример 9.3. Можно дополнительно проиллюстрировать преиму­ щества, получаемые при совместной оптимизации G (/) и Я (/), рас смотренной в примере 9.2, если взять сигнал и шум частного вида. Пусть аддитивный шум будет белым со спектральной плотностью Nq em/гц, а сигнал — случайным фототелеграфным процессом с еди­

233


ничной дисперсией (см. § 8.7), частотным параметром 2п/ 0

и с нуле­

вым средним значением.

 

 

Тогда мы имеем:

 

 

1

1

(9.33)

Kxx(f)

1 + (///о)3

я/о

 

*»»(/) = ^о-

 

Предположим, что канал не обладает дисперсионностью, так что,

если предыскажающий фильтр не используется, то G (/) ---

1, и опти­

мальный приемный фильтр определяется согласно (9.16). Когда при­ меняются оба фильтра, их оптимальные передаточные функции опре­ деляются согласно (9.28), и в соответствии с (9.31) минимальный сред­

ний квадрат ошибки

(обозначим его / 2)

имеет значение

 

fo No

fB

 

df

2

 

 

 

Г

 

 

 

 

 

Я

J

/о /1 + ( Ш 3

ВI,'

df

 

 

1+

[

N0 df

J _ +

 

L- f a

 

 

1

 

 

 

fB

 

1

Я

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~fB

 

 

 

 

foNo

In

/ 1

+ ц + г в

 

 

(9.34)

 

l+2foN0l£

■+ 1------ arctg %в,

 

 

 

 

я

 

 

причем нормированная

полоса пропускания

фильтра

= felt о

должна согласно (9.29) удовлетворять уравнению

 

 

 

 

 

 

/ у'1+ЕЬ+£в )

 

1

 

 

' г 1 + 6 |- 1 д /

(9.35)

v П И

 

 

l+2/o^ogs

 

 

 

 

 

С другой стороны, если используется фильтр только на приемном кон­ це, применив (9.19), находим значение для минимального среднего квадрата ошибки

С»

1

11/2

 

df

(9.36)

1+ (1/яЛШ + (Ш 2

. 1 + (1/яЛШ .

 

Величина отношения / j / / 2 для различных значений параметраf0./V0 показана на рис. 9.4.

Эти результаты показывают, что совместное использование предыскажающего и приемного фильтров дает ощутимый выигрыш, только если отношение сигнал/шум в канале велико. Результаты этого при­ мера были впервые опубликованы в [2].

234


Рис. 9.4. Сравнение эффективности при сов­ местном использовании передающего и при­ емного фильтров (/2) и только приемного фильтра (/1).

Упражнение 9.1. Пусть нужно непрерывно оценивать «сглаженный» пе­ редаваемый сигнал. Найти оптимальный фильтр для задачи

 

ОО

Т0:о )(0=

j h0(t — x)x(x — T)dx,

ОО

g (t—x)x(x)dx + u.(t),

7Vz(*)= |

-----ОО

 

где х и и — статистически независимые стационарные в широком -смысле про­ цессы с нулевым средним.

Упражнение 9.2. В схеме рис. 9.2 предположить, что передаваемый сиг­ нал х (t) есть сигнал известной формы с конечной энергией. Нужно, чтобы вы­ ходной сигнал приемного фильтра у (t) был по возможности точной копией этой формы. Одно из требований такого рода состоит в том, чтобы средняя норма ошибки в L2 (—эо, со), Е [х (t) — у (*)] не превышала заданной величины.

Найти характеристику оптимального фильтра с постоянными параметра­ ми, удовлетворяющего этому условию, и минимизирующего дисперсию ошибки

* (0 - У (О-

Упражнение 9.3. Для задачи проектирования передающего и приемного фильтров, рассмотренной в примере 9.2, проверить результат (9.32) для случая

G (/) = Я -1 (/).

Упражнение 9.4. При совместной оптимизации передающего и приемного фильтров предположить, что ограничение на мощность сигнала относится к вы­ ходу передающего фильтра, т. е. на рис. 9.3 Gx (/) задано, а условие имеет вид

ОО

P So= J Kx x (f)\G2 (f)\*df.

—ОО

Найти оптимальные функции G2 (/) и Я (/).

Влияние мультипликативного шума

В некоторых системах передачи искажающие факторы точнее описываются мультипликативным процессом (флюктуациями усиле­ ния), чем аддитивным. Мы рассмотрим упрощенную задачу, показанную на рис. 9.5, где w — процесс стационарный в широком смысле и ста­ тистически нез ависимый от сигнала х. Таким образом,

7’0 : to (/) = х (/),

(9 37)

235


T i:z (t)= (t) §g(t — o)x(o)do^xv(t)z(t).

—oo

Процессы z и о совместно стационарны в широком смысле, а их кор­ реляционные функции определяются в виде

kzz (s>о) = Е [w (s) z (s) w (a) z (a)] = E [w (s) w (a)] E [z (s) z (a)] --■=

= &gho(s a)k~7(s— a),

(9.38)

£<oz(f, s) = £'tx(0w(s)z(s)] = w ^7 (/ —s).

(9.39)

Рис. 9.5. Фильтрация сигнала со стационарным мультипликативным шумом.

Взяв преобразование Фурье, найдем

 

 

к гг (/) = Kww(/)® К 17 (!) =

(/)® /сяя (/) | G (/) I2

(9.40)

Кшг(/) =

(/) =

wKxx (/) G* (/).

(9.41)

Согласно (9.11) передаточная функция оптимального фильтра имеет вид

H(f)

WКхх (f) G* (П

(9.42)

Kww (f)® K X X (f)|G(/)l2

 

 

Если мультипликативный

шум имеет нулевое среднее значение,

то лучшая оценка — это просто нуль. В практически интересных слу­

чаях w должно

иметь заметную среднюю величину по сравнению

с флюктуациями.

Записав автокоррелящда w как сумму автокова­

риации mww (т)

и квадрата среднего значения, получим выражение

для оптимального фильтра, сходное со случаем аддитивного

шума:

kww(т) = mww(т) + (w)2 =*- Kww (f)= Mww(/) + (w)2 б (/) =>-

 

=> KiZ(/) =

Mww(/) ® Kxx (!) | G (/) 12 + (w)2 Kxx (/) | G (/) I2.

(9.43)

Теперь можно переписать (9.42)

в виде

 

H(f)-

____________(1/w) Кхх (f) G* (f)

(9.44)

 

 

Kxx (П I G (/) p +

M ww (f) ® K xx (/) I G (/) I*

 

236