信号处理学习笔记2——维纳滤波器

信号处理学习笔记2——维纳滤波器在讨论维纳滤波之前 先来看看维纳滤波器在线性滤波器体系中处于什么位置 经典的 FIR 和 IIR 滤波器要求已知信号和噪声的频谱信息 并且信号和噪声的频谱没有交叠 信号和噪声的频谱有交叠时 如果硬要使用 FIR 和 IIR 当然也可以 但要么会造成噪声滤除不干净 要么会造成滤除噪声的同时对有用信号造成 误伤 实际上 在信号和噪声频谱有交叠时 滤波问题演变为在已知观测量的前提下 对未知信号进行最佳估计的问题 所以这里信号也称为估计量 既然希望估计是最佳 那必然要有个评价准则 不同的评价准则便衍生出不同的估

1. 维纳滤波器的引出

2. 维纳滤波器理论分析

3. 维纳-霍夫方程的求解

    按照前面的叙述,维纳滤波器设计的核心问题就是根据 R s x R_{sx} Rsx R x x R_{xx} Rxx求解维纳-霍夫方程。按照该方程中 i i i的取值范围不同,分别对应3种不同滤波器形式:

  • 有限冲激响应(FIR)维纳滤波器: i i i从0到 N − 1 N-1 N1取有限个整数值
  • 非因果无限冲激响应(非因果IIR)维纳滤波器: i i i − ∞ -∞ + ∞ +∞ +取所有整数值
  • 因果无限冲激响应(因果IIR)维纳滤波器: i i i从0到 + ∞ +∞ +取正整数值

    三种形式下滤波器的求解方法也不相同。

3.1 FIR维纳滤波器

在这里插入图片描述
    可以看出,求解 h o p t h_{opt} hopt需要矩阵求逆,但相关矩阵R为对称且为Toeplitz形式,故可借助数学手段对R高效求逆——Levinson-Durbin算法。
  因为在时域分析,所以FIR维纳滤波器也叫时域维纳滤波器。

3.2 非因果IIR维纳滤波器

在这里插入图片描述
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    因为在频域分析,非因果IIR维纳滤波器也叫频域维纳滤波器。

3.3 因果IIR维纳滤波器

在这里插入图片描述
    然后再根据 H ( z ) H(z) H(z)反过来求解 h ( n ) h(n) h(n)。一般情况下,因果IIR维纳滤波器的求解比较困难。

4. 几个问题的理解

4.1 维纳滤波器是FIR还是IIR的?

    由前面的叙述可以看出,维纳滤波器是一个大框架,仅定义了线性均方误差最小的准则,并不限制FIR还是IIR,具体由设计者定。

4.2 维纳滤波器和卡尔曼滤波器的关系?

4.3 维纳滤波器为什么比经典滤波器优秀?

  1. 姚天任,现代数字信号处理(第二版),第2章
  2. Steven著,罗鹏飞 等译,统计信号处理基础-估计理论和检测理论,第12章
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