อ่าน 11 นาที
ตัวกรองไวเนอร์
ในการประมวลผลสัญญาณตัวกรอง Wiener (ตั้งชื่อตามNorbert Wiener ) เป็นตัวกรองที่ใช้ในการสร้างค่าประมาณของกระบวนการสุ่มที่ต้องการหรือเป้าหมายโดยการกรองเชิงเส้นแบบไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา.
ตัวกรองไวเนอร์
ในการประมวลผลสัญญาณตัวกรอง Wiener (ตั้งชื่อตามNorbert Wiener ) เป็นตัวกรองที่ใช้ในการสร้างค่าประมาณของกระบวนการสุ่มที่ต้องการหรือเป้าหมายโดยการกรองเชิงเส้นแบบไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ( LTI ) ของกระบวนการที่มีสัญญาณรบกวนที่สังเกตได้ โดยสมมติว่า สเปกตรัมสัญญาณและสัญญาณรบกวน คง ที่ที่ทราบแล้ว และมีสัญญาณรบกวนแบบบวก ตัวกรอง Wiener จะลดข้อผิดพลาดกำลังสองเฉลี่ยระหว่างกระบวนการสุ่มที่ประมาณได้กับกระบวนการที่ต้องการให้เหลือ น้อยที่สุด [ 1 ] [ 2 ]
คำอธิบาย
เป้าหมายของตัวกรอง Wiener คือการคำนวณค่าประมาณทางสถิติของสัญญาณที่ไม่ทราบค่า โดยใช้สัญญาณที่เกี่ยวข้องเป็นอินพุตและกรองสัญญาณนั้นเพื่อสร้างค่าประมาณ ตัวอย่างเช่น สัญญาณที่ทราบค่าอาจประกอบด้วยสัญญาณที่สนใจซึ่งไม่ทราบค่าและถูกรบกวนด้วยสัญญาณรบกวน แบบบวก ตัวกรอง Wiener สามารถใช้เพื่อกรองสัญญาณรบกวนออกจากสัญญาณที่ถูกรบกวนเพื่อให้ได้ค่าประมาณของสัญญาณที่สนใจที่แท้จริง ตัวกรอง Wiener ใช้ แนวทาง ทางสถิติและรายละเอียดทางสถิติเพิ่มเติมเกี่ยวกับทฤษฎีนี้จะกล่าวถึงใน บทความ เกี่ยวกับตัวประมาณค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ยต่ำสุด (MMSE)
โดยทั่วไป แล้วตัวกรองแบบกำหนดค่าได้จะถูกออกแบบมาเพื่อตอบสนองความถี่ ที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม การออกแบบตัวกรอง Wiener ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป โดยถือว่ามีความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางสเปกตรัมของสัญญาณต้นฉบับและสัญญาณรบกวน และต้องการ ตัวกรองเชิง เส้นที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาซึ่งเอาต์พุตจะใกล้เคียงกับสัญญาณต้นฉบับมากที่สุด ตัวกรอง Wiener มีลักษณะดังต่อไปนี้: [ 3 ]
- ข้อสมมติฐาน: สัญญาณและสัญญาณรบกวน (แบบบวก) เป็นกระบวนการสุ่ม แบบอยู่ตัวที่ มีลักษณะสเปกตรัมที่ทราบ หรือมีค่าสหสัมพันธ์อัตโนมัติและสหสัมพันธ์ไขว้ ที่ทราบ
- ข้อกำหนด: ตัวกรองต้องสามารถสร้างขึ้นได้จริง/ เป็นไปตามหลักเหตุและผล (ข้อกำหนดนี้สามารถละเว้นได้ ซึ่งจะทำให้ได้โซลูชันที่ไม่เป็นไปตามหลักเหตุและผล)
- เกณฑ์การประเมินผล: ค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ยต่ำสุด (MMSE)
ตัวกรองนี้มักใช้ในกระบวนการดีคอนโวลูชันสำหรับการใช้งานนี้ โปรดดูดีคอนโวลูชันแบบไวเนอร์ (Wiener deconvolution )
โซลูชันตัวกรอง Wiener
ให้เป็นสัญญาณที่ไม่ทราบค่าซึ่งต้องประมาณจากสัญญาณการวัดโดยที่เป็นพารามิเตอร์ที่ปรับได้เรียกว่า การทำนายเรียกว่า การกรอง และเรียกว่า การปรับให้เรียบ (ดูบทการกรอง Wiener ใน[ 3 ]สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม)
ปัญหาตัวกรอง Wiener มีวิธีแก้ปัญหาสำหรับสามกรณีที่เป็นไปได้: กรณีแรกที่ยอมรับตัวกรองที่ไม่เป็นเหตุเป็นผลได้ (ซึ่งต้องใช้ข้อมูลในอดีตและอนาคตจำนวนอนันต์) กรณีที่ ต้องการตัวกรอง ที่เป็นเหตุเป็นผล ( โดยใช้ข้อมูลในอดีตจำนวนอนันต์) และ กรณี การตอบสนองแบบอิมพัลส์จำกัด (FIR) ซึ่งใช้เฉพาะข้อมูลอินพุตเท่านั้น (กล่าวคือ ผลลัพธ์หรือเอาต์พุตไม่ได้ถูกป้อนกลับเข้าไปในตัวกรองเหมือนในกรณี IIR) กรณีแรกนั้นง่ายต่อการแก้ไข แต่ไม่เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันแบบเรียลไทม์ ความสำเร็จหลักของ Wiener คือการแก้ปัญหาในกรณีที่ข้อกำหนดเรื่องความเป็นเหตุเป็นผลมีผลบังคับใช้Norman Levinsonได้นำเสนอวิธีแก้ปัญหา FIR ในภาคผนวกของหนังสือของ Wiener
วิธีแก้ปัญหาที่ไม่เป็นเหตุเป็นผล
สำหรับการประมาณค่าจากตัวกรองเชิงเส้นคงที่ตามเวลา (LTI) ที่เหมาะสมที่สุด (โดยทั่วไปไม่ใช่เชิงสาเหตุ) มีการตอบสนองความถี่
โดยที่ความ หนาแน่นสเปกตรัม กำลังไขว้ระหว่างและและคือความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังของ[ 4 ]
ถ้าเป็นการตอบสนองต่อแรงกระตุ้นที่เหมาะสมที่สุด ค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ยต่ำสุดสามารถเขียนได้ดังนี้
โดยที่คือฟังก์ชันออโตคอร์เรเลชันของและคือค่าครอสคอร์เรเลชันระหว่างและเช่น
การตอบสนองแบบอิมพัลส์จะ ได้รับเป็นการแปลงฟูริเยร์ผกผันของ[ 6 ]
วิธีแก้ปัญหาเชิงสาเหตุ
ที่ไหน
- ประกอบด้วยส่วนที่เป็นเหตุเป็นผลของ(นั่นคือ ส่วนของเศษส่วนนี้ที่มีคำตอบเวลาเป็นบวกภายใต้การแปลงลาปลา สผกผัน )
- คือส่วนประกอบเชิงสาเหตุของ(กล่าวคือ การแปลงลาปลาสผกผันของจะมีค่าไม่เป็นศูนย์เฉพาะเมื่อ)
- คือส่วนประกอบที่ไม่เป็นเหตุเป็นผลของ(กล่าวคือ การแปลงลาปลาสผกผันของจะมีค่าไม่เป็นศูนย์เฉพาะเมื่อ)
สูตรทั่วไปนี้มีความซับซ้อนและสมควรได้รับการอธิบายโดยละเอียดมากขึ้น ในการเขียนวิธีแก้ปัญหาในกรณีเฉพาะ ควรทำตามขั้นตอนเหล่านี้: [ 7 ]
- เริ่มต้นด้วยสเปกตรัมในรูปแบบเชิงตรรกะ แล้วแยกตัวประกอบออกเป็นส่วนประกอบเชิงสาเหตุและเชิงปฏิสาเหตุโดยที่ประกอบด้วยศูนย์และขั้ว ทั้งหมด ในระนาบครึ่งซ้าย (LHP) และประกอบด้วยศูนย์และขั้วทั้งหมดในระนาบครึ่งขวา (RHP) วิธีนี้เรียกว่า การแยกตัวประกอบ แบบWiener–Hopf
- หารด้วยและเขียนผลลัพธ์ออกมาเป็นการกระจายเศษส่วนย่อย
- เลือกเฉพาะพจน์ในการกระจายนี้ที่มีขั้วอยู่ในระนาบซ้ายมือ เรียกพจน์เหล่านั้นว่า...
- หารด้วยผลลัพธ์ที่ได้คือฟังก์ชันถ่ายโอนตัวกรองที่ต้องการ
ตัวกรอง Wiener แบบตอบสนองอิมพัลส์จำกัดสำหรับอนุกรมแบบไม่ต่อเนื่อง

ตัวกรอง Wiener แบบตอบสนองอิมพัลส์จำกัดเชิงสาเหตุ(FIR) แทนที่จะใช้เมทริกซ์ข้อมูล X และเวกเตอร์เอาต์พุต Y ที่กำหนดให้ จะค้นหาน้ำหนักแท็ปที่เหมาะสมที่สุดโดยใช้สถิติของสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต โดยจะเติมเมทริกซ์อินพุต X ด้วยค่าประมาณของความสัมพันธ์อัตโนมัติของสัญญาณอินพุต (T) และเติมเวกเตอร์เอาต์พุต Y ด้วยค่าประมาณของความสัมพันธ์ไขว้ระหว่างสัญญาณเอาต์พุตและอินพุต (V)
เพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์ของตัวกรอง Wiener ให้พิจารณาสัญญาณw [ n ] ที่ป้อนเข้าสู่ตัวกรอง Wiener อันดับ (จำนวนแท็ปที่ผ่านมา) Nและมีสัมประสิทธิ์เอาต์พุตของตัวกรองแสดงด้วยx [ n ] ซึ่งกำหนดโดยนิพจน์
ข้อผิดพลาดที่เหลืออยู่จะถูกแทนด้วยe [ n ] และกำหนดเป็นe [ n ] = x [ n ] − s [ n ] (ดูแผนภาพบล็อก ที่เกี่ยวข้อง ) ตัวกรอง Wiener ถูกออกแบบมาเพื่อลดข้อผิดพลาดกำลังสองเฉลี่ย ( เกณฑ์ MMSE ) ซึ่งสามารถกล่าวโดยย่อได้ดังนี้:
โดยที่หมายถึงตัวดำเนินการคาดหวัง ในกรณีทั่วไป สัมประสิทธิ์อาจเป็นจำนวนเชิงซ้อนและอาจได้มาในกรณีที่w [ n ] และs [ n ] เป็นจำนวนเชิงซ้อนเช่นกัน สำหรับสัญญาณเชิงซ้อน เมทริกซ์ที่จะต้องแก้ไขคือ เมทริกซ์เฮอร์มิ เชียนโทพลิทซ์แทนที่จะเป็น เมทริกซ์ สมมาตรโทพลิทซ์เพื่อความง่าย ต่อไปนี้จะพิจารณาเฉพาะกรณีที่ปริมาณทั้งหมดเหล่านี้เป็นจำนวนจริงเท่านั้น ค่าความคลาดเคลื่อนกำลังสองเฉลี่ย (MSE) อาจเขียนใหม่ได้ดังนี้:
ในการหาเวกเตอร์ที่ทำให้ค่าของนิพจน์ข้างต้นมีค่าน้อยที่สุด ให้คำนวณอนุพันธ์ของเวกเตอร์นั้นเทียบกับแต่ละตัวแปร
โดยสมมติว่าw [ n ] และs [ n ] ต่างก็เป็นสถานะคงที่และเป็นสถานะคงที่ร่วมกัน ลำดับและที่รู้จักกันในชื่อความสัมพันธ์อัตโนมัติของw [ n ] และความสัมพันธ์ไขว้ระหว่างw [ n ] และs [ n ] สามารถกำหนดได้ดังนี้:
ดังนั้นอนุพันธ์ของ MSE จึงสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้:
โปรดทราบว่าสำหรับค่าจริงฟังก์ชันสหสัมพันธ์อัตโนมัติจะสมมาตร: การกำหนดให้ค่าอนุพันธ์เท่ากับศูนย์จะได้ผลลัพธ์ดังนี้:
ซึ่งสามารถเขียนใหม่ได้ (โดยใช้คุณสมบัติสมมาตรข้างต้น) ในรูปแบบเมทริกซ์
สมการเหล่านี้เรียกว่าสมการ Wiener–Hopfเมทริกซ์Tที่ปรากฏในสมการเป็นเมทริกซ์ Toeplitz สมมาตรภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสมเมทริกซ์เหล่านี้เป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นเมทริกซ์บวกแน่นอนและดังนั้นจึงไม่เป็นเมทริกซ์เอกฐาน ทำให้ได้คำตอบที่ไม่ซ้ำกันในการหาเวกเตอร์สัมประสิทธิ์ตัวกรอง Wiener ยิ่งไปกว่านั้น มีอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพในการแก้สมการ Wiener–Hopf ดังกล่าวที่เรียกว่า อัลกอริทึม Levinson-Durbin ดังนั้นจึง ไม่จำเป็นต้องทำการ หาเมทริกซ์ผกผันของT อย่างชัดเจน
ในบางบทความ ฟังก์ชันสหสัมพันธ์ไขว้ถูกนิยามในทางตรงกันข้าม: จากนั้นเมทริกซ์จะประกอบด้วย; นี่เป็นเพียงความแตกต่างในสัญลักษณ์เท่านั้น
ไม่ว่าจะใช้สัญลักษณ์แบบใด โปรดทราบว่าในความเป็นจริงแล้ว:
ความสัมพันธ์กับตัวกรองกำลังสองน้อยที่สุด
การสร้างตัวกรอง Wiener แบบเหตุผลนั้นดูคล้ายกับการแก้ปัญหาการประมาณค่ากำลังสองน้อยที่สุดยกเว้นว่าอยู่ในโดเมนการประมวลผลสัญญาณ วิธีแก้ปัญหาการประมาณค่ากำลังสองน้อยที่สุด สำหรับเมทริกซ์อินพุตและเวกเตอร์เอาต์พุตคือ
ตัวกรอง FIR Wiener มีความเกี่ยวข้องกับตัวกรองกำลังสองเฉลี่ยต่ำสุดแต่การลดเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของตัวกรองหลังนั้นไม่ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ไขว้หรือความสัมพันธ์อัตโนมัติ และคำตอบของตัวกรองหลังจะลู่เข้าสู่คำตอบของตัวกรอง Wiener
สัญญาณที่ซับซ้อน
สำหรับสัญญาณเชิงซ้อน การหาอนุพันธ์ของตัวกรอง Wiener เชิงซ้อนทำได้โดยการลดค่า= ให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการคำนวณอนุพันธ์ย่อยเทียบกับทั้งส่วนจริงและส่วนจินตนาการของและกำหนดให้ทั้งสองส่วนเป็นศูนย์
สมการ Wiener-Hopf ที่ได้มีดังนี้:
ซึ่งสามารถเขียนใหม่ในรูปแบบเมทริกซ์ได้:
โปรดสังเกตว่า:
จากนั้นจึงคำนวณเวกเตอร์สัมประสิทธิ์ Wiener ดังนี้:
แอปพลิเคชัน
ตัวกรอง Wiener มีการใช้งานที่หลากหลายในการประมวลผลสัญญาณการประมวลผลภาพ[ 8 ]ระบบควบคุม และการสื่อสารดิจิทัล การใช้งานเหล่านี้โดยทั่วไปจะอยู่ในหนึ่งในสี่ประเภทหลัก:
ตัวอย่างเช่น ตัวกรอง Wiener สามารถใช้ในการประมวลผลภาพเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนออกจากภาพได้ เช่น การใช้ฟังก์ชัน Mathematica WienerFilter[image,2]กับภาพแรกทางด้านขวา จะได้ภาพที่ผ่านการกรองแล้วดังภาพด้านล่าง
โดยทั่วไปจะใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวนในสัญญาณเสียง โดยเฉพาะเสียงพูด ในฐานะตัวประมวลผลเบื้องต้นก่อนการรู้จำเสียงพูด
SVT-AV1ใช้สำหรับการสังเคราะห์เกรนฟิล์ม[ 9 ]
ประวัติศาสตร์
ตัวกรองนี้ได้รับการเสนอโดยNorbert Wienerในช่วงทศวรรษ 1940 และตีพิมพ์ในปี 1949 [ 10 ] [ 11 ] งานที่เทียบเท่ากับเวลาไม่ต่อเนื่องของงานของ Wiener ได้รับการพัฒนาโดยอิสระโดยAndrey Kolmogorovและตีพิมพ์ในปี 1941 [ 12 ]ดังนั้นทฤษฎีนี้จึงมักเรียกว่า ทฤษฎีการกรอง Wiener–Kolmogorov ( เทียบกับKriging ) ตัวกรอง Wiener เป็นตัวกรองที่ออกแบบทางสถิติตัวแรกที่ได้รับการเสนอ และต่อมาได้ก่อให้เกิด ตัว กรอง อื่นๆ อีกมากมาย รวมถึงตัวกรอง Kalman
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- Thomas Kailath , Ali H. SayedและBabak Hassibi , การประมาณค่าเชิงเส้น, Prentice-Hall, NJ, 2000, ISBN 978-0-13-022464-4.
ลิงก์ภายนอก
- ฟังก์ชันWienerFilterของ Mathematica
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ตัวกรองไวเนอร์
ในการประมวลผลสัญญาณตัวกรอง Wiener (ตั้งชื่อตามNorbert Wiener ) เป็นตัวกรองที่ใช้ในการสร้างค่าประมาณของกระบวนการสุ่มที่ต้องการหรือเป้าหมายโดยการกรองเชิงเส้นแบบไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา.
คำอธิบาย
เป้าหมายของตัวกรอง Wiener คือการคำนวณ ค่าประมาณทางสถิติ ของสัญญาณที่ไม่ทราบค่า โดยใช้สัญญาณที่เกี่ยวข้องเป็นอินพุตและกรองสัญญาณนั้นเพื่อสร้างค่าประมาณ ตัวอย่างเช่น สัญญาณที่ทราบค่าอาจประกอบด้วยสัญญาณที่สนใจซึ่งไม่ทราบค่าและถูกรบกวนด้วย สัญญาณรบกวน แบบบวก...
โซลูชันตัวกรอง Wiener
ให้เป็นสัญญาณที่ไม่ทราบค่าซึ่งต้องประมาณจากสัญญาณการวัดโดยที่เป็นพารามิเตอร์ที่ปรับได้เรียกว่า การทำนายเรียกว่า การกรอง และเรียกว่า การปรับให้เรียบ (ดูบทการกรอง Wiener ใน [ 3 ] สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) ส ( ที + α ) {\displaystyle s(t+\alpha )} x ( ที )...
วิธีแก้ปัญหาที่ไม่เป็นเหตุเป็นผล
สำหรับการประมาณค่าจากตัวกรองเชิงเส้นคงที่ตามเวลา (LTI) ที่เหมาะสมที่สุด (โดยทั่วไปไม่ใช่เชิงสาเหตุ) มีการตอบสนองความถี่ ส ( ที + α ) {\displaystyle s(t+\alpha )} x ( ที ) {\displaystyle x(t)} จี ( ω ) = เอส x ส ( ω ) เอส x ( ω ) อี เจ ω α , {\displaystyle...