匹配濾波器為何使得輸出SNR最大?

2021-10-21 10:18:43 字數 898 閱讀 2957

部落格摘自:匹配濾波器的物理解釋

所謂的最優濾波器,實際上都是在某個準則下的最優。匹配濾波器對應的最優的準則是輸出訊雜比(snr)最大。而且還有乙個前提條件是在白雜訊背景下。推導很多地方都有,最後的結果就是匹配濾波器的表示式為:

h(f)=s*(f)
也即是說,匹配濾波器的頻率響應是輸入訊號頻率響應的共軛。這看起來又很簡單,那麼如何從物理直觀上理解匹配濾波器呢?

一方面,從幅頻特性來看,匹配濾波器和輸入訊號的幅頻特性完全一樣。這也就是說,在訊號越強的頻率點,濾波器的放大倍數也越大;在訊號越弱的頻率點,濾波器的放大倍數也越小。這就是訊號處理中的「馬太效應」。也就是說,匹配濾波器是讓訊號盡可能通過,而不管雜訊的特性。因為匹配濾波器的乙個前提是白雜訊,也即是雜訊的功率譜是平坦的,在各個頻率點都一樣。因此,這種情況下,讓訊號盡可能通過,實際上也隱含著儘量減少雜訊的通過。這不正是使得輸出的訊雜比最大嗎?

另外一方面,從相頻特性上看,匹配濾波器的相頻特性和輸入訊號正好完全相反。這樣,通過匹配濾波器後,訊號的相位為0,正好能實現訊號時域上的相干疊加。而雜訊的相位是隨機的,只能實現非相干疊加。這樣在時域上保證了輸出訊雜比的最大。

實際上,在訊號與系統的幅頻特性與相頻特性中,幅頻特性更多地表徵了頻率特性,而相頻特性更多地表徵了時間特性。匹配濾波器無論是從時域還是從頻域,都充分保證了訊號盡可能大地通過,雜訊盡可能小地通過,因此能獲得最大訊雜比的輸出。

實際上,匹配濾波器由其命名即可知道其鮮明的特點,那就是這個濾波器是匹配輸入訊號的。一旦輸入訊號發生了變化,原來的匹配濾波器就再也不能稱為匹配濾波器了。由此,我們很容易聯想到相關這個概念,相關的物理意義就是比較兩個訊號的相似程度。如果兩個訊號完全一樣,不就是匹配了嗎?事實上,匹配濾波器的另外乙個名字就是相關接收,兩者表徵的意義是完全一樣的。只是匹配濾波器著重在頻域的表述,而相關接收則著重在時域的表述。

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