Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Wiener–Kolmogorow Filter"

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|Untermenü=Filterung stochastischer Signale
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|Untermenü=Filtering of Stochastic Signals
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==Optimierungskriterium des Wiener–Kolmogorow–Filters==
+
==Optimization criterion of the Wiener-Kolmogorow filter==
 
<br>
 
<br>
Als ein weiteres Beispiel zur Optimalfilterung betrachten wir nun die Aufgabenstellung, die Form eines Nutzsignals&nbsp; $s(t)$&nbsp; aus dem durch additives Rauschen&nbsp; $n(t)$&nbsp; gestörten Empfangssignals&nbsp; $r(t)$&nbsp; im Sinne des&nbsp; ''mittleren quadratischen Fehlers''&nbsp; (MQF) möglichst gut zu rekonstruieren:  
+
As another example of optimal filtering, we now consider the task of reconstructing as well as possible the shape of an useful signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; from the received signal&nbsp; $r(t)$,&nbsp; which is disturbed by additive noise&nbsp; $n(t)$,&nbsp; in terms of the&nbsp; "mean square error"&nbsp; (MSE):  
:$${\rm{MQF}} = \mathop {\lim }\limits_{T_{\rm M}  \to \infty } \frac{1}{{T_{\rm M} }}\int_{ - T_{\rm M} /2}^{+T_{\rm M} /2} {\left| {d(t) - s(t)} \right|^2 \, {\rm{d}}t} \mathop  = \limits^! {\rm{Minimum}}.$$
+
:$${\rm{MSE}} = \mathop {\lim }\limits_{T_{\rm M}  \to \infty } \frac{1}{{T_{\rm M} }}\int_{ - T_{\rm M} /2}^{+T_{\rm M} /2} {\left| {d(t) - s(t)} \right|^2 \, {\rm{d}}t} \mathop  = \limits^! {\rm{Minimum}}.$$
  
Das Filter ist nach seinen Erfindern&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener Norbert Wiener]&nbsp; und&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Andrei_Nikolajewitsch_Kolmogorow Andrei Nikolajewitsch Kolmogorow]&nbsp; benannt.&nbsp; Den entsprechenden Frequenzgang bezeichnen wir mit&nbsp; $H_{\rm WF}(f).$  
+
The filter is named after its inventors&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener $\text{Norbert Wiener}$]&nbsp; and&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Andrey_Kolmogorov $\text{Andrei Nikolajewitsch Kolmogorow}$].&nbsp; We denote the corresponding frequency response by&nbsp; $H_{\rm WF}(f).$  
  
[[File:EN_Sto_T_5_5_S1.png|right |frame| Zur Herleitung des Wiener-Filters]]
+
[[File:EN_Sto_T_5_5_S1.png|right |frame| Derivation of the Wiener filter]]
Für diese Optimierungsaufgabe gelten folgende Voraussetzungen:  
+
The following conditions apply to this optimization task:
*Das zu rekonstruierende Signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; ist das Ergebnis eines Zufallsprozesses&nbsp; $\{s(t)\}$, von dem nur die statistischen Eigenschaften in Form des Leistungsdichtespektrums&nbsp; ${\it Φ}_s(f)$&nbsp; bekannt sind.
+
*The signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; to be reconstructed is the result of a random process&nbsp; $\{s(t)\}$, of which only the statistical properties are known in the form of the power-spectral density&nbsp; ${\it Φ}_s(f)$.&nbsp;
*Das Störsignal&nbsp; $n(t)$&nbsp; ist durch das LDS&nbsp; ${\it Φ}_n(f)$&nbsp; gegeben.&nbsp; Korrelationen zwischen dem Nutz– und dem Störsignal werden durch die&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Kreuzkorrelationsfunktion_und_Kreuzleistungsdichte#Kreuzleistungsdichtespektrum|Kreuzleistungsdichtespektren]]&nbsp; ${\it Φ}_{sn}(f) = \hspace{0.1cm} –{ {\it Φ}_{ns} }^∗(f)$&nbsp; berücksichtigt.
+
*The noise signal&nbsp; $n(t)$&nbsp; is given by the PSD&nbsp; ${\it Φ}_n(f)$.&nbsp; Correlations between the useful and noise signals are accounted for by the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Cross-Correlation_Function_and_Cross_Power-Spectral_Density#Cross_power-spectral_density|$\text{cross power-spectral density}$]]&nbsp; ${\it Φ}_{sn}(f) = \hspace{0.1cm} –{ {\it Φ}_{ns} }^∗(f)$.&nbsp;  
*Das Ausgangssignal des gesuchten Filters wird mit&nbsp; $d(t)$&nbsp; bezeichnet, das sich entsprechend des MQF möglichst wenig von&nbsp; $s(t)$&nbsp; unterscheiden soll.&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; bezeichnet wiederum die Messdauer.
+
*The output signal of the sought filter is denoted by&nbsp; $d(t)$,&nbsp; which should differ as little as possible from&nbsp; $s(t)$&nbsp; according to the MSE. &nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; again denotes the measurement duration.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Das Signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; sei mittelwertfrei&nbsp; $(m_s = 0)$&nbsp; und leistungsbegrenzt.&nbsp; Das bedeutet: &nbsp; Die Signalenergie&nbsp; $E_s$&nbsp; ist aufgrund der unendlichen Ausdehnung des Signals&nbsp; $s(t)$&nbsp; unendlich und die Signalleistung besitzt einen endlichen Wert:  
+
Let the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; be mean-free&nbsp; $(m_s = 0)$&nbsp; and power-limited.&nbsp; This means: &nbsp; The signal energy&nbsp; $E_s$&nbsp; is infinite due to the infinite extension of the signal &nbsp; $s(t)$&nbsp; and the signal power has a finite value:  
 
:$$P_s  = \mathop {\lim }\limits_{T_{\rm M}  \to \infty } \frac{1}{{T_{\rm M} }}\int_{ - T_{\rm M} /2}^{+T_{\rm M} /2} |{s(t)|^2 \, {\rm{d}}t > 0.}$$
 
:$$P_s  = \mathop {\lim }\limits_{T_{\rm M}  \to \infty } \frac{1}{{T_{\rm M} }}\int_{ - T_{\rm M} /2}^{+T_{\rm M} /2} |{s(t)|^2 \, {\rm{d}}t > 0.}$$
  
*Ein grundsätzlicher Unterschied zur Aufgabenstellung beim Matched–Filter ist das stochastische und leistungsbegrenzte Nutzsignal&nbsp; $s(t)$.  
+
*A fundamental difference with the matched filter task is the stochastic and power-limited useful signal&nbsp; $s(t)$.  
*Erinnern wir uns: &nbsp; Beim Matched–Filter war das zu rekonstruierende Signal&nbsp; $g(t)$&nbsp; deterministisch, zeitlich begrenzt und damit auch energiebegrenzt.
+
*Let us recall: &nbsp; In the matched filter, the signal&nbsp; $g(t)$&nbsp; to be reconstructed was deterministic, limited in time and thus also energy-limited.
  
==Ergebnis der Filteroptimierung==
+
==Result of the filter optimization==
 
<br>
 
<br>
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Hier ohne Beweis:}$&nbsp; Die&nbsp; '''Übertragungsfunktion des optimalen Filters'''&nbsp; kann über die so genannte&nbsp; ''Wiener-Hopfsche Integralgleichung''&nbsp; ermittelt werden, und lautet:
+
$\text{Here without proof:}$&nbsp; The&nbsp; &raquo;'''transmission function of the optimal filter'''&laquo;&nbsp; can be determined by the so-called&nbsp; "Wiener-Hopf integral equation",&nbsp; and is:
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{{ {\it \Phi }_s (f) + {\it \Phi }_{ns} (f)} }{ { {\it \Phi }_s (f) + {\it \Phi }_{sn} (f) + {\it \Phi }_{ns} (f) + {\it \Phi }_n (f)}}.$$
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{{ {\it \Phi }_s (f) + {\it \Phi }_{ns} (f)} }{ { {\it \Phi }_s (f) + {\it \Phi }_{sn} (f) + {\it \Phi }_{ns} (f) + {\it \Phi }_n (f)}}.$$
  
*[https://de.wikipedia.org/wiki/Andrei_Nikolajewitsch_Kolmogorow  A. Kolmogorow]&nbsp; und&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener N. Wiener]&nbsp; haben dieses Optimierungsproblem nahezu zur gleichen Zeit unabhängig voneinander gelöst.  
+
*[https://en.wikipedia.org/wiki/Andrey_Kolmogorov $\text{A. Kolmogorow}$]&nbsp; and&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener $\text{N. Wiener}$]&nbsp; independently solved this optimization problem almost at the same time.
*Der Index „WF” steht für Wiener-Filter und lässt leider die Verdienste von Kolmogorow nicht erkennen.
+
*The index "WF" stands for Wiener filter and unfortunately does not reveal the merits of Kolmogorov.
*Die Herleitung dieses Ergebnisses ist nicht trivial und zum Beispiel in&nbsp; [Hän97]<ref>Hänsler, E.: ''Statistische Signale: Grundlagen und Anwendungen.'' 2. Auflage. Berlin – Heidelberg: Springer, 1997.</ref>&nbsp; zu finden. }}
+
*The derivation of this result is not trivial and can be found for example in&nbsp; [Hän97]<ref>Hänsler, E.:&nbsp; Statistische Signale: Grundlagen und Anwendungen.&nbsp; 2. Auflage. Berlin – Heidelberg: Springer, 1997.</ref>.&nbsp;  }}
  
  
Auf die mathematische Herleitung der Gleichung wird verzichtet.&nbsp; Vielmehr soll dieses Filter  im Folgenden an einigen Sonderfällen verdeutlicht und interpretiert werden.  
+
The mathematical derivation of the equation is omitted.&nbsp; Rather, this filter shall be clarified and interpreted in the following on the basis of some special cases.
*Sind Signal und Störung unkorreliert  &nbsp; ⇒  &nbsp; ${\it Φ}_{sn}(f) = {\it Φ}_{ns}(f) = 0$, so vereinfacht sich die obige Gleichung wie folgt:  
+
*If signal and disturbance are uncorrelated &nbsp; ⇒  &nbsp; ${\it Φ}_{sn}(f) = {\it Φ}_{ns}(f) = 0$, the above equation simplifies as follows:
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{{ {\it \Phi }_s (f) }}{{ {\it \Phi }_s (f)  + {\it \Phi }_n (f) }} = \frac{1}{{1 + {\it \Phi }_n (f) / {\it \Phi }_s (f) }}.$$
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{{ {\it \Phi }_s (f) }}{{ {\it \Phi }_s (f)  + {\it \Phi }_n (f) }} = \frac{1}{{1 + {\it \Phi }_n (f) / {\it \Phi }_s (f) }}.$$
*Das Filter wirkt dann wie ein frequenzabhängiger Teiler, wobei das Teilerverhältnis durch die Leistungsdichtespektren von Nutzsignal und Störsignal bestimmt wird.  
+
*The filter then acts as a frequency-dependent divider, with the divider ratio determined by the power-spectral densities of the useful signal and the noise signal.
*Der „Durchlassbereich” liegt vorwiegend bei den Frequenzen, bei denen das Nutzsignal sehr viel größere Anteile besitzt als die Störung:  
+
*The "passband" is predominantly at the frequencies where the useful signal has much larger components than the interference:
 
:$${\it Φ}_s(f) \gg {\it Φ}_n(f).$$  
 
:$${\it Φ}_s(f) \gg {\it Φ}_n(f).$$  
*Der&nbsp; ''mittlere quadratische Fehler''&nbsp; (MQF) zwischen dem Filterausgangssignal&nbsp; $d(t)$&nbsp; und dem zu approximierenden Eingangssignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; ist
+
*The&nbsp; ''mean square error''&nbsp; (MSE) between the filter output signal&nbsp; $d(t)$&nbsp; and the input signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is
:$${\rm MQF} = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{ {\it \Phi }_s (f) \cdot {\it \Phi }_n (f)}}{{ {\it \Phi }_s(f) + {\it \Phi }_n (f)}}\,{\rm{d}}f = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {H_{\rm WF} (f) \cdot {\it \Phi }_n (f)}\, {\rm{d}}f.}$$
+
:$${\rm MSE} = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{ {\it \Phi }_s (f) \cdot {\it \Phi }_n (f)}}{{ {\it \Phi }_s(f) + {\it \Phi }_n (f)}}\,{\rm{d}}f = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {H_{\rm WF} (f) \cdot {\it \Phi }_n (f)}\, {\rm{d}}f.}$$
  
  
==Interpretation des Wiener-Filters==
+
==Interpretation of the Wiener filter==
 
<br>
 
<br>
Nun wird das Wiener–Kolmogorow–Filter anhand zweier Beispiele verdeutlicht.  
+
Now we will illustrate the Wiener-Kolmogorov filter with two examples.
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Zur Verdeutlichung des Wiener–Filters betrachten wir als Grenzfall ein Sendesignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; mit dem Leistungsdichtespektrum&nbsp; ${\it Φ}_s(f) = P_{\rm S} · δ(f ± f_{\rm S}).$  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; To illustrate the Wiener filter, we consider as a limiting case a transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; with the power-spectral density&nbsp; ${\it Φ}_s(f) = P_{\rm S} · δ(f ± f_{\rm S}).$  
*Damit ist bekannt, dass&nbsp; $s(t)$&nbsp; eine harmonische Schwingung mit der Frequenz&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; ist.
+
*Thus, it is known that&nbsp; $s(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation with frequency&nbsp; $f_{\rm S}$.&nbsp;
*Unbekannt sind dagegen Amplitude und Phase der aktuellen Musterfunktion&nbsp; $s(t)$.  
+
*On the other hand, the amplitude and phase of the current sample function&nbsp; $s(t)$ are unknown.  
  
  
Bei weißem Rauschen &nbsp; ⇒ &nbsp; ${\it Φ}_n(f) = N_0/2$ &nbsp; lautet somit der Frequenzgang des Wiener-Filters:  
+
With white noise &nbsp; ⇒ &nbsp; ${\it Φ}_n(f) = N_0/2$ &nbsp; the frequency response of the Wiener filter is thus:
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{1}{ {1 +({N_0 /2})/{\big[ P_{\rm S} \cdot\delta ( {f \pm f_{\rm S} } \big ]} })}.$$
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{1}{ {1 +({N_0 /2})/{\big[ P_{\rm S} \cdot\delta ( {f \pm f_{\rm S} } \big ]} })}.$$
*Bei allen Frequenzen mit Ausnahme von&nbsp; $f = ±f_{\rm S}$&nbsp; ergibt sich&nbsp; $H_{\rm WF}(f) = 0$, da hier der Nenner unendlich groß wird.  
+
*For all frequencies except&nbsp; $f = ±f_{\rm S}$,&nbsp; &nbsp; $H_{\rm WF}(f) = 0$ is obtained, since here the denominator becomes infinitely large.
*Berücksichtigt man weiter, dass&nbsp; $δ(f = ±f_{\rm S})$&nbsp; an der Stelle&nbsp; $f = ±f_{\rm S}$&nbsp; unendlich groß ist, so erhält man weiter&nbsp; $H_{\rm MF}(f = ±f_{\rm S} ) = 1. $
+
*If we further consider that&nbsp; $δ(f = ±f_{\rm S})$&nbsp; is infinitely large at the point&nbsp; $f = ±f_{\rm S}$,&nbsp; we further obtain&nbsp; $H_{\rm MF}(f = ±f_{\rm S} ) = 1. $
*Das optimale Filter ist somit ein Bandpass um&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; mit unendlich kleiner Bandbreite.  
+
*Thus, the optimal filter is a band-pass around&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; with infinitesimally small bandwidth.
*Der mittlere quadratische Fehler zwischen dem Sendesignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; und dem Filterausgangssignal&nbsp; $d(t)$&nbsp; beträgt
+
*The mean square error between the transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; and the filter output signal&nbsp; $d(t)$&nbsp; is
:$${\rm{MQF} } = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {H_{\rm WF} (f) \cdot {\it \Phi_n} (f) \,{\rm{d} }f = \mathop {\lim }\limits_{\varepsilon \hspace{0.03cm} {\rm >  \hspace{0.03cm}0,}\;\;\varepsilon  \hspace{0.03cm} \to  \hspace{0.03cm}\rm 0 } }\hspace{0.1cm} \int_{f_{\rm S}  - \varepsilon }^{f_{\rm S}  + \varepsilon }\hspace{-0.3cm} {N_0 }\,\,{\rm{d} }f = 0.$$
+
:$${\rm{MSE} } = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {H_{\rm WF} (f) \cdot {\it \Phi_n} (f) \,{\rm{d} }f = \mathop {\lim }\limits_{\varepsilon \hspace{0.03cm} {\rm >  \hspace{0.03cm}0,}\;\;\varepsilon  \hspace{0.03cm} \to  \hspace{0.03cm}\rm 0 } }\hspace{0.1cm} \int_{f_{\rm S}  - \varepsilon }^{f_{\rm S}  + \varepsilon }\hspace{-0.3cm} {N_0 }\,\,{\rm{d} }f = 0.$$
*Dieses unendlich schmale Bandpass–Filter würde bei den getroffenen Voraussetzungen die vollständige Regenerierung der Harmonischen hinsichtlich Amplitude und Phase erlauben.&nbsp; Unabhängig von der Größe der Störung&nbsp; $(N_0)$&nbsp; würde somit&nbsp; $d(t) = s(t)$&nbsp; gelten.  
+
*This infinitely narrow band-pass  filter would allow complete regeneration of the harmonics in terms of amplitude and phase, given the assumptions made.&nbsp; Thus, regardless of the magnitude of the interference&nbsp; $(N_0)$,&nbsp; &nbsp; $d(t) = s(t)$&nbsp; would apply.
*Allerdings ist ein unendlich schmales Filter nicht realisierbar.&nbsp; Bei endlicher Bandbreite&nbsp; $Δf$&nbsp; ist der mittlere quadratische Fehler   ${\rm MQF} = N_0 · Δf$. }}
+
*However, an infinitely narrow filter is not feasible.&nbsp; With finite bandwidth&nbsp; $Δf$,&nbsp; the mean square error is   ${\rm MSE} = N_0 · Δf$. }}
  
  
Dieses Beispiel hat einen Sonderfall behandelt, bei dem das bestmögliche Ergebnis&nbsp; $\rm MQF = 0$&nbsp; zumindest theoretisch möglich wäre.&nbsp; Das folgende Beispiel geht von realistischeren Annahmen aus und liefert das Ergebnis&nbsp; $\rm MQF > 0$.
+
This example has dealt with a special case where the best possible result&nbsp; $\rm MSE = 0$&nbsp; would be possible, at least theoretically.&nbsp; The following example makes more realistic assumptions and gives the result&nbsp; $\rm MSE > 0$.
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Nun betrachten wir ein&nbsp; ''stochastisches rechteckförmiges Binärsignal''&nbsp; $s(t)$, das durch weißes Rauschen&nbsp; $n(t)$&nbsp; additiv überlagert ist.&nbsp;  
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; Now consider a&nbsp; ''stochastic rectangular binary signal''&nbsp; $s(t)$, additively overlaid by white noise&nbsp; $n(t)$.&nbsp;
[[File:P_ID662__Sto_T_5_5_S3_neu.png |frame| Signale beim Wiener-Filter | rechts]]  
+
[[File:P_ID662__Sto_T_5_5_S3_neu.png |frame| Signals at the Wiener filter | right]]  
Die Grafik enthält folgende Diagramme:
+
The diagram contains the following plots:
*Oben ist grau das Summensignal&nbsp; $r(t) = s(t) + n(t)$&nbsp; für&nbsp; ${\it Φ}_0/N_0 = 5$&nbsp; dargestellt, wobei&nbsp; ${\it Φ}_0$&nbsp; die Energie eines Einzelimpulses bezeichnet und&nbsp; $N_0$&nbsp; die Leistungsdichte des weißen Rauschens angibt. Das Nutzsignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; ist blau gezeichnet.
+
*At the top, the sum signal&nbsp; $r(t) = s(t) + n(t)$&nbsp; is shown in gray for&nbsp; ${\it Φ}_0/N_0 = 5$,&nbsp; where&nbsp; ${\it Φ}_0$&nbsp; denotes the energy of a single pulse and&nbsp; $N_0$&nbsp; indicates the power density of the white noise. The useful signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is drawn in blue.
*In Bildmitte sind die Leistungsdichtespektren&nbsp; ${\it Φ}_s(f)$&nbsp; und&nbsp; ${\it Φ}_n(f)$&nbsp; in blauer bzw. roter Farbe skizziert und formelmäßig angegeben.&nbsp; Grün gezeichnet ist der resultierende Frequenzgang&nbsp; $H_{\rm WF}(f)$.  
+
*In the center of the figure, the power-spectral densities&nbsp; ${\it Φ}_s(f)$&nbsp; and&nbsp; ${\it Φ}_n(f)$&nbsp; are sketched in blue and red, respectively, and given in terms of formulas.&nbsp; The resulting frequency response&nbsp; $H_{\rm WF}(f)$ is drawn in green.
*Das untere Bild zeigt als grauen Kurvenzug das Ausgangssignal&nbsp; $d(t)$&nbsp; des Wiener-Filters im Vergleich zum blau gezeichneten Sendesignal&nbsp; $s(t)$.&nbsp; Im Idealfall sollte&nbsp; $d(t) = s(t)$&nbsp; gelten.
+
*The lower figure shows the output signal&nbsp; $d(t)$&nbsp; of the Wiener filter as a gray curve in comparison to the transmitted signal&nbsp; $s(t)$ drawn in blue.&nbsp; Ideally,&nbsp; $d(t) = s(t)$&nbsp; should be valid.
  
  
Die <u>untere Darstellung</u> zeigt:  
+
The <u>bottom plot</u> shows:
  
'''(1)''' &nbsp;  Der mittlere quadratische Fehler (MQF) ergibt sich aus dem Vergleich der Signale&nbsp; $d(t)$&nbsp; und&nbsp; $s(t)$.  
+
'''(1)''' &nbsp;  The mean square error (MSE) is obtained by comparing the signals&nbsp; $d(t)$&nbsp; and&nbsp; $s(t)$.  
  
'''(2)''' &nbsp; Die numerische Auswertung ergab für&nbsp; $\rm MQF$&nbsp; etwa&nbsp; $11\%$&nbsp; der Nutzleistung&nbsp; $P_{\rm S} $.  
+
'''(2)''' &nbsp; Numerical evaluation showed&nbsp; $\rm MSE$&nbsp; to be about&nbsp; $11\%$&nbsp; of the useful power&nbsp; $P_{\rm S} $.  
  
'''(3)''' &nbsp; Im Signal&nbsp; $d(t)$&nbsp; fehlen vorwiegend die höherfrequenten Signalanteile&nbsp; (also die Sprünge).
+
'''(3)''' &nbsp; The signal&nbsp; $d(t)$&nbsp; predominantly lacks the higher frequency signal components&nbsp; (i.e. the jumps).
  
'''(4)''' &nbsp; Diese Anteile werden zugunsten einer besseren Störunterdrückung dieser Frequenzen ausgefiltert.  
+
'''(4)''' &nbsp; These components are filtered out in favor of a better noise suppression of these frequencies.
  
  
Mit keinem anderen Filter ergibt sich bei diesen Voraussetzungen ein kleinerer (mittlerer quadratischer) Fehler als mit dem Wiener-Filter.  
+
Under these conditions, no other filter yields a smaller (mean square) error than the Wiener filter.
  
Dessen Frequenzgang (grüner Kurvenverlauf) lautet hier:  
+
Its frequency response (green curve) is as follows:
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{1}{ {1 + ({N_0 /2})/( {\it \Phi}_0 \cdot {\rm si^2} ( \pi f T  )})} \hspace{0.15cm} .$$
 
:$$H_{\rm WF} (f) = \frac{1}{ {1 + ({N_0 /2})/( {\it \Phi}_0 \cdot {\rm si^2} ( \pi f T  )})} \hspace{0.15cm} .$$
  
Aus dem <u>mittleren Diagramm</u> erkennt  man weiter:  
+
From the <u>central plot</u> you can see further:
*Der Gleichsignalübertragungsfaktor ergibt sich hier zu&nbsp; $H_{\rm WF}(f = 0) = {\it Φ}_0/({\it Φ}_0 + N_0/2) = 10/11.$  
+
*The DC signal transfer factor here results in&nbsp; $H_{\rm WF}(f = 0) = {\it Φ}_0/({\it Φ}_0 + N_0/2) = 10/11.$  
*Bei Vielfachen der Symbolfolgefrequenz&nbsp; $1/T$, bei denen das stochastische Nutzsignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; keine Spektralanteile besitzt, ist&nbsp; $H_{\rm WF}(f) = 0$.  
+
*For multiples of the symbol repetition rate&nbsp; $1/T$, where the stochastic useful signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; has no spectral components,&nbsp; $H_{\rm WF}(f) = 0$.  
*Je mehr Nutzsignalanteile bei einer bestimmten Frequenz vorhanden sind, desto durchlässiger ist bei dieser Frequenz auch das Wiener-Filter.}}
+
*The more useful signal components are present at a certain frequency, the more permeable the Wiener filter is at this frequency.}}
  
==Aufgabe zum Kapitel==
+
==Exercise for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:5.9 Minimierung des MQF|Aufgabe 5.9: Minimierung des MQF]]
+
[[Aufgaben:Exercise_5.9:_Minimization_of_the_MSE|Exercise 5.9: Minimization of the MSE]]
  
  
==Quellenverzeichnis==
+
==References==
 
<references/>
 
<references/>
  
 
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Latest revision as of 11:26, 22 December 2022

Optimization criterion of the Wiener-Kolmogorow filter


As another example of optimal filtering, we now consider the task of reconstructing as well as possible the shape of an useful signal  $s(t)$  from the received signal  $r(t)$,  which is disturbed by additive noise  $n(t)$,  in terms of the  "mean square error"  (MSE):

$${\rm{MSE}} = \mathop {\lim }\limits_{T_{\rm M} \to \infty } \frac{1}{{T_{\rm M} }}\int_{ - T_{\rm M} /2}^{+T_{\rm M} /2} {\left| {d(t) - s(t)} \right|^2 \, {\rm{d}}t} \mathop = \limits^! {\rm{Minimum}}.$$

The filter is named after its inventors  $\text{Norbert Wiener}$  and  $\text{Andrei Nikolajewitsch Kolmogorow}$.  We denote the corresponding frequency response by  $H_{\rm WF}(f).$

Derivation of the Wiener filter

The following conditions apply to this optimization task:

  • The signal  $s(t)$  to be reconstructed is the result of a random process  $\{s(t)\}$, of which only the statistical properties are known in the form of the power-spectral density  ${\it Φ}_s(f)$. 
  • The noise signal  $n(t)$  is given by the PSD  ${\it Φ}_n(f)$.  Correlations between the useful and noise signals are accounted for by the  $\text{cross power-spectral density}$  ${\it Φ}_{sn}(f) = \hspace{0.1cm} –{ {\it Φ}_{ns} }^∗(f)$. 
  • The output signal of the sought filter is denoted by  $d(t)$,  which should differ as little as possible from  $s(t)$  according to the MSE.   $T_{\rm M}$  again denotes the measurement duration.


Let the signal  $s(t)$  be mean-free  $(m_s = 0)$  and power-limited.  This means:   The signal energy  $E_s$  is infinite due to the infinite extension of the signal   $s(t)$  and the signal power has a finite value:

$$P_s = \mathop {\lim }\limits_{T_{\rm M} \to \infty } \frac{1}{{T_{\rm M} }}\int_{ - T_{\rm M} /2}^{+T_{\rm M} /2} |{s(t)|^2 \, {\rm{d}}t > 0.}$$
  • A fundamental difference with the matched filter task is the stochastic and power-limited useful signal  $s(t)$.
  • Let us recall:   In the matched filter, the signal  $g(t)$  to be reconstructed was deterministic, limited in time and thus also energy-limited.

Result of the filter optimization


$\text{Here without proof:}$  The  »transmission function of the optimal filter«  can be determined by the so-called  "Wiener-Hopf integral equation",  and is:

$$H_{\rm WF} (f) = \frac{{ {\it \Phi }_s (f) + {\it \Phi }_{ns} (f)} }{ { {\it \Phi }_s (f) + {\it \Phi }_{sn} (f) + {\it \Phi }_{ns} (f) + {\it \Phi }_n (f)}}.$$
  • $\text{A. Kolmogorow}$  and  $\text{N. Wiener}$  independently solved this optimization problem almost at the same time.
  • The index "WF" stands for Wiener filter and unfortunately does not reveal the merits of Kolmogorov.
  • The derivation of this result is not trivial and can be found for example in  [Hän97][1]


The mathematical derivation of the equation is omitted.  Rather, this filter shall be clarified and interpreted in the following on the basis of some special cases.

  • If signal and disturbance are uncorrelated   ⇒   ${\it Φ}_{sn}(f) = {\it Φ}_{ns}(f) = 0$, the above equation simplifies as follows:
$$H_{\rm WF} (f) = \frac{{ {\it \Phi }_s (f) }}{{ {\it \Phi }_s (f) + {\it \Phi }_n (f) }} = \frac{1}{{1 + {\it \Phi }_n (f) / {\it \Phi }_s (f) }}.$$
  • The filter then acts as a frequency-dependent divider, with the divider ratio determined by the power-spectral densities of the useful signal and the noise signal.
  • The "passband" is predominantly at the frequencies where the useful signal has much larger components than the interference:
$${\it Φ}_s(f) \gg {\it Φ}_n(f).$$
  • The  mean square error  (MSE) between the filter output signal  $d(t)$  and the input signal  $s(t)$  is
$${\rm MSE} = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {\frac{{ {\it \Phi }_s (f) \cdot {\it \Phi }_n (f)}}{{ {\it \Phi }_s(f) + {\it \Phi }_n (f)}}\,{\rm{d}}f = \int\limits_{ - \infty }^{ + \infty } {H_{\rm WF} (f) \cdot {\it \Phi }_n (f)}\, {\rm{d}}f.}$$


Interpretation of the Wiener filter


Now we will illustrate the Wiener-Kolmogorov filter with two examples.

$\text{Example 1:}$  To illustrate the Wiener filter, we consider as a limiting case a transmitted signal  $s(t)$  with the power-spectral density  ${\it Φ}_s(f) = P_{\rm S} · δ(f ± f_{\rm S}).$

  • Thus, it is known that  $s(t)$  is a harmonic oscillation with frequency  $f_{\rm S}$. 
  • On the other hand, the amplitude and phase of the current sample function  $s(t)$ are unknown.


With white noise   ⇒   ${\it Φ}_n(f) = N_0/2$   the frequency response of the Wiener filter is thus:

$$H_{\rm WF} (f) = \frac{1}{ {1 +({N_0 /2})/{\big[ P_{\rm S} \cdot\delta ( {f \pm f_{\rm S} } \big ]} })}.$$
  • For all frequencies except  $f = ±f_{\rm S}$,    $H_{\rm WF}(f) = 0$ is obtained, since here the denominator becomes infinitely large.
  • If we further consider that  $δ(f = ±f_{\rm S})$  is infinitely large at the point  $f = ±f_{\rm S}$,  we further obtain  $H_{\rm MF}(f = ±f_{\rm S} ) = 1. $
  • Thus, the optimal filter is a band-pass around  $f_{\rm S}$  with infinitesimally small bandwidth.
  • The mean square error between the transmitted signal  $s(t)$  and the filter output signal  $d(t)$  is
$${\rm{MSE} } = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {H_{\rm WF} (f) \cdot {\it \Phi_n} (f) \,{\rm{d} }f = \mathop {\lim }\limits_{\varepsilon \hspace{0.03cm} {\rm > \hspace{0.03cm}0,}\;\;\varepsilon \hspace{0.03cm} \to \hspace{0.03cm}\rm 0 } }\hspace{0.1cm} \int_{f_{\rm S} - \varepsilon }^{f_{\rm S} + \varepsilon }\hspace{-0.3cm} {N_0 }\,\,{\rm{d} }f = 0.$$
  • This infinitely narrow band-pass filter would allow complete regeneration of the harmonics in terms of amplitude and phase, given the assumptions made.  Thus, regardless of the magnitude of the interference  $(N_0)$,    $d(t) = s(t)$  would apply.
  • However, an infinitely narrow filter is not feasible.  With finite bandwidth  $Δf$,  the mean square error is ${\rm MSE} = N_0 · Δf$.


This example has dealt with a special case where the best possible result  $\rm MSE = 0$  would be possible, at least theoretically.  The following example makes more realistic assumptions and gives the result  $\rm MSE > 0$.

$\text{Example 2:}$  Now consider a  stochastic rectangular binary signal  $s(t)$, additively overlaid by white noise  $n(t)$. 

Signals at the Wiener filter

The diagram contains the following plots:

  • At the top, the sum signal  $r(t) = s(t) + n(t)$  is shown in gray for  ${\it Φ}_0/N_0 = 5$,  where  ${\it Φ}_0$  denotes the energy of a single pulse and  $N_0$  indicates the power density of the white noise. The useful signal  $s(t)$  is drawn in blue.
  • In the center of the figure, the power-spectral densities  ${\it Φ}_s(f)$  and  ${\it Φ}_n(f)$  are sketched in blue and red, respectively, and given in terms of formulas.  The resulting frequency response  $H_{\rm WF}(f)$ is drawn in green.
  • The lower figure shows the output signal  $d(t)$  of the Wiener filter as a gray curve in comparison to the transmitted signal  $s(t)$ drawn in blue.  Ideally,  $d(t) = s(t)$  should be valid.


The bottom plot shows:

(1)   The mean square error (MSE) is obtained by comparing the signals  $d(t)$  and  $s(t)$.

(2)   Numerical evaluation showed  $\rm MSE$  to be about  $11\%$  of the useful power  $P_{\rm S} $.

(3)   The signal  $d(t)$  predominantly lacks the higher frequency signal components  (i.e. the jumps).

(4)   These components are filtered out in favor of a better noise suppression of these frequencies.


Under these conditions, no other filter yields a smaller (mean square) error than the Wiener filter.

Its frequency response (green curve) is as follows:

$$H_{\rm WF} (f) = \frac{1}{ {1 + ({N_0 /2})/( {\it \Phi}_0 \cdot {\rm si^2} ( \pi f T )})} \hspace{0.15cm} .$$

From the central plot you can see further:

  • The DC signal transfer factor here results in  $H_{\rm WF}(f = 0) = {\it Φ}_0/({\it Φ}_0 + N_0/2) = 10/11.$
  • For multiples of the symbol repetition rate  $1/T$, where the stochastic useful signal  $s(t)$  has no spectral components,  $H_{\rm WF}(f) = 0$.
  • The more useful signal components are present at a certain frequency, the more permeable the Wiener filter is at this frequency.

Exercise for the chapter


Exercise 5.9: Minimization of the MSE


References

  1. Hänsler, E.:  Statistische Signale: Grundlagen und Anwendungen.  2. Auflage. Berlin – Heidelberg: Springer, 1997.