filtros de wiener

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1 Filtros de Wiener

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Page 1: Filtros de Wiener

1

Filtros de Wiener

Page 2: Filtros de Wiener

Introdução à Filtragem Linear Ótima

Esta aula trata de uma classe de filtros lineares ótimos discretos no tempo

conhecidos como Filtros de Wiener.

A teoria para um filtro de Wiener é formulada para o caso geral de

séries temporais de valor complexo com o filtro especificado em termos

de sua resposta impulsiva. A razão para o uso destas séries é que em

muitas situações práticas (ex. comunicação, radar, sonar) o sinal de

banda base de interesse aparece na forma complexa.

• O termo banda base é usado para designar a banda de frequências

do sinal original gerado pela fonte de informação.

• Este estudo é iniciado pelo problema da filtragem linear ótima...

2

Page 3: Filtros de Wiener

Introdução à Filtragem Linear Ótima

Seja o filtro linear discreto no tempo:

A entrada consiste de uma série temporal u(0), u(1), u(2),..., e o filtro é caracterizado pela resposta

impulsiva w0, w1, w2, ...

Em um tempo discreto n, o filtro produz uma saída denotada por y(n). Esta saída é usada para prover

uma estimativa de uma resposta desejada que pode ser denotada por d(n).

Com a entrada do filtro e a resposta desejada representando realizações simples de processos

estocásticos, a estimação é acompanhada por um erro com características estatísticas próprias. Em

particular, o erro estimado, denotado por e(n), é definido como sendo a diferença entre a resposta

desejada d(n) e a saída do filtro y(n). O requisito básico é fazer o erro estimado e(n) o menor possível

num sentido estatístico.

3

Page 4: Filtros de Wiener

Introdução à Filtragem Linear Ótima

Até aqui, duas restrições foram impostas ao filtro:

O filtro é linear, o que facilita sua análise matemática

O filtro opera num tempo discreto, o que torna possível sua

implementação usando hardware/software digital.

Entretanto, os detalhes finais da especificação do filtro dependem de duas

outras escolhas a serem feitas:

Se a resposta impulsiva é de duração finita ou infinita

• A escolha da duração finita (finite-duration impulse response, FIR)

ou infinita (infinite-duration impulse response, IIR) é ditada por

considerações práticas.

Qual o tipo de critério estatístico será usada para a otimização.

• A escolha do critério estatístico para otimização do filtro é

influenciada pela tratabilidade (acessabilidade) matemática. 4

Page 5: Filtros de Wiener

5

Em resumo: Problema que se encontra em engenharia:

Estimação de um sinal desejado [ s(n) ] a partir de um outro [ x(n) ]

em que x(n) consiste do sinal desejado mais um sinal de ruído ou

interferência v(n).

x(n) = s(n) + v(n)

objetivo:

projetar um filtro que minimiza a interferência aditiva e ao mesmo

tempo preserva as características do sinal desejado.

Filtros Clássicos:

Os filtros passa baixas, etc., raramente restauram o sinal em algum sentido

ótimo.

Solução:

Filtros de Wiener ou então de Kalman.

Utilizam métodos dos mínimos quadrados

Page 6: Filtros de Wiener

6

1. Introdução ao problema

Problema:

Projeto de um filtro com resposta ao impulso h(n) que produz uma

estimativa ótima de s(n).

Critério:

O erro quadrático médio entre as amostras originais e as estimadas

deve ser mínimo, isto é,

= E[ e2(n) ]MIN

Este critério tem a vantagem de ser simples na implementação e no

tratamento matemático

H(z) x(n) = s(n) + v(n)

s(n)

)(ˆ ns)(ˆ)()( nsnsne - +

estimativa ótima de s(n) Erro na estimativa

Page 7: Filtros de Wiener

7

2. Filtro de Wiener FIR

Admitindo um filtro FIR com M coeficientes constantes, então:

1

0

)()(

M

l

lzlhzH

Sendo x(n) o sinal de entrada, então o sinal estimado será dado pela soma

convolução entre h(n) e x(n). Assim:

1

0

)()()(ˆM

l

lnxlhns

Problema:

Encontrar os coeficientes h(k) : k = 0, 1, ... M-1 tal que o erro quadrático

médio seja mínimo, isto é:

MÍNIMOnsnsEneE 22 |)(ˆ)(||)(|

Page 8: Filtros de Wiener

8

3. Cálculo dos h(k)

Derivando em relação a h*(k) tem-se:

0

)(

)()(

)(

)()(

)( *

*

*

*

*

kh

neneE

kh

neneE

kh

Derivada do conjugado do erro:

)(

)(

)(ˆ)(

)(

)( *

*

*

*

*

knxkh

nsns

kh

ne

Para que o erro seja mínimo tem-se que:

1,,1,0:0)()( * MkknxneE

Sinal de erro e de entrada devem ser ortogonais.

Princípio da ortogonalidade.

x

e

substituindo

Page 9: Filtros de Wiener

9

1

0

)()()()(ˆ)()(M

l

lnxlhnsnsnsne como:

0)()()()()(1

0

**

M

l

knxlnxlhknxnsE

0)()( * knxneE substituindo na equação anterior: tem-se:

0)()()()()(1

0

**

M

l

knxlnxElhknxnsE

portanto:

1,,1,0:)()()(1

0

MklkrlhkrM

l

xsx Equações

de Wiener-

Hopf

Page 10: Filtros de Wiener

10

Na forma matricial: sxx rhR .

)0()2()1(

)2()0()1(

)1()1()0(

xxx

xxx

xxx

rMrMr

Mrrr

Mrrr

Rx =

)1(

)1(

)0(

mh

h

h

h =

)1(

)1(

)0(

mr

r

r

sx

sx

sx

rsx =

Matriz de Toeplitz

(hermitiana)

xH = [XT]*

Erro mínimo:

1

0

* )()()(M

l

sxsMIN lrlhnr

Page 11: Filtros de Wiener

11

4. Aplicação prática

Em muitas aplicações sinal e ruído são admitidos descorrelacionados.

vsx RRR

)()()()()(

krkrnvnsnx

ssx

e as equações de Wiener-Hopf se tornam:

svs rhRR

Solução das equações

sxx rhR . Rx Matriz de Toeplitz (hermitiana)

xH = [XT]*

Algoritmos de Levinson

e de Cholesky

Page 12: Filtros de Wiener

12

5. Filtro de Wiener como supressor de ruído

Estimação de um sinal s(n) a partir de uma medida x(n) contaminada

por ruído aditivo.

x(n) = s(n) + v1(n)

Neste caso, as estatísticas do ruído são obtidas através de um sensor

secundário como mostra a figura.

O sinal é utilizado para estimar o ruído v1(n).

Filtro de Wiener

h(n)

)(ˆ)()(ˆ 1 nvnxns

-

+ sinal

s(n)

ruído

)()()( 1 nvnsnx

)(2 nv)(ˆ

1 nv

Os ruídos medidos nos dois sensores são correlacionados mas não são

iguais; O filtro estima v1(n) a partir de v2(n).

Page 13: Filtros de Wiener

13

Obtenção das equações de Wiener-Hopf

Sinal de entrada v2(n)

sinal a ser estimado v1(n)

equações de Wiener-Hopf: 212 vvv rhR

Cálculo da correlação cruzada:

)(

*

2

*

2

*

2

*

2

*

21)(

2

21

)()(

)()()()(

)()()()()(

kxv

kvv

rknvnxE

knvnsEknvnxE

knvnsnxEknvnvEr

22 xvv rhR

Observe que x(n) e v2(n) são sinais disponíveis e portanto é possível

uma implementação prática deste filtro.

Portanto:

Page 14: Filtros de Wiener

14

5.1 Exemplo

Sinal desejado:

Os sinais de ruído foram gerados considerando um modelo AR(1):

1.0:)sen()( 00 wondenwns

brancoruídongondengnvnv

ngnvnv:)(

)()1(6.0)(

)()1(8.0)(

22

11

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-2

0

2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-2

0

2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-2

0

2

Page 15: Filtros de Wiener

15

6. Filtro de Wiener IIR

l

lnxlhns )()()(ˆ

MÍNIMOnsnsEneE 22 |)(ˆ)(||)(|

kkrlkrlhl

sxx :)()()(

Neste caso h(n) tem duração infinita.

Tem-se disponível uma medida x(n) contaminada por ruído aditivo.

x(n) = s(n) + v(n)

Dois tipos de filtros: causal e não causal.

6.1 Filtro de Wiener não causal

Saída do filtro:

Problema: Encontrar o filtro que minimiza o erro quadrático médio:

Solução: derivando o erro com relação aos h*(k) tem-se que:

Page 16: Filtros de Wiener

16

No domínio da frequência:

)(

)()(

jw

x

jw

sxjw

eP

ePeH

Erro quadrático médio mínimo:

l

*sxs

jw*sx

jwjwsMIN lrlhrdwePeHeP 0

2

1

No caso de sinal e ruído serem descorrelacionados:

)()(

)()(

jw

v

jw

s

jw

sjw

ePeP

ePeH

0)()()(

1)()()(

jwjw

v

jw

s

jwjw

v

jw

s

eHePeP

eHePeP Sinal predominante

ruído predominante

Page 17: Filtros de Wiener

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6.2 Exemplo

Sinal AR(1) com dep:

)1)(1()(

1

2

0

zz

bzPs

Ruído branco com variância: 2

v

Resposta do filtro:

)1)(1()(

122

0

2

0

zzb

bzH

v

admitindo: 25.0;5.0;5.0 2

0 vb

)2344.01)(2344.01(

4688.0)(

1 zzzH

n

nh 2344.0496.0)(

Erro mínimo: 124.0)0(2 hvMIN

Page 18: Filtros de Wiener

18

Apêndice

Exemplos de filtragem de um sinal de voz

Page 19: Filtros de Wiener

19

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000-2

-1

0

1

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000-2

-1

0

1

2

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000-2

-1

0

1

2

Filtro de Kalman

Page 20: Filtros de Wiener

20

Filtro de Wiener

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-2

-1

0

1

2Sinal Limpo

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-2

-1

0

1

2Sinal Ruidoso

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-2

-1

0

1

2Sinal Filtrado

Page 21: Filtros de Wiener

21

Filtro de Butterworth

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-2

-1

0

1

2sinal limpo

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-2

-1

0

1

2sinal ruidoso

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-2

-1

0

1

2sinal filtrado

Page 22: Filtros de Wiener

22

Tabela Comparativa

Butterworth

Wiener

Filtro

Kalman

Aumento na SNR

5 dB

8 dB

18 dB