
20世纪40年代,维纳奠定了关于最佳滤波器研究的基础。即假定线性滤波器的输入为有用信号和噪声之和,两者均为广义平稳过程且知它们的二阶统计特性,维纳根据最小均方误差准则(滤波器的输出信号与需要信号之差的均方值最小),求得了最佳线性滤波器的参数,这种滤波器被称为维纳滤波器。在维纳研究的基础上,人们还根据最大输出信噪比准则、统计检测准则以及其他最佳准则求得的最佳线性滤波器。实际上,在一定条件下,这些最佳滤波器与维纳滤波器是等价的。因而,讨论线性滤波器时,一般均以维纳滤波器作为参考。
信号波形从被噪声污染中恢复称为滤波。这是信号处理中经常采用的主要方法之一,具有十分重要的应用价值。常用的滤波器是采用电感、电容等分立元件构成,如RC低通滤波器、LC谐振回路等。但对于混在随机信号中的噪声滤波,这些简单的电路就不是最佳滤波器,这是因为信号与噪声均可能具有连续的功率谱。不管滤波器具有什么样的频率响应,均不可能做到噪声完全滤掉,信号波形的不失真。因此,需要寻找一种使误差最小的最滤波方法,又称为最佳滤波准则。
从噪声中提取引号波形的各种估计方法中,维纳(Wiener)滤波是一种最基本的方法,适用于需要从噪声中分离出的有用信号是整个信号(波形),而不只是它的几个参量。其基本依据就是最小均方误差准则。
设维纳滤波器的输入为含噪声的随机信号。期望输出与实际输出之间的差值为误差,对该误差求均方,即为均方误差。因此均方误差越小,噪声滤除效果就越好。为使均方误差最小,关键在于求冲激响应。如果能够满足维纳-霍夫方程,就可使维纳滤波器达到最佳。根据维纳-霍夫方程,最佳维纳滤波器的冲激响应,完全由输入自相关函数以及输入与期望输出的互相关函数所决定。
假设维纳滤波器的输入信号是 s(t),叠加噪声 n(t)。输出信号 x(t) 通过滤波器 g(τ) 使用下面的卷积运算得到:
x(t) = g(τ) * (s(t) + n(t))
其中:
●s(t) 是需要估计的原始信号
●n(t) 是噪声
●x(t) 是估计出的信号(我们希望它能等同于 s(t))