维纳滤波器
维纳滤波器
w
* 1
m in
w
* 0
w
0
w
1
记 为 w w , w w
* T N 1
( w ) 若 使最 ( w )小 ， 须 0 w 即
( w ) ( w ) ( w ) ( w ) ， ,, 2 R w 2 p 0 w w w w 0 1 N 1
E dn () 2 w () n E d () n xn () N
2
T
期 望 响 应 的 平 均 功 率
2 d
( n ) 是 w 的 函 数 , 即 ( n ) ( w )
T w () n E xn () xn () w () n N N T
——维纳-霍甫夫(Wiener-Hopf)方程
它反映了相关函数与最佳单位脉冲响应之间的关系。
Wiener-Hopf方程的矩阵形式
R hR s x x x
自相关矩阵 故最佳单位脉冲响应 其中
s () n 与的 x () n互 相 关
h RR s x o p t
R 0, N1 R 1, N1 RN1,N1
xn 观察/测量数据
s n 真实信号
vn 加性噪声/干扰
ˆ s n x n h n h i x n i 线性估计问题 i
ˆ e n s n s n
2
估计误差
n E en m i n h n 最小均方误差(MMSE)估计
得到：
E [] e x 0 i 0 , 1 ,, N 1 i
或
N 1 E h x sx 0 i j j j 0
维纳滤波器
维纳滤波器维纳滤波器（Wiener filter）是由数学家维纳（Rorbert Wiener）提出的一种以最小平方为最优准则的线性滤波器。
在一定的约束条件下，其输出与一给定函数（通常称为期望输出）的差的平方达到最小，通过数学运算最终可变为一个托布利兹方程的求解问题。
维纳滤波器又被称为最小二乘滤波器或最小平方滤波器，目前是基本的滤波方法之一。
维纳滤波是利用平稳随机过程的相关特性和频谱特性对混有噪声的信号进行滤波的方法，1942年美国科学家N.维纳为解决对空射击的控制问题所建立，是40年代在线性滤波理论方面所取得的最重要的成果。
目录编辑本段维纳滤波器维纳滤波从连续的(或离散的)输入数据中滤除噪声和干扰以提取有用信息的过程称为滤波，而相应的装置称为滤波器。
根据滤波器的输出是否为输入的线性函数，可将它分为线性滤波器和非线性滤波器两种。
滤波器研究的一个基本课题就是：如何设计和制造最佳的或最优的滤波器。
所谓最佳滤波器是指能够根据某一最佳准则进行滤波的滤波器。
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。
维纳滤波原理
维纳滤波原理维纳滤波是一种信号处理中常用的滤波方法，它的原理是基于最小均方误差准则，通过对信号和噪声的统计特性进行分析，设计一种能够最小化系统输出与期望输出之间均方误差的滤波器。
维纳滤波在图像处理、语音处理、雷达信号处理等领域都有广泛的应用，下面我们来详细了解一下维纳滤波的原理和应用。
首先，我们需要了解维纳滤波的基本模型。
维纳滤波的输入信号可以表示为s(n)，噪声信号表示为v(n)，系统输出信号表示为x(n)，那么维纳滤波器的输出可以表示为：x(n) = w(n) s(n) + v(n)。
其中，表示卷积操作，w(n)表示滤波器的权值。
维纳滤波的目标是设计一个滤波器，使得系统输出信号x(n)与期望输出信号d(n)之间的均方误差最小，即最小化误差信号e(n)的均方值E[e^2(n)]。
根据最小均方误差准则，我们可以得到维纳滤波器的最优解为：w(n) = R_ss^(-1) p_s。
其中，R_ss表示输入信号s(n)的自相关矩阵，p_s表示输入信号s(n)与期望输出信号d(n)的互相关向量。
这个公式描述了维纳滤波器的权值与输入信号和期望输出信号的统计特性之间的关系。
维纳滤波器的设计需要对输入信号和噪声信号的统计特性有一定的了解。
通常情况下，输入信号和噪声信号被假设为高斯分布，因此可以通过它们的均值和方差来描述它们的统计特性。
在实际应用中，我们可以通过对信号和噪声的样本进行统计分析，估计它们的均值和方差，进而设计维纳滤波器。
除了基本的维纳滤波器设计原理，维纳滤波还有一些扩展应用。
例如，当输入信号和噪声信号的统计特性未知或难以估计时，我们可以通过自适应滤波的方法来实现维纳滤波。
自适应滤波器可以根据系统的实时输入信号和输出信号来动态地调整滤波器的权值，以适应信号和噪声的变化特性，从而实现更好的滤波效果。
维纳滤波在图像处理中有着广泛的应用。
在数字图像处理中，图像通常会受到噪声的影响，例如加性高斯噪声、椒盐噪声等。
维纳滤波器的基本原理
维纳滤波器的基本原理维纳滤波器是一种经典的信号处理方法，它被广泛应用于噪声抑制、图像恢复和语音处理等领域。
维纳滤波器通过将观测信号和噪声之间的相关性纳入考虑，可以有效地提高信号的质量，减少噪声的干扰。
维纳滤波器的基本原理可以用以下几个步骤来描述。
首先，我们需要了解原始信号和噪声的统计特性。
通过对观测信号和噪声进行建模，我们可以估计它们的自相关函数和互相关函数。
这些统计参数将帮助我们理解噪声的特性以及其对原始信号的影响。
接下来，我们需要构建一个滤波器，该滤波器将输入观测信号作为输入，并通过滤波过程来降低噪声的影响。
在构建滤波器时，我们需要考虑两个主要要素：信号的自相关函数和噪声的自相关函数。
信号的自相关函数描述了信号中不同时间点之间的相关性，而噪声的自相关函数描述了噪声本身的特性。
维纳滤波器的关键思想是最小化输出信号和原始信号之间的均方误差，同时最大化输出信号和原始信号之间的相关性。
通过将这两个目标结合起来，我们可以设计一个最优的滤波器，使输出信号尽可能接近原始信号，并且削弱噪声的干扰。
在滤波器的设计中，我们需要根据原始信号和噪声的统计特性来确定一些参数。
例如，我们可以利用原始信号的自相关函数和噪声的自相关函数来计算滤波器的频率响应。
通过调整滤波器的参数，我们可以改变滤波器的频率响应，从而实现对信号和噪声之间相关性的优化。
最后，我们需要通过将观测信号传递给维纳滤波器来得到滤波后的输出信号。
维纳滤波器使用输入信号的统计特性以及滤波器的参数来调整输出信号的频谱。
这样，滤波器可以通过增大信号和减小噪声之间的相关性来最大限度地提高输出信号的质量。
总之，维纳滤波器是一种通过考虑原始信号和噪声之间的相关性来优化信号质量的方法。
它的基本原理是最小化输出信号和原始信号之间的均方误差，并最大化输出信号和原始信号之间的相关性。
通过合理地设计滤波器的参数，维纳滤波器可以在信号处理领域中发挥重要作用，提高信号的质量，并减少噪声的干扰。
维纳滤波和谱减法降噪
维纳滤波和谱减法降噪
维纳滤波（Wiener Filtering）和谱减法降噪（Spectral Subtraction）是两种常见的信号处理技术，用于在信号中降低噪声水平。
一、维纳滤波（Wiener Filtering）：
维纳滤波是一种线性滤波器，通过估计信号和噪声的功率谱密度，并根据它们的关系对信号进行滤波。
它的基本思想是在频率域上对信号进行加权，使得期望的信号与噪声之间的比率最大化。
维纳滤波在不同噪声分布和信号特性下的表现较好，但需要对信号和噪声的统计特性有一定的先验知识。
二、谱减法降噪（Spectral Subtraction）：
谱减法是一种基于频域的降噪方法，它通过对信号的频谱进行估计，并减去估计的噪声频谱来降低噪声水平。
该方法假设信号和噪声在频率域上是线性可分的，因此可以通过减去估计的噪声频谱来增强信号。
谱减法是一种简单且有效的降噪方法，但在信号与噪声之间存在重叠的频率范围时，可能会导致信号失真。
这两种方法在实际应用中常用于语音信号处理、图像处理、雷达信号处理等领域，以降低信号中的噪声水平，提高信号的质量和清晰度。
选择合适的方法取决于信号的特性以及对噪声的先验知识。
维纳滤波(Wiener Filtering)
１.１因果的维纳滤波器
设 是物理可实现的，也即是因果序列：因此，从式(1)、(2)、(3)、(4)推导： (5) (6)
要使得均方误差最小，则将上式对各 m＝0，1，…，求偏导，并且等于零，得：
设有一个线性系统，它的单位脉冲响应是 ，当输入一个观测到的随机信号 ，简称观测值，且该信号包含噪声 和有用信号 ，简称信号，也即 (1)
则输出为 (2)
系统框图中估计到的 信号和我们期望得到的有用信号 不可能完全相同，这里用 来表示真值和估计值之间的误差 (3)显然 是随机变量，维纳滤波和卡尔曼滤波的误差准则就是最小均方误差准则 (4)
我们希望输出得到的 与有用信号 尽量接近，因此称 为 的估计值，用 来表示 ，我们就有了维纳滤波器的系统框图 .这个系统的单位脉冲响应也称为对于 的一种估计器。
用当前的和过去的观测值来估计当前的信号 称为滤波；用过去的观测值来估计当前的或将来的信号 ，称为预测；用过去的观测值来估计过去的信号 称为平滑或者内插。
若信号与噪声互不相关，即，
前面推导的最小均方误差[下式]：
可以改写为：
【例1】如图， ，信号与噪声统计独立，其中 噪声是方差为1的单位白噪声，试设计一个N＝2的维纳滤波器来估计 ，并求最小均方误差。
解：已知信号的自相关和噪声的自相关为：
第6章 维纳滤波
（Wiener Filtering）
do
something
随机信号或随机过程(random process)是普遍存在的。一方面，任何确定性信号经过测量后往往就会引入随机性误差而使该信号随机化；另一方面，任何信号本身都存在随机干扰，通常把对信号或系统功能起干扰作用的随机信号称之为噪声。噪声按功率谱密度划分为白噪声（white noise）和色噪声（color noise），我们把均值为0的白噪声叫纯随机信号（pure random signal）。因此，任何其它随机信号都可看成是纯随机信号与确定性信号并存的混合随机信号或简称为随机信号。要区别干扰（interference）和噪声( noise)两种事实和两个概念。非目标信号（nonobjective signal都可叫干扰。
维纳滤波器
z(n) Hw(z)
w(n) H2(z)
ˆ s ( n)
1 Hw(z) = + Gz (z)
维纳滤波器
+ H2 (z) = Gsw(z) =[Hw(z−1)Gsz (z)]+
1 Gsz (z) H(z) = + + −1 Gz (z) Gz (z )
+
维纳滤波器
Rsw (n1 , n2 ) = E {s (n1 ) w(n2 )} = E s (n1 )∑ z (n2 − k )hw (k ) k =0 = ∑ Rsz (n1 , n2 − k )hw (k )
维纳滤波器
维纳滤波器
波形估计 维纳滤波器频域解 维纳滤波器时域解
维纳滤波器
一、波形估计一般概念
z(n) = s(n) + v(n)
波形估计有三种类型 ：
n = n0, n0 +1 nf ,...,
(1)滤波： 根据当前和过去的观测值 滤波： 滤波 {z(k),k= n0, n0+1,...,n}对信号 对信号s(n)进行估计 对信号 进行估计 (2)预测 根据当前和过去的观测值 预测: 根据当前和过去的观测值{z(k),k= n0, n0+1,...,nf} 预测 对未来时刻n(n>nf)的信号 的信号s(n)进行估计，预测也称为外 进行估计， 对未来时刻 的信号 进行估计 推。
维纳滤波器 (3)内插 根据某一区间的观测数据 内插: 根据某一区间的观测数据{z(k),k= 内插 n0,n0+1,...,nf}对区间内的某一个时刻 0<n<nf)的信 对区间内的某一个时刻n(n 对区间内的某一个时刻 的信 号进行估计，内插也称为平滑。 号进行估计，内插也称为平滑。 波形估计的目的： 波形估计的目的： 选取线性滤波器的冲激响应函数或传输函数， 选取线性滤波器的冲激响应函数或传输函数， 使估计的均方误差达到最小。 使估计的均方误差达到最小。
第二章维纳滤波2-3
解 得 B ( z )。 因 B ( z ) 是 xx ( z ) 单 位 园 内 的 零 、 极 点 组 成 ， 所 以 B ( z )和 1 B(z) 都是物理可实现的因果系统。
G ( z )也 可 分 为 因 果 性 与 非 因 果 性 的 情 况 ， 但它是将激励信号白化后所得的白噪声， 使 求 解 G ( z )比 直 接 求 解 H
2 -1
又 因 为 x ( n ) s ( n ) ( n ), x ( n )的 信 号 模 型 为 ：
v(n)
w (n) A( z)
s(n)
x(n)
当 x ( n )的 功 率 谱 密 度 也 是 z的 有 理 式 时 ， 显 然 可 将 x (n )表 示 如 下 信 号 模 型 ：
2
1
2
ws (k )
2
ws ( z )=
xs
(z)
1
w k -
B(z
)
E e (n) m in =
2 -1 1 1 xs ( z ) xs ( z ) -1 c ss ( z ) - 2 B ( z -1 ) B ( z ) z d z 2 j w
x s (- m ) b ( m ) w s (- m )
x s ( m ) b (- m ) w s ( m )
(z) B(z xs
ws 1
)
1
ws
(z)
( z )=
xs
(z) )
B(z
H
opt
(z)
G (z) B(z)
xs 1
ˆ s ( n )的 均 方 误 差 ：
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西安电子科技大学统计与自适应信号处理仿真学院：班级：学号：姓名：2013年12月FIR 维纳滤波器1维纳滤波原理概述维纳（Wiener ）是用来解决从噪声中提取信号的一种过滤（或滤波）方法。
这种线性滤波问题，可以看做是一种估计问题或一种线性估计问题。
一个线性系统，如果它的单位样本响应为)(n h ，当输入一个随机信号)(n x ，且)()()(n v n s n x += （1） 其中)(n x 表示信号，)(n v )表示噪声，则输出)(n y 为∑-=mm n x m h n y )()()( （2）我们希望)(n x 通过线性系统)(n h 后得到的)(n y 尽量接近于)(n s ，因此称)(n y 为)(n s 的估计值，用^)(n s 表示，即^)()(n s n y = （3） 则维纳滤波器的输入—输出关系可用下面图1表示。
图1 维纳滤波器的输入—输出关系实际上，式（2）所示的卷积形式可以理解为从当前和过去的观察值)(n x ，)1(-n x ，)2(-n x …)(m n x -，…来估计信号的当前值^)(n s 。
因此，用)(n h 进行过滤问题实际上是一种统计估计问题。
一般地，从当前的和过去的观察值)(n x ，)1(-n x ，)2(-n x …估计当前的信号值^)()(n s n y =成为过滤或滤波；从过去的观察值，估计当前的或者将来的信号值)0)(()(^≥+=N N n s n y 称为外推或预测；从过去的观察值，估计过去的信号值)1)(()(^>-=N N n s n y 称为平滑或内插。
因此维纳滤波器又常常被称为最佳线性过滤与预测或线性最优估计。
这里所谓的最佳与最优是以最小均方误差为准则的。
如果我们分别以)(n s 与^)(n s 表示信号的真实值与估计值，而用)(n e 表示他们之间的误差，即)()()(^n s n s n e -= （4）显然)(n e 可能是正值，也可能是负值，并且它是一个随机变量。
因此，用它的均方误差来表达误差是合理的，所谓均方误差最小即它的平方的统计期望最小： min )]([)(2==n e E n ξ采用最小均方误差准则作为最佳过滤准则的原因还在于它的理论分析比较简单，不要求对概率的描述。
2维纳-霍夫方程的求解为了按（5）式所示的最小均方误差准则来确定维纳滤波器的冲激响应)(n h ，令)(n ξ对)(j h 的导数等于零，即可得m i m Ri h m R i xx xs ∀-=∑,)()()( （6）式中，)(m R xs 是)(n s 与)(n x 的互相关函数，)(m R xx 是)(n x 的自相关函数，分别定义为)]()([m n s n x E R xs +=)]()([m n x n x E R xx +=式（6）称为维纳滤波器的标准方程或维纳-霍夫（Wiener -Hopf ）方程。
如果已知)(m R xs 和)(m R xx ，那么解此方程即可求的维纳滤波器的冲激响应。
式（6）所示标准方程右端的求和范围即i 的取值范围没有具体标明，实际上有三种情况：（1） 有限冲激响应（FIR ）维纳滤波器，i 从0到1-N 取得有限个整数值；（2） 非因果无限冲激响应（非因果IIR ）维纳滤波器，i 从∞-到∞+取所有整数值；（3） 因果无限冲激响应（因果IIR ）维纳滤波器，i 从0到∞+取正整数值。
上述三种情况下标准方程的解法不同，本文将描述因果IIR 维纳滤波器和FIR 维纳滤波器的求解。
3 FIR 维纳滤波器的求解设滤波器冲激响应序列的长度为N ，冲激响应矢量为TN h h h h )]1()....1()0([-= （14） 滤波器输入数据矢量为TN n x n x n x n x )]1()...1()([)(+--= （15） 则滤波器的输出为)()()()(^n x h h n x n s n y TT === （16） 这样，式（6）所示的维纳-霍夫方程可写成R h P T T =或Rh P = （17） 其中)]()([n s n x E P = （18） 是)(n s 与)(n x 的互相关函数，它是一个N 维列矢量；R 是)(n x 的自相关函数，是N 阶方阵)]()([n x n x E R T= （19） 利用求逆矩阵的方法直接求解式（10），得P R h opt 1-= （20） 这里opt 表示“最佳”，这就是FIR 维纳滤波器的冲激响应。
4 FIR 维纳滤波器的matlab 实现这是FIR 维纳滤波器的原理框图：)1+图2 FIR 维纳滤波器的原理框图设计维纳滤波器的过程就是寻求在最小均方误差下滤波器的单位脉冲响应或传递函数的表达式，其实质就是解维纳－霍夫（Wiener－Hopf）方程。
这是用matlab设计FIR维纳滤波器的流程图：图3 FIR维纳滤波器的流程图5 FIR维纳滤波器的matlab程序%************************************************************ % wiener.m% FIR维纳滤波器的设计与仿真% *********************************************************** clear all;clc;%************************* 生成信号************************* % 信号振幅A=1.0;% 初始的相位th0=0;N=input('请输入信号长度');vn=randn(1,N);%产生随机高斯白噪声%产生信号sn = zeros(1,N);k = 0:N-1;sn = A*sin(2*pi*k/N+th0)+2;xn=sn+vn; %信号中加入随机高斯白噪声%******************** 计算自相关函数Rxx ********************** Rxx=xcorr(xn,xn); %得到混合信号的自相关函数M=input('输入滤波器阶数');for i=1:M %得到混合信号的自相关矩阵for j=1:Mrxx(i,j)=Rxx(i-j+N);endend%******************** 计算互相关函数Rxy ********************** Rxy=xcorr(xn,sn); %得到混合信号和原信号的互相关函数for i=1:Mrxy(i)=Rxy(i+N-1);end %得到混合信号和原信号的互相关向量%********** 利用维纳-霍夫方程计算wiener滤波器系数************** h1=inv(rxx)*rxy';%************** 利用得到的wiener滤波器滤波******************** out_signal=conv(xn,h1);yn=out_signal(1:N);%*********************** 变换到频域*************************** sf=abs(fftshift(fft(sn,N)));xf=abs(fftshift(fft(xn,N)));yf=abs(fftshift(fft(yn,N)));%*********************** 在时域画图***************************%分别画出原信号，加入噪声的混合信号，滤波后的信号k=1:N;figure;plot(k,sn);axis([0,N,0,6]);title('原始信号');figure;plot(k,xn);axis([0,N,0,6]);title('加噪后的信号');figure;plot(k,yn);axis([0,N,0,6]);title('滤波后的信号');%************************ 在频域画图**************************** %分别画出变换到频域后原信号，加入噪声的混合信号，滤波后的信号k=1:N;figure;plot(k,sf);axis([0,N,0,2000]);title('原始信号');figure;plot(k,xf);axis([0,N,0,2000]);title('加噪后的信号');figure;plot(k,yf);axis([0,N,0,2000]);title('滤波后的信号');%************************** 计算均方误差MSE ********************** mse=mean((yn-sn).^2) %滤波后的信号相对原信号的统计均方误差%****************************************************************** 6 仿真结果（1）保持滤波器阶数不变，改变信号样本的长度A.信号样本点数1000 维纳滤波器阶数100图4 时域仿真图图5 频域仿真图B.保持维纳滤波器阶数100，改变信号样本点数N为5000和10000后滤波后的信号仿真图对比N=1000 N=5000 N=10000图6 不同信号样本点数下的滤波后的信号仿真图对比C.保持维纳滤波器阶数100，信号样本点数N分别为1000、2000、3000…10000。
每个样本点数下仿真100次。
图7 不同信号样本点数N下的MSED.仿真结果分析：a)从A仿真结果可以看出，维纳滤波器对于噪声过滤有着显著的效果；b)从B仿真结果可以看出，保持滤波器阶数不变，改变信号样本的长度（点数）滤波的效果随着信号样本的长度的增加而提高。
(这是因为信号样本越长信号的统计特征就越完整)c)从C仿真结果可以看出，均方误差MSE随着信号样本的长度的增加而减小，这和B仿真结果的得出的结论是一致的。
（2）保持信号样本的长度不变，改变滤波器阶数A.保持信号样本点数N为1000，改变维纳滤波器阶数为10、50和100后滤波后的信号仿真图对比阶数=10 阶数=50 阶数=100图8 不同滤波器阶数下的滤波后的信号仿真图对比B.保持信号样本点数N为1000，改变维纳滤波阶数为10、20、30…100滤波后的MSE，每个样本点数下仿真100次。
图9 不同维纳滤波器阶数下的MSEC.仿真结果分析：a)从A仿真结果可以看出，维纳滤波器的阶数越大，滤波后的信号更接近原始信号，但随之计算量也增大b)从B仿真结果可以看出，均方误差MSE随着维纳滤波器的阶数的增加而减小，这和A仿真结果的得出的结论是一致的。