 |
Общая постановка задачи обнаружения сигнала на фоне помех
|
|
|
|
Наблюдается процесс z(t), который может быть только помехой n(t) или результатом некоторого взаимодействия помехи n(t) и полезного сигнала x(t). Необходимо построить алгоритм, который позволил бы принять обоснованное решение о наличии или отсутствии сигнала в наблюдаемом процессе. В последствии этот алгоритм может быть реализован в виде программы обнаружения сигнала или в виде соответствующего технического устройства.
Поставленная задача в теории проверки статистических гипотез формализуется следующим образом:
- проверяется нулевая гипотеза
против альтернативной гипотезы
Чаще всего оператору доступен только ограниченный отрезок 
одной единственной реализации 
сигнала 
, поэтому решении о принятии той или иной гипотезы приходится принимать по ограниченному числу опытных данных. В качестве таких данных используется выборка 
, составленная из m отсчетов наблюдаемой реализации 
, полученных после ее дискретизации и взятых в моменты времени 
, разделенных шагом дискретизации 
. Выборку 
можно рассматривать как случайный вектор с компонентами 
или как случайную m – мерную величину. Полное статистическое описание случайного вектора дается плотностью совместного распределения его компонент 
, где:
- транспонированный вектор возможных значений выборочных данных,[15]
- транспонированный вектор параметров помех (мощность, границы частотного диапазона и т.д.),
- транспонированный вектор параметров сигнала (амплитуда, частота, фаза и т.д.)
На практике помеху часто можно считать нормальным случайным процессом типа белого шума с единственным параметром 
, равным дисперсии помехи. Если передается синусоидальный сигнал, то вектор его параметров 
включает в себя амплитуду сигнала, его частоту и начальную фазу.
|
|
|
В этом конкретном случае совместную плотность распределения компонент выборочного вектора можно записать в виде:
.
В отсутствии сигнала 
, когда x(t)=0, совместная плотность распределения выборочного вектора принимает более простой вид:
.
Теперь задачу обнаружения сигнала можно сформулировать в терминах теории статистической проверки гипотез:
- гипотеза 
заключается в том, что выборка подчиняется распределению
,
- гипотеза 
заключается в том, что выборка подчиняется распределению
.
Решение о соответствии той или иной гипотезы наблюдаемым данным принимается на основании некоторой решающей функции. Решающая функция алгоритма принятия решения разбивает пространство всех возможных выборок 
на две непересекающихся области 
и 
, 
и имеет вид:
.
В соответствии с решающей функцией при попадании вектора выборочных значений 
в область принимается гипотеза (сигнал обнаружен), в другом случае принимается гипотеза (сигнала нет). Область считается допустимой (для принятия гипотезы об отсутствии сигнала), область называется критической областью.
Вся проблема заключается теперь в подходящем выборе допустимой и критической областей. Задача их определения и есть задача построения оптимального алгоритма обнаружения сигнала. Для определения этих областей предварительно следует дать формулировку оптимальности алгоритма.
В силу ограниченности и случайности наблюдаемых данных возможны ошибки при принятии решений.
Ошибка первого рода (ложная тревога) заключается в том, что принимается решение об обнаружении сигнала, когда его на самом деле нет. Вероятность ошибки первого рода составляет:
,
и зависит от параметров шума и ожидаемого сигнала.
Ошибка второго рода (пропуск перехода) заключается в том, что принимается гипотеза об отсутствии сигнала, хотя он имеет место. Это ошибка того, что наблюдатель не смог обнаружить появление сигнала. Вероятность появления ошибки второго рода составляет:
|
|
|
и также зависит от параметров шума и не обнаруженного сигнала.
Вероятность правильного обнаружения сигнала, дополняющая вероятность ошибки второго рода до единицы, рассматриваемая в функции параметров сигнала и шума, называется мощностью или функцией мощности алгоритма принятия решения:
Вероятность правильного принятия гипотезы об отсутствии сигнала дополняет до единицы вероятность ошибки первого рода. В функции параметров шума и сигнала эта вероятность называется оперативной характеристикой алгоритма принятия решения:
Для уменьшения вероятности ошибки первого рода следует уменьшать размер критической области 
, но при этом расширяется допустимая область 
и поэтому возрастает вероятность ошибки второго рода. В результате возникает необходимость поиска компромисса – приемлемого или допустимого сочетания вероятностей ошибок первого и второго рода.
|
|
|
