Корреляционные функции и согласованный фильтр

Интерактивная визуализация автокорреляции, взаимной корреляции и согласованной фильтрации для обучения обработке сигналов.

Сигнал A
Сигнал B
Результат корреляции

Автокорреляция

Автокорреляция Rxx[τ] = Σ x[n]·x[n+τ] измеряет сходство сигнала с его задержанной копией. Максимум при τ=0 равен энергии сигнала. Теорема Винера-Хинчина связывает её со спектром мощности: S(ω) = FFT{R[τ]}.

Взаимная корреляция

Взаимная корреляция Rxy[τ] измеряет сходство между двумя сигналами как функцию задержки. Положение пика указывает временной сдвиг между сигналами.

Ключевые свойства

  • Пик автокорреляции при τ=0 равен энергии: Σ x²[n]
  • Симметрия: Rxx[τ] = Rxx[-τ]
  • Позиция пика взаимной корреляции = временная задержка
  • Винер-Хинчин: S(ω) = FFT{R[τ]}
  • Корреляция эквивалентна свёртке с обращённым во времени сигналом

Вывод и принцип

Согласованный фильтр — оптимальный линейный фильтр для максимизации ОСШ при аддитивном белом шуме. Сворачивает принятый сигнал с обращённой копией известного шаблона.

Коды Баркера

Коды Баркера — бинарные последовательности с отличными автокорреляционными свойствами. Уровень боковых лепестков не превышает 1. Широко используются в радиолокации для сжатия импульсов.

Сжатие импульсов

Сжатие импульсов передаёт длинный модулированный импульс и сжимает его при приёме согласованной фильтрацией, достигая разрешения короткого импульса при энергии длинного.

Практические применения

  • Радиолокация: обнаружение эхо-импульсов и измерение дальности
  • Сонар: подводное обнаружение целей и акустическая дальнометрия
  • GPS: захват сигнала спутника через корреляцию кода Голда
  • ЭЭГ/ЭКГ: обнаружение вызванных потенциалов в биосигналах
  • Аудиопечать: распознавание музыки в стиле Shazam
  • Распознавание образов: сопоставление шаблонов