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2. 贝叶斯准则 各假设 H j的先验概率P H j (j 0 ,1, , M 1)已知;各种
判决的代价因子 cij (i , j 0 ,1, , M 1)赋定的条件下,使平 均代价
最小的准则,就是M元信号检测的贝叶斯准则。 平均代价 C 的分析表示式
• 根据判决域Ri的划分3.6.1式,将3.6.2式写为3.6.3式
如果定义似然比函数为
和函数
即利用似然比表示判决规则,那么判决规 则就是选择使Ji(x)为最小的对应假设成立。
因为判决域Ri可表示为 R R i 平均代价C的分析表示式为
M 1 j 0 j i
R ,
j
P H i | H j Ri p x | H j d x
C cii P H i R P H j cij c jj p x | H j d x i
j 0 j i
M 1
3.6.5
则判决规则应选择使Ii最小的假设为判决成立的假设
因为,对所有的i和j,有 P(H j ) 0 cij -c jj 0 P(x|H j ) 0 所以3.6.5式所示的Ii ( x)满足 于是应当满足I i x =Min I 0 x , I1 x ..., I M 1 x 的x划归R i 域,判决假设H i 成立,即当满足 I i x I j x , 0,1, , M 1, j ji Ii x 0
12
12
N ( l A) 2 exp 2 2 n
于是,根据最佳判决式,判决概率为
P H1 | H 0 pl | H 0 d l
N Nl 2 exp 2 dl 2 2 A n ln 2 n 2 n NA 2
PF=P( H1 | H 0 ) PD=P( H1 | H1 )
图3.12接收机工作特性(ROC)
图3.13检测概率PD与信噪比d的关系
在不同的问题中,观测空间中的关测量x的统计特性 P(x|H j )会有所不同,但接收机的工作特性却总有大 致相同的形状,如果似然比函数是x的连续函数,则 接收机工作特性有如下的共同点。 所有连续似然比检验的接收机工作特性都是上凸的; 所有连续似然比检验的接收机工作特性均位于对角线 PD =PF之上。 接收机工作特性在某点处的斜率等于该点上PD和PF要 求的检测门限值。
12 u2 1 exp d u N A 2 2 2
n
12
n
NA
ln
Q Qln d d 2
式中
NA2 ,是功率信噪比。 d 2
2
pu
Qu0
n
12 u2 1 Qu0 u0 exp d u 2 2
u
0
u0
类似地,有
P H1 | H1 pl | H1 d l
Qln d d 2
Q Q 1 P H1 | H 0 d
这说明,在 P H1 | H 0 一定的条件下, 功率信噪比 d 2 越大,检测性能越好。
在例3.3.1中,检验统计量和检测门限分别为
显然,通过检测门限,将P(H1|H0)和P(H1|H1)联系了起来 通常,似然比检验又进行化简,得到检验统计量l(x)的形式
判决概率P(H1|H0)和P(H1|H1)可表示为
例3.3.1 在二元数字通信系统种,假设为H1时,信源输出为常值 正电压A,假设为H 0时,信源输出为零电平; 信号在通信系统传输
价因子 cij 1 ij (i , j 0 ,1) 使平均错误概率 ,
Pe P H 0 P H1 | H 0 P H1 P H 0 | H1 最小;
奈曼-皮尔逊准则
在 P H1 | H 0 约束下,使 P H1 | H1 最大。
1 N 1 2 Var l | H1 E ( A nk A)2 n N k 1 N
这样
N Nl 2 p l | H0 exp 2 2 2 n 2 n
N pl | H 1 2 2 n
时,判决假设Hi成立。这意味着判决假设Hi成立的判决域
是通过求解M-1个方程组成的联立方程获得的。
例如H 0成立的判决域R 0,由解 I 0 x I1 x I0 x I2 x I x I x M 1 0
当M=2时,结果就是二元信号检测贝叶斯准则时的 似 然比检验。
第三步,计算判决概率
H 0 (3)由(2)得到的判决表示式的最简形式l x H1 可以看出, 检验
统计量l ( x)是个随机变量, 它与检测门限比较作出各种判决, 所以 为了计算判决概率,首先求得检验统计量l(x)在两个假设下的概 率密度函数p l | H 0 , p l | H1 , 然后根据判决式在相应区间的积分 来求P H i | H j
1 nk 2 p nk exp(- 2 ) 2 2 n 2 n 同理, 在两个假设下, 观测信号xk的概率密度函数,即通常所说的 似然函数分别为 1 xk 0 ) p x | H0 exp( 2 2 2 n 2 n
N
两边取自然对数得 NA2 H1 xk 2 2 H0 ln 2 n k 1 n A
N
化为最简判决式为 1 l x N
2 n A H xk H ln N
1 0
k 1
NA
2
经过上面的化简,信号检测的判决式表示由似然比检验形式 简化为检验统计量l(x)与检测门限 相比较作出判决的形式 1 N 检验统计量l x xk 是观测信号xk的数学期望, 它是xk的 N k 1 函数,是个随机变量.
2 过程中叠加了高斯噪声n(t)~N(0, n ),每种信号的持续时间为
(0,T);在接收端对接收到的信号x(t),在(0,T)时间内进行了N次 独立采样,样本为xk(k=1,2...N).已知噪声样本n k是均值为零,
2 方差为 n的高斯噪声.
(1)建立信号检测系统的信号模型 (2)若似然比检测门限已知,确定似然比检验的判决表示式; (3)计算判决概率P(H1|H 0 ),P(H1|H1 ).
3.6.1
图3.15 M元信号检测模型
合理划分判决域,以得到最佳判决;
判决结果 H i | H j (i , j 0 ,1, , M 1),共 M 2 种;
M 正确判决概率, M 1 种是错误判决概率。
判决概率P H i | H j)(i,j 0,,M 1) ,其中, 种是 M ( 1,
1 N E l | H 0 E nk 0 N k 1
1 2 1 N 2 Var l | H 0 E ( nk 0 n N k 1 N
和
1 N E l | H 1 E A nk A N k 1
2 式子中, A 0, n k~N(0, n ),xk 之间相互统计独立,即为模型.
对N个独立样本xk 进行处理后, 与检测门限相比较, 就可以作出 信号属于哪个状态的判决.
图3.7二元信号检测系统模型
第二步求判决表达式
2 (2)因为噪声样本n k : N(0, n ),易得其概率密度函数为
证明:
图3.14接收机工作特性在不同准则下的解
在极小化极大准则下,求解的条件是满足极小 化极大方程,即
* 1g * 1g
PM P )=1-PD P )代人上式得方程 ( (
3.6 M 元信号的统计检测
实际问题中,除了常用的二元信号检测外,还会遇到 M (M 2 )元信号检测的问题,例如,多元通信问题,天气 预报问题等。
3.6.1 M 元信号统计检测的贝叶斯准则 1. M元信号统计检测的基本概念(见3.2节)
信号有M 种状态,相应假设为 H 0 , H1 , , H M 1 ; 判决域 R 分成 R0 , R1 , , RM 1 ,且满足
R Ri ,
i 0 M 1
Ri R j , i j,
其判决概率为
图3.11判决概率P(H1|H0)和P(H1|H1)示意图叶斯准则 先验概率 P H j (j 0,1) 已知,代价因子
cij (i , j 0,1) 指定,使平均代价 C 最小;
最小平均错误概率准则
先验概率 P H j (j 0,1) 已知,代
N 2
N xk 0 2 exp 2 k 1 2 n
N xk A 2 1 p x | H1 exp 2 2 k 1 2 n 2 n 这样,由定义知道, 似然比函数 x 为
分析:
i 0 i 0 j 0 ji
M 1
M 1
M 1
C中第一项为固定代价;
C中第二项是M个积分项之和,为贝叶斯平均代价的可变项,与判 决域的划分有关。 为得到使平均代价C最小的最佳判决域,令
I i x P H j cij c jj p x | H j , 0,1,, M 1 i
N 2
A x exp 2 p x | H0 n
p x | H1
NA xk 2 2 k 1 n
N 2
于是, 似然比检验为 A exp 2 n NA2 H1 xk 2 2 H0 k 1 n
1 N 因为检验统计量为l x xk N k 1 因此,在两个假设下xk 都是相互统计独立的高斯随机变量, 1 N 所以l x xk 也是相互统计独立的高斯随机变量, 此 因 N k 1 只要求得在两种假设条件下l(x)的均值和方差,就能得到 检验统计量的概率密度函数p l | H j