面临硬件限制时的信号处理能力

信息处理 噪音 算法 信号检测 干涉 硬件
2022-02-01 01:11:01

我目前正在研究干涉测量,但我才刚刚开始研究信号处理。我想更好地了解信号处理在最大化某些硬件设备的信号检测方面可能产生的影响。

我对此的概念化是,当涉及到“感知”任何事物时,我们必须首先从硬件开始。然后,该硬件通过某种物理机制进行测量。然而,物理现实是,这种“测量”不一定是完美的——也就是说,我们想要测量的“事物”不一定是硬件测量的唯一“事物”——这就是定义信号与噪声开始发挥作用——也就是说,噪声被定义为任何不是我们感兴趣的“事物”的东西。

所以,基于这个推理,我似乎很清楚,如果你想最大化信号检测,那么你能做的“一阶”和最有影响力的事情就是以某种方式改变硬件以更好地测量你的“东西”对你不感兴趣的“事物”感兴趣,而不是感兴趣。但是在实践中,通过改变硬件来检测更多的信号并不一定实用(由于技术因素,经济因素,社会因素,收益递减等),所以我们有一个“二阶”的方法来提取信号,这是在硬件进行测量之后处理测量。这种硬件测量后处理是信号处理,据此,我们使用数学方法将我们感兴趣的“事物”(信号)的测量值与聚合测量值隔离开来,其中包括对我们不感兴趣的“事物”(噪声)的测量值。

在干涉测量中,人们经常试图测量非常微妙的“事物”,其中硬件设备不一定适合这种情况(但仍然可行),并且存在大量噪声。这通常是因为这样的硬件设备昂贵和/或技术困难。在信号处理方面,我阅读了许多干涉测量研究论文,声称他们使用自己的/独特的/定制的/任何信号处理算法从这些测量中提取信号。

我的问题如下:

  1. 考虑到修改硬件首先获得改进测量的限制,信号处理在帮助我们检测更多信号方面实际上能做多少?例如,如果我们使用“坏”/“不太好”的设备来测量一些微妙的现象,那么信号处理实际上可以帮助我们多少(也就是说,检测到的信号有多少改进尽管硬件不足,信号处理真的能得到我们吗)?(虽然我没有研究过信号处理本身,但我学过数学和统计学,我知道有各种各样的定理可以让我们对事物设定界限——包括在信息论中——所以我想知道我们可以在信号处理中对我在这里提出的这样一个问题做出什么陈述;但是,需要明确的是,我不一定要对这个问题进行数学和/或严格的回答,所以请随意给出您认为对回答此类问题有用的任何答案。)
  2. 在上述干涉测量案例中,您为什么认为人们使用“自定义”信号处理算法,而不是我认为的“典型”信号处理算法?在这种情况下,这种做法能否显着改善信号检测?面对如此困难的情况(“不太好”的硬件、微妙的信号),是否建议创建“定制的”信号处理算法?
1个回答

这是一个非常广泛的问题,但我会试一试。

1. ... 信号处理实际上可以为我们提供多少帮助?...

这在很大程度上取决于具体问题。有时很多,有时不是全部。

“很多”的一个例子是您的花园品种智能扬声器(Amazon Echo、Sonos One、Google Home 等)中的回声消除器。您想要测量的“东西”是客户的声音,而不是硬件是“坏的”,因为麦克风就在扬声器旁边,所以如果音乐在爆炸,麦克风的声音比客户的声音大几个数量级。最先进的回声消除器可以将信噪比提高 30 dB 以上,并且有一些实验算法做得更好。

  1. ...您为什么认为人们使用“自定义”信号处理算法?...

因为算法的性能更好,所以您可以在算法中构建更多关于您的特定应用程序的“知识”。一般来说,降噪算法使用三件事:

  1. 关于信号的知识
  2. 关于噪音的知识
  3. 了解您想对结果做什么以及您的应用程序对哪些特定功能/属性最敏感。

如果您对其中任何一个一无所知或知之甚少,那么您将无法做太多事情。再来看看我们的智能音箱:

  1. 您知道您想要接收的信号是人类语音。它具有您可以使用的某些光谱和时间属性。
  2. 您知道噪音主要是您正在播放的音乐。您对此非常了解,并且这些知识实际上可以实现 30 dB 增益的大部分。
  3. 输出将进入语音识别系统或关键字检测器。所以你与开发这些算法的人交谈,了解它们是如何工作的,以及哪些特定的信号特征(光谱、时间、语言、空间......)是最重要的

你定制的越多,它就越好。如果您的智能扬声器中的换能器变得非线性,您可能需要应用针对该换能器定制的线性化算法。如果你线性化,主要的非线性是什么?是磁力/偏移,悬架,线圈电感与电流的关系吗?如果是悬挂:主要是蜘蛛、盒子里的空气还是周围的空气?如果是环绕声,是拉起、弯曲还是材料本身?

这就像剥洋葱一样,总有一层需要深入研究,而且从一个应用程序到下一个应用程序,它们看起来都不同。