数学基础·
用概率密度函数(Probability Density Function, PDF)描述一组随机数据,即 p(x0,x1,⋯,xn−1;θ),PDF 以未知量 θ 为参数,以 n=1,θ 表示均值为例,数据的 PDF 为
p(x0;θ)=2πσ21exp(−2σ2(x0−θ)2)
然后就可以根据 x0 的观测值推断 θ 的值。
估计量性能评估·
将数据建模为
xn=A+wn
其中 wn 为加性高斯白噪声(Additive Gaussian White Noise, AWGN),即 wi∼N(0,σ2) 表示均值为 0,方差为 σ2 的高斯分布,并且所有样本是互不相关的。利用下式即数据的样本均值估计 A
A^=N1n=0∑N−1xn
满足
E(A^)var(A^)=E(N1n=0∑N−1xn)=N1n=0∑N−1(xn)=A=var(N1n=0∑N−1xn)=N21n=0∑N−1var(xn)=N21Nσ2=Nσ2
最小方差无偏估计·
无偏估计量·
无偏估计意味着估计量的平均值为未知参数 θ 的真值,如果
E(θ^)=θa<θ<b
说明估计量是无偏的,其中 (a,b) 表示 θ 可能的取值范围。
对于同一个参数有多个估计可用的情况,即 {θ^0,θ^1,⋯,θ^n−1},对这些组合求平均,即
θ^=n1i=0∑n−1θ^i
假设每个估计量都是无偏的,方差相同且互不相关,则
E(θ^)=θ,var(θ^)=nvar(θ^0)
因此,求平均的估计值越多,方差越小,当 n→∞ 时,θ^→θ。
最小方差准则·
均方误差定义为
mse(θ^)=E[(θ^−θ)2]
衡量估计值偏离真值的平方偏差的统计平均值。
mse(θ^)=E[(θ^−θ)2]=E{[(θ^−E(θ^))+(E(θ^)−θ)]2}
其中第一部分是估计量围绕其数学期望的随机波动,第二部分是估计量的期望围绕真值的波动,展开后得到
mse(θ^)=var(θ^)+b2(θ)
其中 b(θ)=E(θ^)−θ,表示估计量的偏差。上式表明 MSE 是由 估计量的方差 和 偏差 引起的误差组成的。
对于有偏的估计量,MSE 与参数 θ 的真值有关,最小化 MSE 可能导致不可实现的估计量,如果约束估计量为无偏的,然后最小化方差,得到的估计量就是最小方差无偏(Minimum Variance Unbiased, MVU)估计量。
最小方差无偏估计的存在性·
不总是存在一个估计量 θ^,对于所有的 θ,其方差都小于其它无偏估计量!
Cramer-Rao 下限·
观测到单个样本
x0=A+w0,w0∼N(0,σ2)
无偏估计满足 A^=x0,var(A^)=σ2.
考虑 PDF 的自然对数
lnp(x0;A)=−ln2πσ2−2σ2(x0−A)2
一阶导数为
∂θ∂lnp(x0;A)=σ2x0−A
负的二阶导数(对数似然函数的曲率)为
−∂A2∂2lnp(x0;A)=σ21
随着 σ2 的减少而增加,并且已知 var(A^)=σ2,则
var(A^)=−∂A2∂2lnp(x0;A)1
更一般的度量是
−E[∂A2∂2lnp(x0;A)]
表示对数自然函数的平均曲率,值越大,表示估计量的方差越小。
直观理解:
PDF 的 x 取固定值时,PDF 是参数 A 的(似然)函数,图像越尖锐,估计参数 A 的精度越高。用 负的二阶导数 定量描述 尖锐程度。
似然函数的对数曲线对参数越陡,表示数据对该参数越敏感,信息越多,可达的方差下界越小。
标量参数的 CRLB·
假设对于所有的参数 θ,概率密度函数 p(x;θ) 满足正则条件
E[∂θ∂lnp(x0;θ)]=0
那么,任何无偏估计量 θ^ 的方差满足
var(θ^)≥−E[∂θ2∂2lnp(x;θ)]1
当且仅当
∂θ∂lnp(x0;θ)=I(θ)(g(x)−θ)
时,对有所 θ 达到下限的无偏估计量可以求得,估计量 θ^=g(x) 时 MVU 估计量,最小方差是 I(θ)1.
推导过程·
左边:
E[∂θ∂lnp(x;θ)]=∫∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx=∫∂θ∂p(x;θ)dx
右边:
0=∂θ∂1=∂θ∂∫p(x;θ)dx
根据牛顿-莱布尼茨公式
F′(t)=dtd∫a(t)b(t)f(x,t)dx=f(b(t),t)b′(t)−f(a(t),t)a′(t)+∫a(t)b(t)∂t∂f′(x,t)dx
当 边界随参数变化带来的边界项 f(b(t),t)b′(t)−f(a(t),t)a′(t)=0 时,求积分与求偏导运算可以交换。
假设正则条件满足,两式中的求积分和求偏导运算可以交换,说明 PDF 的非零边界和参数 θ 无关。
下面推导标量参数 α=g(θ) 的 CRLB,对于所有无偏估计量
E(α^)=∫α^p(x;θ)dx=α=g(θ)
在满足正则条件的前提下,对等式两边求导,得到
∂θ∂g(θ)=∂θ∂∫α^p(x;θ)dx=∫α^∂θ∂p(x;θ)dx=∫α^∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx
根据正则条件 E[∂θ∂lnp(x;θ)]=0,可以得到
∫α∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx=αE[∂θ∂lnp(x;θ)]=0
两式作差得到
∫(α^−α)∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx=∂θ∂g(θ)
根据柯西-施瓦茨不等式,
(∂θ∂g(θ))2var(α^)=(∫(α^−α)∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx)2≤∫(α^−α)2p(x;θ)dx⋅∫(∂θ∂lnp(x;θ))2p(x;θ)dx=var(α^)⋅E[(∂θ∂lnp(x;θ))2]≥E[(∂θ∂lnp(x;θ))2](∂θ∂g(θ))2
由正则化条件,
E[∂θ∂lnp(x;θ)]=0
得到
∫∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx=0
积分边界与参数 θ 无关,于是
∂θ∂∫∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx∫[∂θ2∂2lnp(x;θ)p(x;θ)+∂θ∂lnp(x;θ)∂θ∂p(x;θ)]dx∫[∂θ2∂2lnp(x;θ)p(x;θ)+∂θ∂lnp(x;θ)∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)]dx−E[∂θ2∂2lnp(x;θ)]=0=0=0=E[(∂θ∂lnp(x;θ))2]
最终得到,
var(α^)≥−E[∂θ2∂2lnp(x;θ)](∂θ∂g(θ))2
当且仅当无偏估计量 α^ 与对数似然函数的一阶偏导数呈线性关系,即
∂θ∂lnp(x;θ)=c1(α^−α)
时成立,其中 c 与 x 无关。
直观理解:
对数似然函数的一阶偏导数反映“秤”对真实值的敏感程度,取等条件表示估计值和 敏感程度 呈固定的比例,“秤”越敏感,估计的误差就按照这个比例调整,几步浪费精度,也不高估“秤”的能力,最终将误差压到最低值。
以 α=g(θ)=θ 为例,达到 CRLB 时,
∂θ∂lnp(x;θ)∂θ2∂2lnp(x;θ)−E[∂θ2∂2lnp(x;θ)]=c(θ)1(θ^−θ)=−c(θ)1+(θ^−θ)∂θ∂c(θ)1=c(θ)1
定义 Fisher 信息 I(θ)=−E[∂θ2∂2lnp(x;θ)],则
c(θ)=I(θ)1
矢量参数的 CRLB·
现将前一部分的结果扩展到估计矢量参数 θ=[θ1θ2⋯θp]⊤,假定 θ^ 是无偏估计,矢量参数的 CRLB 允许对每隔元素的方差放置一个下限,即
var(θi^)≥[I−1(θ)]ii
其中 I(θ) 是 p×p 的 Fisher 信息矩阵,
[I(θ)]ij=−E[∂θi∂θj∂2lnp(x;θ)]i=1,2,⋯,p;j=1,2,⋯,p
假设 PDF p(x;θ) 满足正则条件
E[∂θ∂lnp(x;θ)]=0
则任何无偏估计量 θ^ 的协方差矩阵满足
Cθ^≥I−1(θ^)
当且仅当
[I(θ)]ij=I(θ)(g(x)−θ)
时可达下限。
推导过程·
下面推导矢量参数 α=g(θ) 的 CRLB,考虑无偏估计量
E(αi^)=αi=[g(θ)]ii=1,2,⋯,r
根据正则条件 E[∂θ∂lnp(x;θ)]=0,可以得到
∫α∂θ∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx=αE[∂θ∂lnp(x;θ)]=0
两式作差得到
∫(α^i−αi)∂θi∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx=∂θi∂[g(θ)]i
当 i=j 时,
∫(α^i−αi)∂θj∂lnp(x;θ)p(x;θ)dx=∫(α^i−αi)∂θj∂p(x;θ)dx=∂θj∂∫α^ip(x;θ)dx−αiE[∂θj∂lnp(x;θ)]=∂θj∂αi=∂θj∂[g(θ)]i
组合成矩阵形式
∫(α^−α)∂θj∂lnp(x;θ)⊤p(x;θ)dx=∂θ∂[g(θ)]
对于任意的 t×1 矢量 a 和 p×1 矢量 b,
∫a⊤(α^−α)∂θj∂lnp(x;θ)⊤bp(x;θ)dx=a⊤∂θ∂[g(θ)]b
由柯西-施瓦茨不等式
a⊤∂θ∂[g(θ)]b≤∫a⊤(α^−α)(α^−α)⊤ap(x;θ)dx⋅∫b⊤∂θj∂lnp(x;θ)∂θj∂lnp(x;θ)⊤bp(x;θ)dx=a⊤Cα^abTI(θ)b
并且
E[∂θi∂lnp(x;θ)∂θj∂lnp(x;θ)]=−E[∂θi∂θj∂2lnp(x;θ)]=[I(θ)]ij
令
b=I−1(θ)∂θ∂g(θ)Ta
进一步得到
(aT∂θ∂g(θ)I−1(θ)∂θ∂g(θ)Ta)2⩽aTCα^a(aT∂θ∂g(θ)I−1(θ)∂θ∂g(θ)Ta)
由于 I(θ) 正定,得到
aT(Cα^−∂θ∂g(θ)I−1(θ)∂θ∂g(θ)T)a⩾0
aT(α^−α)=c∂θ∂lnp(x;θ)Tb=c∂θ∂lnp(x;θ)TI−1(θ)∂θ∂g(θ)Ta
取等条件为
∂θ∂g(θ)I−1(θ)∂θ∂lnp(x;θ)=c1(α^−α)
与上一部分推导标量的类似,考虑 α=g(θ)=θ 时,∂θ∂g(θ)=I
∂θ∂lnp(x;θ)=c1I(θ)(θ^−θ)
∂θi∂lnp(x;θ)∂θi∂θj∂2lnp(x;θ)=k=1∑pc(θ)[I(θ)]ik(θ^k−θk)=k=1∑pc(θ)[I(θ)]ik(−δkj)+∂θj∂(c(θ)[I(θ)]ik)(θ^k−θk)
[I(θ)]ij=−E[∂θi∂θj∂2lnp(x;θ)]=c(θ)[I(θ)]ij
下文推导基于以下假设:
信号到达方向对于各个阵元是一致的;信号扫过阵列的过程中只考虑相移,忽略包络的变化。
设阵元数为 M,快拍数为 N,观测数据为
x(t)=A(θ)s(t)+ω(t)t=1,2,⋯,N
其中
- s(t)∈CM×1,表示信号矢量;
- ω(t)∈CM×1,复加性高斯白噪声,各个阵元的噪声独立,且时间上互不相关,满足分布 ω(t)∼CN(0,σ2IM);
- x(t)∈CM×1,表示含噪声的接收数据矢量,满足分布 x(t)∼CN(A(θ)s(t),σ2IM).
复高斯随机变量概率密度函数的推导·
设复随机变量
Z=X+jY
其中 X 与 Y 均为实值随机变量,若 Z 是一个复原对称高斯随机变量,则
-
X 与 Y 相互独立;
-
X 与 Y 满足 X∼N(μ,2σ2),Y∼N(μ,2σ2)
-
Z 的均值表示为 μ=μX+jμY;
下面推导其概率密度函数(PDF),本质上是其 实部与虚部的二维联合 PDF。
因为 X 与 Y 独立,则联合密度为
fX,Y(x,y)=fX(x)fY(y)
其中
fX(x)=πσ21exp(−σ2(x−μX)2)fY(y)=πσ21exp(−σ2(y−μY)2)
因此
fX,Y(x,y)=fX(x)fY(y)=πσ21exp(−σ2(x−μX)2+(y−μY)2)
利用
Z=X+jY,μ=μX+jμY
得到
∣z−μ∣2=∣(x−μX)+j(y−μY)∣2=(x−μX)2+(y−μY)2
则
fZ(z)=fX,Y(ℜz,ℑz)=fX,Y(x,y)=πσ21exp(−σ2(x−μX)2+(y−μY)2)=πσ21exp(−σ2∣z−μ∣2)
得到了一维 圆对称复高斯分布 的概率密度函数。
对于 m 维独立的复高斯随机变量,其联合概率密度函数为
p(z)=i=1∏mπσ21exp(−σ2∣z−μ∣2)=i=1∏m(πσ2)m1exp(−σ2∑i=1m∣z−μ∣2)=i=1∏m(πσ2)m1exp(−σ2∣∣z−μ∣∣2)
对数似然函数的推导·
观测数据 x(t) 满足分布 x(t)∼CN(A(θ)s(t),σ2IM),均值向量为 μ(t)=A(θ)s(t),带入上式,得到单个快拍的 PDF 为
p(x(t)∣θ)=(πσ2)M1exp(−σ21∣∣x(t)−A(θ)s(t)∣∣2)
由于 N 个快拍在时间上相互独立,则似然函数为各快拍 PDF 的乘积,即
L(θ)=t=1∏Np(x(t)∣θ)=(πσ2)MN1exp(−σ21t=1∑N∣∣x(t)−A(θ)s(t)∣∣2)
最终的对数似然函数为
lnL(θ)=−MNlnπσ2−σ21t=1∑N∣∣x(t)−A(θ)s(t)∣∣2
Fisher 矩阵的推导·
对于单个参数 θ,Fisher 矩阵为
I(θ)=−E[∂θ2∂2lnL(θ)]
对于矢量参数 θ∈Rp,Fisher 矩阵为
Iij(θ)=−E[∂θi∂θj∂2lnL(θ)]
首先计算对数似然函数的一阶导数(忽略常数项)
lnL(θ)=C−σ21t=1∑N∣∣x(t)−A(θ)s(t)∣∣2=C−σ21t=1∑N(x(t)−A(θ)s(t))†(x(t)−A(θ)s(t))
令 z=x(t),z0(θ)=A(θ)s(t),e=z−z0,关注和参数 θ 有关的部分,
J(θ)=−σ21t=1∑N(x(t)−A(θ)s(t))†(x(t)−A(θ)s(t))=−σ21t=1∑Ne†e
则有
∂θ∂e†e=(−∂θ∂z0)†e+e†(−∂θ∂z0)=(−∂θ∂z0)†e+[(−∂θ∂z0)†e]∗=−2ℜ(∂θ∂z0)†e=−2ℜ(∂θ∂z0)†(z−z0)
令 dθ(t)=∂θ∂z0=∂θ∂A(θ)s(t) 代入到对数似然函数的导数中
∂θlnL(θ)=σ22t=1∑Nℜdθ†(t)[x(t)−A(θ)s(t)]
下面计算对数似然函数的二阶导数
已经得到一阶导数为
∂θ∂lnL(θ)=σ22t=1∑Nℜdθ†(t)[x(t)−A(θ)s(t)]=σ22t=1∑Nℜdθ†(t)ω(t)
对于复加性高斯白噪声,ω(t)∼CN(0,σ2IM),因此
E(ω(t))=0, E(ω(t)ω(t)†)=σ2IM
并且
E(dθ(t)†ω(t))=0, E(ω(t)†dθ(t))=0
于是似然函数的二阶导为
∂θ2∂2lnL(θ)=σ22t=1∑Nℜ∂θ∂[dθ†(t)ω(t)]
其中
∂θ∂ω(t)∂θ∂[dθ†(t)ω(t)]=−dθ(t)=(∂θ∂dθ(t))†ω(t)+dθ†(t)(−dθ(t))
代入对数似然函数二阶导数的表达式得到
∂θ2∂2lnL(θ)=σ22t=1∑Nℜ∂θ∂[dθ†(t)ω(t)]=σ22t=1∑Nℜ(∂θ∂dθ(t))†ω(t)−dθ†(t)dθ(t)
其中 dθ(t)=∂θ∂A(θ)s(t).
下面取期望得到 Fisher 信息
I(θ)=−E[∂θ2∂2lnL(θ)]
对数似然函数的二阶表达式中
E[(∂θ∂dθ(t))†ω(t)]E[dθ†(t)dθ(t)]=0=dθ†(t)dθ(t)
那么
I(θ)=σ22t=1∑N∣∣dθ(t)∣∣2=σ22t=1∑N∣∣A′(θ)s(t)∣∣2
对于多参数的情况,即 θ=[θ1,θ2,⋯,θp]⊤,
Iij=σ22t=1∑Nℜdθ†(t)dθ(t)=σ22t=1∑Nℜs(t)†(Aθi′(t))†Aθj′(t)s(t)
CRLB 的推导·
对于实参数 θ,其 Cramér–Rao 下界 为
Var(θ^)≥I(θ)1
则
CRB(θ)=2∑t=1N∣∣A′(θ)s(t)∣∣2σ2
单信号源+均匀线阵·
下面考虑 单信号源,ULA 阵列,设阵元数为 M,阵元间距 d=2λ,ULA 导向矢量为
a(θ)=1e−jλ2πdsinθ⋮e−jλ2πd(M−1)sinθ
导向矢量对参数 θ 的导数为
∂θ∂a(θ)=−jλ2πdcos(θ)1e−jλ2πdsinθ⋮(M−1)e−jλ2πd(M−1)sinθ
2-范数平方为
∣∣a′(θ)∣∣2=(λ2πdcos(θ))2m=0∑M−1m2=(λ2πdcos(θ))26M(M−1)(2M−1)
最终得到单信源, ULA 阵列的 Cramér–Rao 下界 为
CRB(θ)=2∑t=1N∣∣A′(θ)s(t)∣∣2σ2=2N∣s(t)∣2∣∣a′(θ)∣∣2σ2=N⋅SNR⋅(2πdcos(θ))2M(M−1)(2M−1)3λ2
单信号源+均匀面阵·
下面考虑 单信号源,UPA 阵列,设水平方向阵元数为 M,垂直方向阵元数为 N,则总阵元数为 MN,设入射角的俯仰角为 ϕ,方位角为 θ,则 UPA 的导向矢量表示为
a(θ,ϕ)=e−jλ2πd(msinθcosϕ+nsinθsinϕ)
其中,
{mn=0,1,⋯,M−1=0,1,⋯,N−1
导向矢量对方位角和俯仰角求偏导
∂θ∂am,n∂ϕ∂am,n=−jλ2πd(mcosθcosϕ+ncosθsinϕ)am,n=−jλ2πd(−msinθsinϕ+nsinθcosϕ)am,n
下面求 Fisher 矩阵,对于二维参数 θ=[θ,ϕ],
I=[IθθIϕθIθϕIϕϕ]
其中
Iij=σ22t=1∑Nℜdθ†(t)dθ(t)=σ22N∣s(t)∣2ℜ((ai′)†aj′
对于方位角 θ
Iθθ=σ22N∣s(t)∣2ℜ(∂θ∂a)†(∂θ∂a)
∂θ∂am,n2=(λ2πd)2cos2θ(mcosϕ+nsinϕ)2
则
(∂θ∂a)†(∂θ∂a)=(λ2πd)2cos2θm=0∑M−1n=0∑N−1(mcosϕ+nsinϕ)2=(λ2πd)2cos2θm=0∑M−1n=0∑N−1(m2cos2ϕ+n2sin2ϕ+2mncosϕsinϕ)
其中
m=0∑M−1n=0∑N−1m2cos2ϕm=0∑M−1n=0∑N−1n2sin2ϕm=0∑M−1n=0∑N−12mncosϕsinϕ=Ncos2ϕ6M(M−1)(2M−1)=Msin2ϕ6N(N−1)(2N−1)=2cosϕsinϕ2M(M−1)2N(N−1)
得到
Iθθ=σ22N∣s(t)∣2ℜ(∂θ∂a)†(∂θ∂a)=σ22N∣s(t)∣2{(λ2πd)2cos2θm=0∑M−1n=0∑N−1(m2cos2ϕ+n2sin2ϕ+2mncosϕsinϕ)}=σ22N∣s(t)∣2(λ2πd)2cos2θ(cos2ϕ6MN(M−1)(2M−1)+sin2ϕ6MN(N−1)(2N−1)+cosϕsinϕ2MN(M−1)(N−1))
同理,可以求得
IϕϕIθϕ=σ22N∣s(t)∣2(λ2πd)2sin2θ(sin2ϕ6MN(M−1)(2M−1)+cos2ϕ6MN(N−1)(2N−1)−cosϕsinϕ2MN(M−1)(N−1))=σ22N∣s(t)∣2(λ2πd)224sin2θ⋅MN⋅(sin2ϕ[(N−1)(2N−1)−(M−1)(2M−1)]+3cos2ϕ(M−1)(N−1))
最终的 Fisher 矩阵
I=[IθθIθϕIθϕIϕϕ]
最终的 CRLB 表示为
CRLBθCRLBϕ=[I−1]θθ=IθθIϕϕ−Iθϕ2Iϕϕ=[I−1]ϕϕ=IθθIϕϕ−Iθϕ2Iθθ
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