【机械故障】使用fir滤波器实现数据拟合

使用fir滤波器实现数据拟合

提示：学习笔记

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一、问题建模

我们定义：

• 期望信号（目标信号）：d[n] = 第2列的第n个数据点

• 输入信号：x[n] = 第3列的第n个数据点

• FIR滤波器：其系数为 h[0], h[1], …, h[M-1]，其中 M 是滤波器的长度（阶数+1）。

• 滤波后的输出信号：y[n] = 估计的第2列数据
  y[n] = h[0]*x[n] + h[1]*x[n-1] + … + h[M-1]*x[n-M+1]

• 我们的目标是让输出 y[n] 尽可能接近期望信号 d[n]。误差信号 e[n] 定义为：
  e[n] = d[n] - y[n]

最小二乘法的核心思想是：找到一组滤波器系数 h[k]，使得所有数据点上误差平方和（Sum of Squared Errors, SSE） 最小。

SSE = Σ (e[n])² = Σ (d[n] - y[n])²

二、 构建矩阵方程（关键步骤）

为了利用所有可用的数据点（假设有 N 个），我们将问题转化为矩阵形式。

首先定义一些向量和矩阵：

• 滤波器系数向量： h = [h[0], h[1], …, h[M-1]]ᵀ (一个 Mx1 的列向量)

• 期望信号向量： d = [d[M-1], d[M], …, d[N-1]]ᵀ (一个 (N-M+1)x1 的列向量)
  注意：由于滤波需要用到前M-1个输入点，所以输出y[n]从n=M-1时刻开始才有有效值。因此d也从对应的点开始取。

• 输入信号矩阵（卷积矩阵/Toeplitz矩阵） X：
  这是一个非常关键的矩阵，其结构如下：

X = [[x[M-1],   x[M-2],   ...,   x[0]      ],[x[M],     x[M-1],   ...,   x[1]      ],[x[M+1],   x[M],     ...,   x[2]      ],...,[x[N-1],   x[N-2],   ...,   x[N-M]    ]
]

这个矩阵是一个 (N-M+1) x M 的矩阵。它的每一行是输入信号 x[n] 的一段，用于与滤波器系数 h 进行卷积计算得到某一个输出点 y[n]。

现在，滤波输出向量 y 可以写为：
y = X * h

误差向量 e 为：
e = d - y = d - X * h

我们的目标函数（误差平方和）的矩阵形式为：
SSE = eᵀe = (d - Xh)ᵀ (d - Xh)

三、最小二乘解

为了最小化 SSE，我们对其关于向量 h 求导，并令导数等于零向量。

经过推导（详细过程可参考任何线性代数或优化教材），可以得到著名的正规方程（Normal Equation）：

(XᵀX) h = Xᵀ d

其中：

• XᵀX 是一个 M x M 的方阵（自相关矩阵）。

• Xᵀ d 是一个 M x 1 的列向量（互相关向量）。
  这个方程的解即为最优滤波器系数：
  h_opt = (XᵀX)⁻¹ Xᵀ d

在数值计算中，我们通常使用更稳定高效的算法来求解这个方程，而不是直接求逆，例如使用Cholesky分解（因为 XᵀX 是正定对称矩阵）或奇异值分解（SVD）。Python的numpy.linalg.lstsq函数就封装了这些方法。

四、重要注意事项

4.1 滤波器长度 M

这是一个关键的超参数。

• M 太小，滤波器模型太简单，无法捕捉真实的系统特性，导致欠拟合。

• M 太大，滤波器会开始拟合数据中的噪声，导致过拟合，虽然在训练数据上表现好，但泛化能力会变差。

• 需要通过实验来调整，可以选择使得均方误差（MSE）进入平台且不会显著回升的 M 值。

4.2 数据的预处理

如果两列数据的幅度或量纲差异很大，最好先进行标准化（减去均值、除以标准差）或归一化（缩放到[0,1]或[-1,1]区间），这有助于数值计算的稳定性。

4.3 延迟问题

FIR滤波器会引入 (M-1)/2 个采样点的延迟。在上面的图中，你会发现滤波后的信号与真实信号在时间上可能没有完全对齐。对于要求严格对齐的应用，需要对输出信号进行相应的延迟补偿。

4.4 性能评估

除了绘制图形直观比较，均方误差（MSE） 是一个重要的定量指标。你还可以计算信噪比（SNR） 或相关系数（R²） 来评估滤波效果。