隨機過程筆記2 譜分析

2022-09-21 20:51:12 字數 4821 閱讀 7997

目錄譜,從某種角度出發,進行分解,以把握特徵。

對於確定性週期訊號:\(x(t),deterministic,periodic:x(t+t)=x(t)\)

,有:\(x(t)=\sum_k\alpha_ke^,\omega_k=\frac,\frac\)為基頻base frequency,其中\(\alpha_k=\frac\int_}^}x(t)e^dt\)

展開僅僅成立在\(t\in[-\frac,\frac]\)

對於非週期函式也可在區間做傅利葉級數展開,區間之外傅利葉級數是其週期延拓

基函式\(\frac}e^,k\in(-\infty,+\infty)\)是規範正交基。此時與對應函式做內積就可以直接得到係數,相當於在對應方向上的投影。

當\(t\rightarrow\infty\),則有傅利葉變換:

\[\begin

x(t)&=\frac\sum_^[\int_}^}x(s)e^ds]e^\\

&=\frac\sum_^[\int_}^}x(s)e^s}ds]e^t}\\

&=\frac\sum_^[\int_}^}x(s)e^s}ds]e^t}\cdot\frac\\

\lim_x(t)&=\frac\int_^x(\omega)e^d\omega\\

\end

\]傅利葉變換對:

\[\left\

x(t)&=\frac\int_^x(\omega)e^d\omega\\

x(\omega)&=\int_^x(t)e^dt

\end

\right.

\]\[x(t)=\frac\sum_^[\int_}^}x(s)e^s}ds]e^t}\cdot\frac

\]相比確定訊號,隨機訊號可能存在乙個問題,積分是否收斂?

對於傅利葉變換積分收斂,存在乙個條件:\(x(t)\in l^1(\mathbb)\leftrightarrow\int_^|x(t)|dt<\infty\)。該條件對於確定性訊號,是普遍滿足的。對於不滿足的情況,通常也會做一些處理。

例如cos(t),引入廣義函式\(\frac[\delta(\omega-1)+\delta(\omega+1)]\)

面對這樣的問題,可以提供兩種解決辦法。物理的角度:可以想到的是,希望做傅利葉的是有衰減趨勢的函式,可以考慮二階的函式。大部分相關函式是衰減的(也有週期振盪的)。下面以複隨機訊號(寬平穩)為例:

\[\begin

&\frace|\int_}^}x(t)e^dt|^2\\

(&有損的變換,相位資訊消失)\\

=&\frace(\int_}^}x(t)e^dt)(\overline}^}x(s)e^ds})\\

=&\frac\int_}^}\int_}^}e[x(t)\overline]e^dtds\\

(&對於寬平穩有e[x(t)\overline]=r_x(t,s)=r_x(t-s))\\

=&\frac\int_}^}\int_}^}r_x(t-s)e^dtds\\

(&換元u=t-s,v=t+s,雅可比行列式dtds=|det\frac|dudv=\fracdudv)\\

=&\frac[\int_^0\int_^r_x(u)e^***u+\int_0^t\int_^r_x(u)e^***u]\\

=&\frac\int_^t\int_^r_x(u)e^***u\\

=&\frac\int_^t(2t-2|u|)r_x(u)e^du\\

=&\int_^t(1-\frac)r_x(u)e^du\\

則&\lim_\frace|\int_}^}x(t)e^dt|^2=\int_^r_x(u)e^du=s_x(\omega)

\end

\]\[\left\

s_x(\omega)=&\int_^r_x(u)e^du\\

r_x(u)=&\frac\int_^s_x(\omega)e^d\omega

\end

\right.

\]分析:

證明思路1:

\[\begin

&上式等價於:3r_x(0)-4r_x(\tau)+r_x(2\tau)\geq0\\

&\begin

x\\y\\x

\end

\begin

r_x(0)&r_x(\tau)&r_x(2\tau)\\

r_x(\tau)&r_x(0)&r_x(\tau)\\

r_x(2\tau)&r_x(\tau)&r_x(0)\\

\end

\begin

x&y&x

\end\\ =&f_1(x,y,z)r_x(0)+f_2(x,y,z)r_x(\tau)+f_3(x,y,z)r_x(2\tau)\\

\geq&0(根據正定)\\

&解f_1=3,f_2=-4,f_3=1(待定係數法)

\end

\]證明思路2:頻域上分析

\[\begin

&已知:r_x(0)=\frac\int_^s_x(\omega)d\omega,r_x(\tau)=\frac\int_^s_x(\omega)e^d\omega\\

&則r_x(0)-4r_x(\tau)+r_x(2\tau)\\

=&\frac\int_^s_x(\omega)[3-4e^+e^]d\omega\\

&(在下面有結論:s_x(\omega)=\int_^r_x(\tau)e^d\tau=\int_^r_x(\tau)cos(\omega\tau)d\tau)\\

=&\frac\int_^s_x(\omega)[3-4cos(\omega\tau)+cos(2\omega\tau)]d\omega\\

=&\frac\int_^2s_x(\omega)[cos(\omega\tau)-1]^2d\omega\geq0

\end

\]

\(s_\neq s_x(\omega)+s_y(\omega)\)

密度:體現在是常數。

關於\(s_x(\omega)\geq0\),從另外乙個角度分析。相關函式\(r_x(t)\)是正定的,根據bochner的結果,其傅利葉變換也是正的。

如果是實變數,功率譜是偶函式:\(s_x(\omega)=s_x(-\omega)\)。實訊號沒有負頻率的說法,其頻率負軸是頻率正軸的映象。驗證:

\[\begin

s_x(\omega)&=\int_^r_x(\tau)e^d\tau\\

&=\int_^r_x(\tau)cos(\omega\tau)d\tau-j\int_^r_x(\tau)sin(\omega\tau)d\tau\\

&(積分內部為奇函式,則\int_^r_x(\tau)sin(\omega\tau)d\tau=0)\\

&=\int_^r_x(\tau)cos(\omega\tau)d\tau\\

&=\int_^r_x(\tau)cos(-\omega\tau)d\tau=s_x(-\omega)

\end

\]flowchart lr

a["x(t)"]-->b["h(lti:線性時不變系統)"]-->c["y(t)"]

\[\begin

r_y(t,s)&=e[y(t)\overline]\\

&=e[(\int_^h(t-\tau)x(\tau)d\tau)\overline^h(s-r)x(r)dr)}]\\

&=\int_^\int_^e[x(\tau)\overline]h(t-\tau)\overlined\tau dr\\

&=\int_^\int_^r_x(\tau-r)h(t-\tau)\overlined\tau dr\\

&(1.被積函式自變數相加可消去積分變數;2.卷積結果是函式,其取自變數加和的值)\\

&(構造\widetilde(t))=\overline)\\

&=\int_^\int_^r_x(\tau-r)h(t-\tau)\widetilde(r-s)d\tau dr\\

&=(r_x*h*\widetilde)(t-s)\\

\end

\]結論:寬平穩的隨機過程通過線性系統仍然是寬平穩。

\[\begin

\widetilde(\omega)&=\int_^\widetilde(t)e^dt\\

&=\int_^\overlinee^dt\\

&=\overline^h(-t)e^dt}\\

&=\overline^h(t)e^dt}\\

&=\overline\\

s_y(\omega)&=s_x(\omega)h(\omega)\widetilde(\omega)\\

&=s_x(\omega)h(\omega)\overline\\

&=s_x(\omega)|h(\omega)|^2

\end

\]例:

\[\begin

|e[x(t)y(t)]&\leq[e(x^2(t)y^2(t))]^}\\

|r_(0)|&\leq[r_x(0)r_y(0)]^}\\

|\frac\int_^s_(\omega)d\omega|&\leq\frac[\int_^s_x(\omega)d\omega\int_^s_y(\omega)d\omega]^}\\

|\int_a^bs_(\omega)d\omega|&\leq[\int_a^bs_x(\omega)d\omega\int_a^bs_y(\omega)d\omega]^}\\(相當於經過乙個&帶通濾波器,是線性的)

\end

\]wiener-khinchine relation.

wiener:cybernetics控制論,數學,美

khinchine:排隊論之父,前蘇聯

《概率統計與隨機過程》 筆記2

定義 1設隨機試驗e的樣本空間s 若對每個試驗結果e,都有確定的實數x e 與之對應,則稱實值變數x e 為隨機變數,簡記為x。引入隨機變數後,隨機事件就可以用隨機變數的取值來表示了。定義 2設x為隨機變數,對於任意實數x,令f x p x x 稱f x 為隨機變數x的分布函式。性質 1.取值範圍 ...

隨機過程 馬爾可夫鏈 2

標籤 空格分隔 訊號處理 首先乙個非常值得提醒的就是,我們在學習隨機過程的基礎理論的時候會經常講,但是到了介紹某幾個具體的隨機過程的詳細知識的時候總會忘記,那就是乙個非常重要的前提 它是乙個平穩隨機過程。注意了,一定是平穩的,不平穩的基本上現在不涉及,不研究。然後是提到了馬爾科夫鏈的狀態轉移圖和狀態...

隨機過程 原書第2版

隨機過程 原書第2版 基本資訊 原書名 stochastic processes wiley series in probability and statistics 原出版社 wiley 譯者 龔光魯 叢書名 統計學精品譯叢 出版社 機械工業出版社 isbn 9787111430292 出版日期 ...