平稳随机过程的谱分析PPT讲稿.ppt

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1、平稳随机过程的谱分析第1页，共33页，编辑于2022年，星期六第三章 平稳随机过程的谱分析重点及其要求：重点及其要求：n（1 1）平稳过程的自相关函数与功率谱密度之间、联合平稳）平稳过程的自相关函数与功率谱密度之间、联合平稳过程的互相关函数与互谱密度之间皆互为傅立叶变换，知其过程的互相关函数与互谱密度之间皆互为傅立叶变换，知其一可求其二，并能求出平均功率、互功率。一可求其二，并能求出平均功率、互功率。n（2 2）对功率谱密度、互谱密度的定义及性质要熟记，）对功率谱密度、互谱密度的定义及性质要熟记，以便灵活运用，解决有关问题。以便灵活运用，解决有关问题。第2页，共33页，编辑于2022年，星期六

2、3.1 随机过程的谱分析（一）随机过程的功率谱密度（一）随机过程的功率谱密度 随机过程随机过程X(t)X(t)的样本函数的样本函数x(t)x(t)不满足傅立叶变换绝对可积条不满足傅立叶变换绝对可积条件。尽管件。尽管x(t)x(t)的总能量是无限的，但其平均功率却是有限的。的总能量是无限的，但其平均功率却是有限的。过程的样本函数过程的样本函数x(t)x(t)的截取函数定义为的截取函数定义为第3页，共33页，编辑于2022年，星期六3.1 随机过程的谱分析 当当T T为有限值时，截取函数满足绝对可积条件，其傅立叶变换存为有限值时，截取函数满足绝对可积条件，其傅立叶变换存在，则有在，则有显然显然x

3、xT T(t)(t)也应满足帕赛瓦定理，即也应满足帕赛瓦定理，即 对上式作集平均、时间平均处理后，可得到随机过程对上式作集平均、时间平均处理后，可得到随机过程的平均功率为的平均功率为第4页，共33页，编辑于2022年，星期六3.1 随机过程的谱分析 由此得到两个重要结论：由此得到两个重要结论：（1 1）若过程若过程X(t)X(t)是平稳的，则有是平稳的，则有（2 2）设）设则有则有 我们称我们称S SX X()为随机过程为随机过程X(t)X(t)的功率谱密度函数。对平稳过程的功率谱密度函数。对平稳过程X(t)X(t)，则有，则有第5页，共33页，编辑于2022年，星期六3.1 随机过程的谱分析

4、（二）功率谱密度与复频率面（二）功率谱密度与复频率面 为了系统分析的方便，有时用复频率为了系统分析的方便，有时用复频率 来代替实频率变量来代替实频率变量，于是，功率谱密度便是复变量，于是，功率谱密度便是复变量S S的函数，记为的函数，记为 。最简单的情况就是，最简单的情况就是，此时记，此时记 ；当用当用-jS-jS代替代替 时，功率谱密度应记为时，功率谱密度应记为 或或 。有时也用复频率面上的零、极点图来研究功率谱密度。有时也用复频率面上的零、极点图来研究功率谱密度。第6页，共33页，编辑于2022年，星期六3.1 随机过程的谱分析 例例3.1 3.1 设复随机过程设复随机过程 其中其中a a

5、和和 0 0皆为实常数，皆为实常数，是均匀分布在区间（是均匀分布在区间（0,0,/2/2）上的）上的随机变量。试求随机变量。试求X(t)X(t)的平均功率。的平均功率。解：因为解：因为X(t)X(t)的均方值的均方值 是时间是时间t t的函数，故的函数，故X(t)X(t)不是宽平稳的。可以求得不是宽平稳的。可以求得X(t)X(t)的平均功的平均功率率第7页，共33页，编辑于2022年，星期六3.1 随机过程的谱分析 例例3.2 3.2 设设 解：用解：用=-js=-js代入得代入得 求用复频率求用复频率s=js=j 表示的表示的S SX X(s)(s)第8页，共33页，编辑于2022年，星期六

6、习 题 3.1 3.1 设平稳随机过程设平稳随机过程X(t)X(t)的功率密度为的功率密度为 求用复频率求用复频率s=js=j 表示的表示的S SX X(s)(s)，并在复频率面上画出，并在复频率面上画出S SX X(s)(s)的零、极的零、极点图。点图。第9页，共33页，编辑于2022年，星期六3.2平稳随机过程的功率谱密度性质（一）平稳过程（一）平稳过程X(t)X(t)的功率谱密度的性质的功率谱密度的性质(1).(1).(2).(2).功率谱密度功率谱密度S SX X()是是 的实函数。的实函数。(3).(3).(4).S(4).SX X()可积可积(5).(5).(6).(6).在平稳过

7、程中，有一大类过程，其功率谱密度是在平稳过程中，有一大类过程，其功率谱密度是 的有理的有理函数，即函数，即式中式中S S0 00,M0,MN,此外，分母应该无实数根。此外，分母应该无实数根。第10页，共33页，编辑于2022年，星期六3.2平稳随机过程的功率谱密度性质例例3.3 3.3 考虑一个广义平稳随机过程考虑一个广义平稳随机过程X(t)X(t)，具有功率谱密度为，具有功率谱密度为解：现在我们用复频率的方法来求解：现在我们用复频率的方法来求 。首先令。首先令s=js=j,得得求过程的均方值求过程的均方值利用留数定理，考虑沿着左半平面上的一个半径为无穷大的半圆积分利用留数定理，考虑沿着左半平

8、面上的一个半径为无穷大的半圆积分第11页，共33页，编辑于2022年，星期六3.2平稳随机过程的功率谱密度性质 左半平面有两个极点，在左半平面有两个极点，在1 1和和3 3处，于是，可以分别处，于是，可以分别计算两个极点的留数为计算两个极点的留数为故故第12页，共33页，编辑于2022年，星期六习 题3.2 3.2 已知平稳随机过程已知平稳随机过程X(t)X(t)，具有功率谱密度为，具有功率谱密度为求过程的均方值求过程的均方值第13页，共33页，编辑于2022年，星期六3.3平稳随机过程的功率谱密度与自相关函数之间的关系（一）关系式（一）关系式 经分析，随机过程自相关函数的时间均值与过程功率谱

9、密经分析，随机过程自相关函数的时间均值与过程功率谱密度之间构成了傅立叶变换对，即度之间构成了傅立叶变换对，即 若平稳过程满足若平稳过程满足第14页，共33页，编辑于2022年，星期六3.3平稳随机过程的功率谱密度与自相关函数之间的关系 利用利用 的偶函数特性，维纳辛钦定理还可以表示为：的偶函数特性，维纳辛钦定理还可以表示为：则有则有第15页，共33页，编辑于2022年，星期六3.3平稳随机过程的功率谱密度与自相关函数之间的关系（二）例解（二）例解 例例3.4 3.4 设平稳过程设平稳过程X(t)X(t)的自相关函数为的自相关函数为 其中其中a,a,0 0均为常数。求该过程的功率谱密度。均为常数

10、。求该过程的功率谱密度。解：解：第16页，共33页，编辑于2022年，星期六3.3平稳随机过程的功率谱密度与自相关函数之间的关系 例例3.4 3.4 设平稳过程设平稳过程X(t)X(t)的功率谱密度为的功率谱密度为 求该过程的自相关函数和平均功率求该过程的自相关函数和平均功率Q.Q.解：解：利用留数定理，可求得利用留数定理，可求得第17页，共33页，编辑于2022年，星期六习 题 3.3 3.3 设随机过程设随机过程Y(t)=aX(t)sinY(t)=aX(t)sin 0 0t,t,其中其中a,a,0 0皆为常数，皆为常数，X(t)X(t)为具有功率谱密度为具有功率谱密度S SX X()的平稳

11、过程。求过程的平稳过程。求过程Y(t)Y(t)的功率的功率谱密度。谱密度。3.4 3.4 已知平稳随机过程已知平稳随机过程X(t),X(t),具有功率谱密度为具有功率谱密度为求过程的自相关函数和均方值。求过程的自相关函数和均方值。第18页，共33页，编辑于2022年，星期六3.4 离散时间随机过程的功率谱密度（一）离散时间随机过程的功率谱密度（一）离散时间随机过程的功率谱密度 设设X(n)X(n)为宽平稳离散时间随机过程，其自相关函数为宽平稳离散时间随机过程，其自相关函数R RX X(m)(m)满足满足定义定义1 X(n)1 X(n)的功率谱密度的功率谱密度S SX X()为为R RX X(m

12、)(m)的离散傅立叶变换，即的离散傅立叶变换，即它是周期连续函数，其周期为它是周期连续函数，其周期为2 2 q q(即即NyquistNyquist频率频率)，即，即第19页，共33页，编辑于2022年，星期六3.4 离散时间随机过程的功率谱密度 且有且有 在离散时间系统分析中，有时用在离散时间系统分析中，有时用Z Z变换更为方便，所以也用变换更为方便，所以也用广义平稳离散时间随机过程的功率谱密度定义为广义平稳离散时间随机过程的功率谱密度定义为R RX X(m)(m)的的Z Z变换。变换。第20页，共33页，编辑于2022年，星期六3.4 离散时间随机过程的功率谱密度定义定义2 X(n)2 X

13、(n)的功率谱密度的功率谱密度 为为 的的Z Z变换变换 显然有显然有 R RX X(m)(m)则为则为 的逆的逆Z Z变换，即变换，即 式中式中D D为收敛区中的简单闭合围线。为收敛区中的简单闭合围线。第21页，共33页，编辑于2022年，星期六3.4 离散时间随机过程的功率谱密度（二）平稳过程的采样定理（二）平稳过程的采样定理 若零均值的限带平稳过程若零均值的限带平稳过程X(t)X(t)的功率谱密度为的功率谱密度为在采样周期在采样周期 时，可将时，可将X(t)X(t)按其振幅采样展开为按其振幅采样展开为此式就是平稳过程的采样定理。此式就是平稳过程的采样定理。第22页，共33页，编辑于202

14、2年，星期六3.4 离散时间随机过程的功率谱密度（三）功率谱密度的采样定理（三）功率谱密度的采样定理 若平稳连续时间实随机过程若平稳连续时间实随机过程X(t)X(t)，其自相关函数和功率谱密，其自相关函数和功率谱密度分别以度分别以 记；对记；对X(t)X(t)采样后，所得离散时间采样后，所得离散时间随机过程随机过程X(n)=X(nT)X(n)=X(nT)，X(n)X(n)的自相关函数和功率谱密度分别的自相关函数和功率谱密度分别用用 表示，则有表示，则有上式就是功率谱密度的采样定理。上式就是功率谱密度的采样定理。第23页，共33页，编辑于2022年，星期六3.4 离散时间随机过程的功率谱密度（四

15、）例解（四）例解 例例3.5 3.5 设平稳离散时间随机过程设平稳离散时间随机过程X(n)X(n)的自相关函数为的自相关函数为求求X(m)X(m)的功率谱密度的功率谱密度解：解：上式等号右边第一个和式在上式等号右边第一个和式在 处收敛为处收敛为第二个和式在第二个和式在 处收敛为处收敛为 故我们得到故我们得到第24页，共33页，编辑于2022年，星期六3.4 离散时间随机过程的功率谱密度 故我们得到故我们得到则则若若T=1T=1时，上式变为时，上式变为第25页，共33页，编辑于2022年，星期六3.5 互谱密度（一）互谱密度（一）互谱密度 设设X(t),Y(t)X(t),Y(t)为联合平稳随机过

16、程，若为联合平稳随机过程，若 分别为分别为 的傅立叶变换，则可定义这两个过程的互谱的傅立叶变换，则可定义这两个过程的互谱密度为密度为 于是两个随机过程于是两个随机过程X(t)X(t)和和Y(t)Y(t)的互功率为的互功率为第26页，共33页，编辑于2022年，星期六3.5 互谱密度（二）互谱密度与互相关函数的关系（二）互谱密度与互相关函数的关系 对于两个实随机过程对于两个实随机过程X(t),Y(t)X(t),Y(t)有有 若实过程若实过程X(t)X(t)、Y(t)Y(t)联合平稳，则有联合平稳，则有第27页，共33页，编辑于2022年，星期六3.5 互谱密度（三）互谱密度的性质（三）互谱密度的

17、性质 互功率谱密度和功率谱密度不同，它不再是频率互功率谱密度和功率谱密度不同，它不再是频率 的正的、实的的正的、实的和偶函数。下面我们不加证明地列出互谱密度的若干性质。和偶函数。下面我们不加证明地列出互谱密度的若干性质。（1 1）（2 2）互谱密度的实部互谱密度的实部ReSReSXYXY()、ReSReSYXYX()为为 的偶函数，的偶函数，其虚部其虚部ImSImSXYXY()、ImSImSYXYX()为为 的奇函数。的奇函数。第28页，共33页，编辑于2022年，星期六3.5 互谱密度 （3 3）若随机过程）若随机过程X(t)X(t)与与Y(t)Y(t)正交，则有正交，则有（4 4）若随机过

18、程）若随机过程X(t)X(t)与与Y(t)Y(t)是两个不相关的，均值分别为是两个不相关的，均值分别为m mX X和和m mY Y平稳随机过程，则平稳随机过程，则（5 5）第29页，共33页，编辑于2022年，星期六3.5 互谱密度（四）例解（四）例解 例例3.6 3.6 已知随机过程已知随机过程Z(t)Z(t)为为。其中其中a a和和b b皆为实数，皆为实数，X(t)X(t)和和Y(t)Y(t)是各自平稳且联合平稳的是各自平稳且联合平稳的随机过程。试求：随机过程。试求：（1 1）过程）过程Z(t)Z(t)的功率谱的功率谱S SZ Z(););（2 2）过程）过程X(t)X(t)和和Y(t)Y

19、(t)不相关时的不相关时的S SZ Z(););（3 3）互谱密度）互谱密度S SXZXZ()和和S SYZYZ().).第30页，共33页，编辑于2022年，星期六3.5 互谱密度 解：解：（1 1）过程）过程Z(t)Z(t)的均值、互相关函数分别为的均值、互相关函数分别为 所以所以Z(t)Z(t)也是宽平稳过程，它的功率谱密度为也是宽平稳过程，它的功率谱密度为第31页，共33页，编辑于2022年，星期六3.5 互谱密度 （2 2）平稳过程）平稳过程X(t)X(t)与与Y(t)Y(t)不相关时的互谱密度为不相关时的互谱密度为 （3 3）因此因此Z(t)Z(t)的功率谱密度为的功率谱密度为 同样同样 所以对所以对 进行傅立叶变换，变可得到互谱密度为进行傅立叶变换，变可得到互谱密度为第32页，共33页，编辑于2022年，星期六3.6 白噪声 若零均值的平稳随机过程若零均值的平稳随机过程N(t)N(t)，其功率谱密度，其功率谱密度S SN N()在整在整个频率轴上为非零常数，即个频率轴上为非零常数，即 则称则称N(t)N(t)为白噪声过程。为白噪声过程。白噪声白噪声N(t)N(t)的自相关函数、相关系数分别为的自相关函数、相关系数分别为第33页，共33页，编辑于2022年，星期六