功率谱密度和白噪声过程(课堂PPT）

1,2,平稳随机过程的功率谱密度白噪声随机过程,主讲人：张有光电话：82314978办公室：新主楼F806,第六讲：,3,主要内容,一、平稳过程的功率谱密度二、谱密度与自相关函数三、平稳过程的互谱密度四、白噪声过程,4,一、平稳过程的功率谱密度,1、能量型信号2、信号的频谱3、信号的能谱4、功率型信号5、平均功率的谱表示和功率谱密度6、平稳过程的功率谱密度,5,1、能量型信号,能量型信号,其中，s(t)为信号，W为总能量。,6,2、信号的频谱,在的情况下，能量型信号s(t)的傅立叶变换存在，即,称F()为信号s(t)的频谱。,？,7,3、信号的能谱密度,能量型信号的能谱E()为,由巴塞伐尔等式，可得到,能量守恒！,8,4、功率型信号,能量无限，平均功率有限的信号称为功率型信号。即,Ps为信号的平均功率。,9,5、平均功率的谱表示,功率型信号不满足绝对可积条件。为了能够利用傅立叶变换给出平均功率的谱表示式，构造截尾函数：,10,平均功率的谱表示,sT(t)能够满足绝对可积条件。sT(t)的频域结构,sT(t)的平均功率：,11,平均功率的谱表示,由巴塞伐尔等式，可得到,两边同除以2T，并由截尾函数的定义，得到,12,平均功率的谱表示,令T趋于无穷，功率型信号s(t)在(-,)上的平均功率可表示为,功率型信号的平均功率谱密度,13,功率谱密度,功率型信号的平均功率谱密度，简称功率谱密度，定义为：,14,6、平稳过程的功率谱密度,平稳随机过程的样本函数是功率型的。,15,6、平稳过程的功率谱密度,由于平稳随机过程的均方值是常数,16,平稳过程的功率谱密度,定义,为平稳随机过程X(t)的功率谱密度。这样，Px又可以写成,平均功率谱的表达式,17,平稳过程的功率谱密度,为双边功率谱密度，但在实际应用中，负频率不存在，故引入单边谱密度,18,二、谱密度与自相关函数,1、功率谱密度与自相关函数的关系维纳-辛钦公式2、功率谱密度两种定义的等价条件3、功率谱密度的性质,19,1、谱密度与自相关函数的关系,平稳随机过程的功率谱密度是它的自相关函数的傅立叶变换：,20,谱密度与自相关函数的关系,由傅立叶逆变换公式，有上述两式统称为维纳-辛钦公式,返回,注释：对比“信号与系统”中维纳辛钦公式,21,2、功率谱密度两种定义的等价条件,对于第一种定义，将其展开,22,功率谱密度两种定义的等价条件,通过变量置换，最后得到：,23,只要则上式中第二项为零，故此时,也就是说，平稳随机过程在自相关函数绝对可积的情况下，维纳-辛钦公式成立。此时功率谱密度的两种定义等价。,功率谱密度两种定义的等价条件,24,功率谱的意义,25,3、功率谱密度的性质,若过程X(t)是实平稳的，则自相关函数是实偶函数，因此功率谱密度也是实偶函数，即,证明：,26,功率谱密度的性质,由于R()和S()都是偶数，于是维纳-辛钦公式还可以写成：,27,例2.4-1,设随机相位余波的功率谱密度，其是在区间内均匀分布.解：,28,例2.4-2,随机电报信号自相关函数求功率谱密度,29,例2.4-3,已知功率谱,应用留数定理,留数和,30,例2.4-4,若平稳随机过程功率谱,31,三、互谱密度,1、互谱密度的定义2、互谱密度的维纳-辛钦公式形式定义3、互谱密度的性质,32,1、互谱密度的定义,定义：设随机过程X(t)和Y(t)是联合平稳的，则定义互谱密度为,33,2、互谱密度的维纳-辛钦公式,随机过程X(t)和Y(t)的互谱密度是它们的互相关函数RXY()的傅立叶变换：,34,2、互谱密度的维纳-辛钦公式,当若X(t)是一个二端电压、Y(t)是流经该器件的电流，则上式左边就是消耗的功率。,35,两个正交随机过程性质,随机过程X(t)和Y(t)正交,此时有：,36,3、互谱密度的性质,1）,2）,3）,奇函数偶函数,37,先证明：,令：,38,互谱密度函数不是实的、正的偶函数,39,从定义和施瓦茨不等式,40,41,四、白噪声过程,1、白噪声过程的定义2、白噪声过程的自相关函数3、白噪声的相关系数,42,1、白噪声过程的定义,若一个均值为零的平稳过程具有恒定功率谱密度,则称W(t)为白噪声过程。其中N0表示单边功率谱密度。,相当于信号与系统中的冲击响应函数,43,2、白噪声过程的自相关函数,根据维纳-辛钦公式，白噪声过程的自相关函数：,44,2、白噪声过程的自相关函数,白噪声的自相关函数和功率谱密度,45,3、白噪声过程的相关系数,白噪声的相关系数：,可见白噪声在任意两个相邻时刻的取值都不相关。还句话说，白噪声随时间的起伏变化较快，频域来说频谱很宽。,46,注释：白噪声平均功率,白噪声是一种理想化的数学模型，在物理上不可实现，因为按照白噪声的定义它的平均功率是无限大。,由于白噪声数学表述上的简洁性，是很多物理现象的一种近似。如电子管中的散弹噪声，通信传播中的信道干扰。显然白噪声是各态历经过程，它可以看成是大数定律中随机序列推广到连续时间的情形。,47,4、非白噪声,非白噪声成为有色噪声，或相关噪声，其功率谱密度：,其功率谱密度不再是均匀的，而是频率的函数。,48,5、矢量白噪声,定义：若一