台交大随机过程 Lecture 4
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这次回顾第四讲,介绍了线性时不变系统,脉冲响应函数以及卷积,对应视频9-11。
有随机输入的系统
输入:$x(t)$,其中$\{x(t), t \in \mathcal{I}\}$定义在$(S, \mathcal{F}, P)$
算子:$\boldsymbol{T}$
输出:$\boldsymbol{y}(t)=\boldsymbol{T}(\{\boldsymbol{x}(s), s \in \mathcal{I}\}, t)=\boldsymbol{T}_{t}(\{\boldsymbol{x}(s), s \in \mathcal{I}\})$
系统分类
确定性系统:$\boldsymbol{T}_{t}\left(x^{\mathcal{I}}, \zeta\right)=\boldsymbol{T}_{t}\left(x^{\mathcal{I}}\right)$
随机系统:存在$\zeta_{1} \neq \zeta_{2}$,使得$\boldsymbol{T}_{t}\left(x^{\mathcal{I}}, \zeta_{1}\right) \neq \boldsymbol{T}_{t}\left(x^{\mathcal{I}}, \zeta_{2}\right)$
无记忆系统
系统是无记忆的,如果$T_{t}\left(x^{\mathcal{I}}, \zeta\right)=T\left(x^{\mathcal{I}}, \zeta\right)$。
引理
如果无记忆系统的输入$x(t)$是SSS,那么其输出$y(t)$也是SSS
证明:
考虑概率
定义
那么
推论
- 如果输入$x(t)$是$n$阶平稳,那么输出$y(t)$是$n$阶平稳
- 如果输入$x(t)$是区间平稳,那么输出$y(t)$也是区间平稳
- 但是,如果输入$x(t)$是WSS,输出$y(t)$不一定是WSS
最后一点的反例如下:
考虑$y(t)=x^2(t)$,其中$\boldsymbol{x}(t)=\boldsymbol{a} \cos (\omega t)+\boldsymbol b \sin (\omega t)$,$a,b$独立$0$均值。
计算相关函数:
只有当$E\left[\boldsymbol{a}^{4}\right]=3 E^{2}\left[\boldsymbol{a}^{2}\right]$时,$y(t)$才是WSS。
例子:Arcsine law
定义
其中$x(t)$是$0$均值高斯平稳过程。计算$y(t)$的均值和自相关函数。
解:
显然
对于$R_{y y}\left(t_{1}, t_{2}\right)$,注意到
现在计算$x(t_1),x(t_2)$的联合概率分布,首先显然是联合高斯分布,期望为$0$,协方差矩阵为
其中$\rho=R_{x x}\left(t_{1}-t_{2}\right) / R_{x x}(0)$。
所以
具体推导见课件81-82。
所以
定理(Bussgang)
假设系统是无记忆的,如果输入为$0$均值,高斯,那么互相关函数$R_{x y}(\tau)$和$R_{xx}(\tau)$成正比。
证明:
协方差矩阵为
其中$\rho=R_{x x}\left(t_{1}-t_{2}\right) / R_{x x}(0)$。
令
那么
如果$g’(.)$存在,以及
那么
证明:
Dirac Delta函数
定义Dirac Delta函数$\delta(t)$为满足如下条件的函数:
Dirac Delta函数满足如下性质:
线性系统
如果系统满足
那么系统$T$被称为线性系统。
线性系统可以表示为卷积的形式,为了证明这点,首先考虑如下引理:
引理
如果一阶可微函数$f$满足
那么
证明:
所以
注意到线性系统显然有
这说明
即
卷积
线性系统可以表示为卷积的形式。
连续系统:
离散系统:
脉冲响应:
以离散情形的例子证明该结论:
定义线性系统
那么由引理可得
同理可得
时不变系统
系统被称为时不变,如果$\boldsymbol{T}_{t}\left(x^{\mathcal{I}}, \zeta\right)=\boldsymbol{T}\left(x^{\mathcal{I}}, \zeta\right)$。
含义:$x(t-s)$的输出为$y(t-s)$
此时
时变系统
考虑
那么
显然该系统是线性的,但是如果输入为$x(t-s)$,那么输出为
所以是时变的。
基本定理和定理9.2
对于任意线性系统,我们有
证明:
推论
对于任意线性系统
例1:微分算子
微分算子是线性时不变系统,其输出为输入的导数,即
注意微分系统可以表示为
其中
那么根据定理9.2,我们有
同理可得
利用推论得到
以及
例2:微分方程
微分方程的形式如下:
这里假设初值为$0$,$y(t)$唯一。
那么根据基本定理:
将系统理解为输入$y(t)$,输出$x(t)$,那么根据定理9.2可得