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1、平稳过程的谱分析平稳过程的谱分析第一节 平稳随机过程的功率谱密度一、平稳过程的功率谱密度一、平稳过程的功率谱密度 二、谱密度的性质二、谱密度的性质 三、互谱密度及其性质三、互谱密度及其性质 四、小结四、小结 第1页/共64页假如假如 x(t)满足狄利克雷满足狄利克雷(Dirichlet)条件条件,且且绝对可积绝对可积,即即 那么那么 x(t)的傅立叶的傅立叶变换存在或者说具有频谱变换存在或者说具有频谱且同时有傅立叶逆变换且同时有傅立叶逆变换一、平稳过程的功率谱密度设有时间函数设有时间函数一般是复数量一般是复数量,其共轭函数其共轭函数1.平均功率和能量谱密度平均功率和能量谱密度狄利克雷资料狄利克
2、雷资料第2页/共64页等式等式:称为称为x(t)的能量谱密度的能量谱密度帕塞瓦尔等式又可理解为总能量的谱表示式帕塞瓦尔等式又可理解为总能量的谱表示式.平均功率平均功率上的平均功率上的平均功率.帕塞瓦尔资帕塞瓦尔资料料第3页/共64页平均功率的谱表示式平均功率的谱表示式 由给定的由给定的x(t)构造一个截尾函数构造一个截尾函数绝对可积绝对可积它的帕塞瓦尔等式它的帕塞瓦尔等式傅里叶资料傅里叶资料第4页/共64页变形得变形得称为称为 x(t)的平均功率谱密度的平均功率谱密度2.平稳过程的平均功率和能量谱密度平稳过程的平均功率和能量谱密度第5页/共64页交换定义式中积分与均值的运算顺序交换定义式中积分
3、与均值的运算顺序,并注并注意到平稳过程的均方值是常数意到平稳过程的均方值是常数,于是于是 平稳过程的平均功率平稳过程的平均功率该过程该过程的的均方值均方值平稳过程平稳过程X(t)的的功率谱密度功率谱密度,第6页/共64页即即称为平稳过程称为平稳过程X(t)的的平均功率的谱表示式平均功率的谱表示式.也简称为也简称为自谱密度自谱密度或或谱密度谱密度,它是从频率这个角它是从频率这个角度描述度描述X(t)的统计规律的最主要的数字特征的统计规律的最主要的数字特征.物理意义物理意义:表示表示X(t)的平均功率关于频率的分布的平均功率关于频率的分布.第7页/共64页二、谱密度的性质 性质性质1性质性质2它们
4、统称为它们统称为维纳维纳-辛钦辛钦(Wiener-Khintchine)公式公式.辛钦资辛钦资料料维纳资维纳资料料第8页/共64页说明说明1.平稳过程在自相关函数绝对可积的条件下平稳过程在自相关函数绝对可积的条件下,维纳维纳-辛钦公式成立辛钦公式成立.都是偶函数都是偶函数,所以维纳所以维纳-辛钦辛钦公式还可以写成如下的形式公式还可以写成如下的形式:第9页/共64页数的谱表示式数的谱表示式.它揭示了从时间角度描述平稳过它揭示了从时间角度描述平稳过程程X(t)的统计规律和从频率角度描述的统计规律和从频率角度描述X(t)的统计的统计规律之间的联系规律之间的联系.在应用上我们可以根据实际情形选择时间在
5、应用上我们可以根据实际情形选择时间域方法或等价的频率域方法去解决实际问题域方法或等价的频率域方法去解决实际问题.3.维纳维纳-辛钦公式又称为平稳过程自相关函辛钦公式又称为平稳过程自相关函第10页/共64页第11页/共64页第12页/共64页第13页/共64页例例1已知谱密度已知谱密度求平稳过程求平稳过程X(t)的自相关函数和均方值的自相关函数和均方值.解解由公式知自相关函数由公式知自相关函数 利用留数定理利用留数定理,可算得可算得 第14页/共64页均方值为均方值为说明说明有理谱密度有理谱密度 第15页/共64页 在实际问题中常常碰到这样一些平稳过程在实际问题中常常碰到这样一些平稳过程,它它们
6、的自相关函数或谱密度在常义情形下的傅立叶变们的自相关函数或谱密度在常义情形下的傅立叶变换或逆变换不存在换或逆变换不存在,此时如果允许谱密度和自相关此时如果允许谱密度和自相关函数含有函数含有函数函数,有关实际问题仍能得到圆满解决有关实际问题仍能得到圆满解决.在这种情况下在这种情况下,自相关函数为常数或正弦型自相关函数为常数或正弦型函数的平稳过程函数的平稳过程,其谱密度都是离散的其谱密度都是离散的.第16页/共64页求自相关函数求自相关函数 所对应谱密度所对应谱密度 解解 所要求的谱密度为所要求的谱密度为相应的谱密度如图所示相应的谱密度如图所示:此图说明了谱密度此图说明了谱密度是如何表明噪声以是如
7、何表明噪声以外的周期信号的外的周期信号的.例例2第17页/共64页白噪声白噪声均值为零而谱密度为正常数均值为零而谱密度为正常数,即即 的平稳过程的平稳过程X(t)称为白噪声过程称为白噪声过程,简称白噪声简称白噪声.其名出于白光具有均匀光谱的缘故其名出于白光具有均匀光谱的缘故.2.白噪声的自相关函数白噪声的自相关函数1.定义定义第18页/共64页是不相关的是不相关的.(1)白噪声也可定义为均值为零、自相关函数为白噪声也可定义为均值为零、自相关函数为 说明说明(2)白噪声是一种理想化的数学模型白噪声是一种理想化的数学模型.它的平均它的平均功功率是无限的率是无限的.白噪声在数学处理上具有简单白噪声在
8、数学处理上具有简单、方方便优点便优点.如果某种噪声如果某种噪声(或干扰或干扰)在比实际考虑的在比实际考虑的有用频带宽得多的范围内有用频带宽得多的范围内,具有比较具有比较“平坦平坦”的谱密度的谱密度,那就可把它近似地当作白噪声来处理那就可把它近似地当作白噪声来处理.第19页/共64页解解功率谱密度为常数的平稳过程是白噪声功率谱密度为常数的平稳过程是白噪声.例例3第20页/共64页解解例例4第21页/共64页解解方法方法1例例5第22页/共64页第23页/共64页平均功率为平均功率为第24页/共64页方法方法2第25页/共64页三、互谱密度及其性质互谱密度的定义互谱密度的定义设设 X(t)和和Y(
9、t)是两个平稳相关的随机过程是两个平稳相关的随机过程.称称为平稳过程为平稳过程X(t)和和Y(t)的的互谱密度互谱密度.说明说明第26页/共64页互谱密度的性质互谱密度的性质2.在互相关函数在互相关函数绝对可积的条件下绝对可积的条件下,有有如下维纳如下维纳-辛钦公式辛钦公式 第27页/共64页4.互谱密度与自谱密度之间成立有不等式互谱密度与自谱密度之间成立有不等式 注意注意 (1)在应用上当考虑多个平稳过程之和的频在应用上当考虑多个平稳过程之和的频率结构时率结构时,要运用互谱密度要运用互谱密度.例如例如:其中其中X(t)和和Y(t)是平稳相关的是平稳相关的.第28页/共64页Z(t)的自相关函
10、数是的自相关函数是根据维纳根据维纳-辛钦公式辛钦公式,Z(t)的自谱密度为的自谱密度为第29页/共64页(2)互谱密度并不象自谱密度那样具有物理意义互谱密度并不象自谱密度那样具有物理意义,引入这个概念主要是为了能在频率域上描述两引入这个概念主要是为了能在频率域上描述两个平稳过程的相关性个平稳过程的相关性.例如例如:对具有零均值的平稳过程对具有零均值的平稳过程 X(t)和和 Y(t),根据性质根据性质(2),第30页/共64页四、小结 为了计算平稳过程的谱密度为了计算平稳过程的谱密度(或互谱密度或互谱密度),一般总是先求出相关函数一般总是先求出相关函数,再进行再进行FT(维纳维纳-辛钦公辛钦公式
11、式)得到谱密度得到谱密度.平稳过程平稳过程X(t)的的功率谱密度功率谱密度平稳过程平稳过程X(t)和和Y(t)的的互谱密度互谱密度第31页/共64页第七章第七章 平稳过程的谱分析平稳过程的谱分析第37页/共64页第二节 线性系统中的平稳过程一、复习：功率谱密度一、复习：功率谱密度二、线性系统二、线性系统三、线性系统的特征三、线性系统的特征四、小结四、小结 第38页/共64页一、复习：功率谱密度第39页/共64页第40页/共64页第41页/共64页第42页/共64页第43页/共64页第44页/共64页第45页/共64页第46页/共64页第47页/共64页第48页/共64页第49页/共64页第50页/共64页第51页/共64页第52页/共64页第53页/共64页第54页/共64页第55页/共64页第56页/共64页第57页/共64页第58页/共64页第59页/共64页第60页/共64页第61页/共64页第62页/共64页第63页/共64页