50444

Моделирование стационарных случайных процессов

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Получение реализации стационарного случайного процесса с заданными вероятностными свойствами основано на линейном преобразовании случайной функции. Вычисление ковариационной функции выходного процесса приводит к цепочке равенств 3 учитывая что получим следующее выражение: 4 По определению дисперсия выходного сигнала равна: 5 Из выражения 5 следует что для вычисления дисперсии выходного сигнала знания дисперсии входного сигнала недостаточно а необходимо располагать его ковариационной...

Русский

2014-01-23

231 KB

29 чел.

Лабораторная работа №5

Моделирование стационарных случайных процессов

(формирующий фильтр).

Цель работы.

 Исследовать формирование случайного сигнала с заданной спектральной плотностью.

Основные положения.

Необходимость построения формирующих фильтров возникает при постановке и решении большинства задач оптимальной линейной фильтрации и оптимального стохастического управления, а также в смежных с теорией управления областях системного анализа.

Формирующим фильтром называют линейное динамическое устройство, преобразующее стандартный случайный процесс в виде единичного белого шума в случайный процесс с заданной ковариационной функцией(спектральной плотностью).

Пусть стационарный случайный процесс, заданный своими числовыми характеристиками: математическое ожидание,   ковариационная функция.

Получение реализации стационарного случайного процесса с заданными вероятностными свойствами основано на линейном  преобразовании  случайной  функции.

Так как , то достаточно рассмотреть случай .

Соотношение вход-выход устойчивой стационарной линейной системы в установившемся режиме записывается в виде:

,    (1)

где (t)входной процесс; x(t) выходной процесс; w(t)весовая функция линейного преобразования.

Применяя к обеим частям выражения (1) операцию математического ожидания, получим

,     (2)

откуда следует, что если , то и .

Вычисление ковариационной функции выходного процесса приводит к цепочке равенств  

  (3)

учитывая, что     ,

получим следующее выражение: ,     (4)

По определению, дисперсия выходного сигнала  равна:

,      (5)

Из выражения (5) следует, что для вычисления дисперсии выходного сигнала знания дисперсии входного сигнала недостаточно, а необходимо располагать его ковариационной функцией.

Применяя к обеим частям выражения (4) преобразование Лапласа, получим соотношение между спектральными плотностями входного и выходного сигналов системы

,                   (6)

где      ,      а           (7)

Дисперсия выходного сигнала согласно выражений (5) – (7)  равна

(8)

Если на входе линейного преобразователя с передаточной функцией W(s) приложен белый шум с единичной спектральной плотностью, тогда на его выходе, согласно выражению (6) будем иметь:

              (9)

Спектральная  плотность стационарных случайных процессов, ковариационные функции которых выражаются через тригонометрические и показательные функции  является  дробно-рациональной функцией  комплексной переменной, то есть:

,     (10)

где P(s) и Q(s) целые, относительно s многочлены.


Спектральная плотность является действительной и чётной функцией, многочлены  и  имеют чётную степень  и  переменной
s. Поэтому их корнями будут  комплексно сопряженные  функции. Следовательно, можно записать:

     (11)

Подставляя равенства (11) в выражение (10), получим

   (12)

Сравнивая равенства (12) и (9), можно записать выражение для передаточной функции  звена, которое формирует случайный процесс с заданной спектральной плотностью из единичного «белого шума»:

      (13)

Представление (12) спектральной плотности в виде произведения двух сомножителей, один из которых  имеет нули и полюсы в левой полуплоскости, а другой  в правой полуплоскости, называют факторизацией спектральной плоскости. Разложение (12) оказывается единственным.

По передаточной функции (13) стандартным образом записываем уравнения вход-выход формирующего фильтра ( в операторной форме):

    (14)

Описание модели.

 Моделирование задачи осуществляется стандартными средствами пакета MATLAB, путем программной реализации основных блоков (Рис.1.)

                  

                            

                  

Рис.1.

В работе исследуются три формирующих фильтра для случайных процессов с ковариационными функциями:

  1.  ;  
  2.  ;
  3.  ,

Этим  ковариационным  функциям  соответствуют  спектральные  плотности:

  1.  ;     2); 3)

     

После проведения факторизации спектральных плотностей получим передаточные функции формирующих фильтров:

 

1) ; 2); 3)

По передаточным функциям формирующих фильтров записываем согласно выражению (14) отвечающие им дифференциальные уравнения 

  1.  ;
  2.  ;
  3.  ;

где   входной сигнал в виде единичного белого шума.

Вычисление значений оценок математического ожидания и дисперсии на выходе фильтра осуществляется    по рекуррентным  формулам:

,      (13)

          

Вычисление оценки ковариационной функции производится после окончания переходного процесса по  формуле

     3) ;             (14)

где  – глубина корреляции.

Зависимость полученных оценок  от длины реализации  сравнивается с теоретической  ковариацией  и  строится  график  критерия  адекватности:

.           (15)

Характеристики сигналов  на входе линейной системы.

Вариант 1.

Ковариационная функция .

Спектральная плотность .

 

Вариант 2.

Ковариационная функция .


Спектральная плотность .

Вариант3.

Ковариационная функция

..

Спектральная плотность

Программа исследований.

  1.  Войдите в MATLAB for Windows и запустите программу model 5.m.
  2.  В соответствии с конкретным вариантом задания составьте программу исследований и согласуйте ее с преподавателем.

В появившемся на экране диалоговом окне  последовательно выполняйте следующие действия:

3) Выберите  нужный  вариант  работы,  нажав  на  соответствующую  кнопку команд  «1», «2» или «3».

4) В открывшейся рабочей области введите заданные значения параметров  и  нажмите  кнопку команды «Далее».

5) Для изменения длины реализации  щелкните мышью в поле вывода ее значения, введите новое значение и затем щелкните мышью в любом свободном месте окна.

6)Наблюдайте графики оценок математического ожидания и дисперсии, теоретической ковариационной функции и её оценки, спектральной плотности и критерия адекватности.

7) Проследите  изменения графиков получаемых оценок при изменении длины реализации .

8) Исследуйте графики оценок при изменении параметров в выражении для спектральной плотности (для изменения параметров нажмите клавишу «Изменить…»).

9) Для вывода графиков на печать нажмите клавишу «Увеличить» и в открывшемся окне выберите в меню вкладку File и далее пункт Print… .

10) Сформулируйте  выводы о проделанной работе.

Содержание отчета.

1) Цель работы.

2) Краткое теоретическое обоснование и основные формулы.

3) Ковариационная функция, спектральная плотность и передаточная функция исследуемого фильтра.

4) Результаты моделирования (графики оценок математического ожидания выходного сигнала  и  дисперсии,  графики  ковариационной  функции  фильтра и её оценки).

5) Выводы .


Генератор «белого шума»

Формирующий фильтр

Блок оценок характеристик

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10688. Чорна рада - Пантелеймон Куліш - Хроніка 1663 року 20.2 KB
  Чорна рада Пантелеймон Куліш Хроніка 1663 року І Навесні двоє верхових наближалися до Києва Білгородським шляхом. Де їхали полковник Шрам із сином. Полковник був сином поволоцького попа вивчився на попа але потім пішов до козаків. Після поразки повстання полковник дес...
10689. Вовчок Марко - Максим Гримач 14.49 KB
  Вовчок Марко Максим Гримач Давно це було коли панували в Україні Польща і Московщина. Застави між державами хоч і стояли та не густо спритні люди часто перевозили Дніпром усякий крам не сплачуючи мита. Навпроти Черкас над Дніпром стояв хутір Максима Гримача. Чолові
10690. Кайдашева сімя - Нечуй-Левицький Іван 17.95 KB
  Кайдашева сімя НечуйЛевицький Іван І Село Семигори знаходиться недалеко коло Росі ховається воно в зелених садах навколо розстилаються левади. Хата Омелька Кайдаша притулилася біля однієї гори в старому садку. Старий Кайдаш сидить коло повітки та майструє одягнен...
10691. Хіба ревуть воли, як ясла повні? - Мирний Панас - Роман з народного життя 25.69 KB
  Хіба ревуть воли як ясла повні Мирний Панас Роман з народного життя ЧАСТИНА ПЕРША І Польова царівна Надворі вповні розвинулася весна вся природа буяє. В такий прекрасний весняний день дорогою від села Пісок до Ромодана йшов молодий чоловік. Він із задоволенням розг
10692. Мартин Боруля - Карпенко-Карий Іван 17.35 KB
  Мартин Боруля КарпенкоКарий Іван Мартин Боруля багатий шляхтич чиншовик той хто платить за оренду землі якомусь іншому власникові просить повіреного Трандалєва прочитати документ де вказано що Дворянскоє депутатскоє собраніє зачисляє його Борулю до дворянс
10693. Земля - Кобилянська Ольга 16.55 KB
  Земля Кобилянська Ольга Велике село Д. на Буковині. Горстка хаток притулилася до величного панського лісу. Інші розташувалися серед поля. Заможна селянка Докія занепокоєна долею своєї єдиної доньки Парасинки. Мати вже почуває себе вкрай погано батько ж страшний пият...
10694. Тіні забутих предків - Коцюбинський Михайло 15.78 KB
  Тіні забутих предків Коцюбинський Михайло Ще з народження Іван який був девятнадцятою дитиною в гуцульській сімї Палійчуків лякав матір та родичів неприродно розумним глибоким поглядом. Де викликало в людей містичні згадки про підкинутих нечистим дітей. Змалку п
10695. Камінний хрест - Стефаник Василь 14.09 KB
  Камінний хрест Стефаник Василь Скільки у селі памятають Івана Дідуха у нього завжди була одна конячина якою селянин оброблював горб що залишився йому у спадок від батька. Незрозуміло було хто з них більше тягне плуга Іван чи коняка але чоловік ніколи не кричав на
10696. Intermezzo - Коцюбинський Михайло - Новела - Присвячую кононівським полям 15.63 KB
  Intermezzo Коцюбинський Михайло Новела Присвячую кононівським полям Дійові особи: Моя утома. Зозуля. Ниви у червні. Жайворонки. Сонце. Залізна рука города. Три білих вівчарки. Людське горе. Герой збирається в дорогу треба тільки зібратися. Але навіть таке маленьке треба