50446

Статистические модели сигналов в линейных системах

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Пусть стационарный случайный процесс заданный своим математическим ожиданием 1 и ковариационной функцией 2 поступает на вход стационарной линейной системы с весовой функцией . Ковариационная функция сигнала на выходе системы описывается выражением ....

Русский

2014-01-23

5.07 MB

1 чел.

Лабораторная работа №6.

Статистические модели сигналов в линейных системах.

Цель работы.

 Исследование характеристик стационарных случайных процессов в линейных системах.

 Основные положения.

Пусть стационарный случайный процесс, заданный своим математическим ожиданием

,                                                (1)

и ковариационной функцией

,                                          (2)

поступает на вход стационарной линейной системы с весовой

функцией . Весовая функция является полной характеристикой, описывающей преобразование сигналов, осуществляемое непрерывной линейной системой.

Тогда получим сигнал на выходе

.                                            (3)

Из (3) следует, что математическое ожидание сигнала на выходе

 .                  (4)

При этом     принимаем , согласно (1), постоянным и выносим за знак интеграла.                                                       

Ковариационная функция сигнала на выходе системы описывается выражением

.           (5)

Формула (5) используется для случая установившегося режима, когда система асимптотически устойчива, т.е. .

Дисперсия сигнала на выходе системы определяется как значение ковариационной функции при :

,                                                 (6)

тогда из (5), сделав соответствующую подстановку,  получим

.                          (7)

Спектральная плотность сигнала на выходе системы

,                    (8)

где:  -- спектральная плотность сигнала на входе системы,

        --передаточная функция системы.

Таким образом, спектральная плотность сигнала на выходе асимптотически устойчивой стационарной линейной системы в установившемся режиме равна спектральной плотности сигнала на входе, умноженной на квадрат модуля частотной характеристики системы.

Применив обратное преобразование Фурье к обеим частям выражения (8) получим связь между ковариационной функцией и спектральной плотностью сигнала

.                   (9)

Тогда из (6) и (9) получим выражение, связывающее дисперсию и спектральную плотность сигнала

                                    (10)

Для расчета оценок мат. ожидания, дисперсии, ковариационной функции на ЭВМ удобнее использовать рекуррентные формулы, приведенные далее.

Рекуррентная формула для вычисления оценки мат. ожидания:

                                         (11)

где: --оценка мат. ожидания на i-том шаге,

      --i-тое измеренное значение сигнала,

       n—количество измерений.

Рекуррентная формула для вычисления оценки дисперсии:

                                      (12)

где: --оценка дисперсии на i-том шаге,

      --i-тое измеренное значение сигнала,

       n—количество измерений.

Формула для вычисления оценки ковариационной функции  (в установившемся режиме):

                     ,                                  (13)

где: --i-тое измеренное значение сигнала,

        n—количество измерений.

Формула (13) используется для нахождения ковариационной функции на основании экспериментально снятой кривой случайного процесса при наличии достаточно длительной записи.

Описание модели.

На вход формирующего фильтра поступает единичный белый шум. Формирующий фильтр представляет собой звено с такой частотной характеристикой, которое формирует случайный процесс с заданной спектральной плотностью (ковариационной функцией) из единичного белого шума.

Рис.1

Далее полученный сигнал   поступает на вход линейной системы. В данном случае линейная система представляет собой апериодическое или колебательное (два варианта) звено. На выходе линейной системы получаем случайный сигнал с соответствующей ковариационной функцией и спектральной плотностью чем на входе. Связь между ковариационной функцией на входе и выходе линейной системы можно получить по формуле (5), между спектральной плотностью на входе и выходе по формуле (8). Характеристики сигналов  на входе линейной системы, а также типы исследуемых линейных систем представлены ниже.

Характеристики сигналов  на входе линейной системы.

Сигнал  №1.

Ковариационная функция .

Спектральная плотность .

 

Сигнал  №2.

Ковариационная функция .

Спектральная плотность .

 Типы систем.

1.Апериодическое звено.

Передаточная функция

2.Колебательное звено.

Передаточная функция .

 Блок оценочных характеристик представляет собой программу на языке MATLAB составленную на основе формул (11),(12),(13). Программа строит  для заданных параметров ковариационной функции сигнала на входе и передаточной функции линейной системы:

1)на входе системы-- ковариационную функцию, спектральную плотность, оценки мат. ожидания, дисперсии;

2)на выходе системы-- оценки мат. ожидания, дисперсии, ковариационной функции, спектральной плотности.

Программа исследований.

  1.  Получить у преподавателя вариант задания.
  2.  Запустить MATLAB для WINDOWS.

В каталоге LAB6 запустить файл lab51.m.

  1.  В меню «ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ» выбрать заданный тип сигнала на входе.
  2.  В появившихся полях для ввода ввести заданные параметры ковариационной функции сигнала на входе.
  3.  В меню «ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ» выбрать заданный тип системы.
  4.  В появившихся полях для ввода ввести заданные параметры передаточной функции системы.
  5.  В меню «ВЫВОД ХАРАКТЕРИСТИК» выбрать подпункт «На входе системы».
  6.  Снять полученные результаты. При необходимости кнопкой «Увеличить» увеличить окно вывода графика.
  7.  В меню «ВЫВОД ХАРАКТЕРИСТИК» выбрать подпункт «На выходе системы».
  8.  Снять полученные результаты. При необходимости увеличить или уменьшить количество реализаций (соответствует масштабу по времени).
  9.  Изменив параметры ковариационной функции сигнала на входе и передаточной функции линейной системы повторить пункты 2—10.

Примечание. При увеличении количества реализаций до трехзначного числа и более программе требуется достаточно долгое время для расчета оценок характеристик на выходе системы.

 Содержание отчета.

  1.  Цель работы.
  2.   Теоретические сведения о проделанной работе.
  3.  Вариант задания.
  4.  Результаты исследований.
  5.  Выводы о проделанной работе.

 Литература.

  1.  Ю.М. Астапов, В.С. Медведев «Статистическая теория систем автоматического регулирования». Изд. «Наука». 1982.
  2.  А.А. Свешников «Прикладные методы теории случайных функций». Изд. «Наука». 1968.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41105. ПРОЦЕССЫ САМОТЕСТИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ 657.5 KB
  Блок регистров общего назначения определяет вычислительные ресурсы микропроцессора и содержит регистры для временного хранения данных и команд. Данные и команды передаются по шине данных а шина управления состоит из линий для передачи управляющих сигналов состояния памяти и периферийных устройств. С точки зрения структуры микропроцессора для пользователя присутствуют следующие параметры: архитектура адресное пространство памяти достижимое процессором разрядность шины данных быстродействие. Передача данных в режиме прямого доступа к...
41107. Виды обеспечения АСУ. Техническое обеспечение АСУ 32.5 KB
  Организационное обеспечение АСУ представляет собой совокупность средств и методов, предназначенных для проведения технико-экономического анализа существующей системы управления, выбора и постановки задач автоматизации организационного управления предприятием, организации производства и управления в условиях АСУ.
41108. Давні цивілізації. Цивілізації річних долин. Месопотамська та Єгипетська цивілізації 81 KB
  Давні цивілізації. Цивілізації річних долин. Месопотамська та Єгипетська цивілізації. Виникнення та розвиток цивілізації Межиріччя.
41109. Антична Давньогрецька цивілізація 176 KB
  Найбільші із грецьких островів Крит до південносходу від Пелопоннесу й Євбея відділена від Середньої Греції вузькою протокою. Самі значні з островів у західного узбережжя Греції Керкіра Левкада Кефалленія й Закінф.Історія Прадавньої Греції розпадається на пять періодів: ахейський XXXII ст. ахейці що витиснули іонійців і еолійців із частини освоєних ними територій північносхідна Фессалія Пелопоннес що й опанували основною частиною Балканської Греції.
41110. Антична Давньоримська цивілізація 159 KB
  Старода́вній Рим лат. Rom ntiqu також Древній Рим старожитній античний Рим одна з провідних цивілізацій Давнього світу та античності отримала свою назву від головного міста Рима лат. Центр Риму сформувався в межах болотистої рівнини обмеженої Капітолієм Палатином і Квіріналом. Офіційною мовою давньоримської держави була латина релігія протягом більшої частини існування була політеїстична неофіційним гербом імперії був золотий орел лат.
41111. Енергетичні об’єкти міст. (ТЕС) ,(АЄС). Основні стратегії по енергозбереженню 739.5 KB
  Крім забруднення атмосфери викиди енергетики інтенсивно забруднюють атмосферну вологу і опади за рахунок розчину в них окислів сірки і азоту; поверхню грунти рослинність за рахунок випадання на них пилу забрудненого дощу та снігу; поверхню вод за рахунок осідання на водні обєкти шкідливих речовин та змиву їх у річки і водойми дощовими струмками. Наслідком такого забруднення земної поверхні є закислення сільськогосподарських земель та накопичення у грунтах важких металів з вугільного попелу що пригнічує розвиток лісових біоценозів...
41113. Номенклатура та класифікація речового майна 84.5 KB
  Загальні положення з речового забезпечення схема та порядок забезпечення військ речовим майномâ Основні положення щодо забезпечення речовим майном військовослужбовців ЗС Україниâ