Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
1-63.doc
Скачиваний:
40
Добавлен:
20.04.2019
Размер:
4.09 Mб
Скачать

42. Автокорреляционные и взаимно-корреляционные функции.

Взаимная корреляционная функция для двух случайных величин и :

, (13)

 Если взаимная корреляционная функция отлична от нуля, то и носят название коррелированных случайных функций.

  Для стационарного процесса корреляционные функции и не зависят от текущего значения времени и определяются только временным сдвигом .

Для стационарного процесса корреляционная функция определяет зависимость случайной величины в последующий момент времени от предшествующего значения в момент .

 Основные свойства КФ стационарного процесса применительно к величине .

 1. Корреляционная функция является четной функцией, т. е. .

2. При КФ функция дает средний квадрат случайной величины:

.

3. При величины и можно считать независимыми и КФ дает квадрат среднего значения СВ

.

4. Значение КФ при является ее наибольшим значением, т. е. имеет место неравенство .

5. Значение КФ будет тем меньше, чем больше промежутки времени , так как связь между далеко отстоящими друг от друга значениями будет обычно слабее.

6. Чем более подвижен объект наблюдения (менее инерционен), тем быстрее убывает с увеличением .

КФ можно найти на основании экспериментально снятой кривой случайного процесса достаточно длительной записи

КФ можно найти по результатам эксперимента также при помощи специальных приборов - корреляторов, которые автоматически вычисляют среднее произведение двух ординат осциллограммы, отстоящих друг от друга на расстояние .

43. Спектральная теория случайных процессов.

Рассмотрим так называемую энергетическую форму интеграла Фурье.

формула Релея (теорема Парсеваля), которая соответствует энергетической форме интеграла Фурье:

(5)

Подставляя , получим

(6)

Удобнее иметь дело не с энергией, а со средней мощностью процесса, которая будет получена, если энергию поделить на интервал наблюдения. Тогда формулу (5) можно представить в виде

(7)

 Правая часть (7) представляет собой средний квадрат рассматриваемой величины х(t). Введем обозначение

, (8)

можно переписать формулу (7) в виде

(9)

или в виде

(10)

где или - спектральная плотность.

 Важным свойством спектральной плотности является то, что интегрирование ее по всем частотам от до дает средний квадрат исходной функции времени х(t).

 Физический смысл спектральной плотности – это величина, которая пропорциональна средней мощности процесса в интервале частот от до .

Спектральная плотность и корреляционная функция случайных процессов представляют собой взаимные преобразования Фурье, т. е. они связаны интегральными зависимостями:

; (11)

. (12)

 Обычно спектральная плотность вычисляется по известной корреляционной функции при помощи формул (11). Эти формулы соответствуют так называемому двустороннему преобразованию Фурье четной функции времени .

Нормированная спектральная плотность является изображением Фурье нормированной корреляционной функции:

, (13 )

где - спектральная плотность соответствует процессу и, следовательно,

(14)

где - дисперсия.

 Взаимные спектральные плотности и являются изображениями Фурье и .

Рассмотрим некоторые стационарные случайные процессы, обладающие следующими свойствами: математическое ожидание равно нулю , а дисперсия . При этом средний квадрат случайной величины будет равен дисперсии: , а .

1. Белый шум. Под белым шумом понимается случайный процесс, имеющий «белый» спектр, т. е. одинаковое значение спектральной плотности при всех частотах от до (рис. 1):

 Примером такого процесса могут являться тепловые шумы сопротивления, которые дают уровень спектральной плотности хаотического напряжения на этом сопротивлении.

Рис. 1

2. Типовой входной сигнал следящей системы представлен на рис. 2. Скорость сохраняет постоянное значение в течение некоторых интервалов времени . Переход от одного значения к другому совершается мгновенно. Интервалы времени подчиняются закону распределения Пуассона, математическое ожидание , а средний квадрат скорости равен дисперсии, т. е. .

Среднее число перемен скорости за одну секунду- .

Среднее значение интервала времени, в течение которого угловая скорость сохраняет постоянное значение-

Для определения корреляционной функции необходимо найти среднее значение произведения

.

 При нахождении этого произведения могут быть два случая.

1. Моменты времени относятся к одному интервалу. Тогда среднее значение произведения угловых скоростей будет равно среднему квадрату угловой скорости или дисперсии:

.

2. Моменты времени относятся к разным интервалам. Тогда среднее значение произведения скоростей будет равно нулю:

,

так как произведения с положительным и отрицательным знаками будут равновероятными.

Корреляционная функция будет равна

где - вероятность нахождения моментов времени в одном интервале,

а - вероятность нахождения их в разных интервалах.

Устремив и переходя к пределу, получим

и окончательно . (15)

Спектральная плотность рассматриваемого процесса равна:

. (16)

3. Нерегулярная качка. Корабли, самолеты и другие объекты, находясь под действием нерегулярных возмущений (нерегулярное волнение, атмосферные возмущения и т. п.), движутся по случайному закону. Так как сами объекты имеют определенную, им свойственную, частоту колебаний, то они обладают свойством подчеркивать те частоты возмущений, которые близки к их собственной частоте колебаний. Получающееся при этом случайное движение объекта называют нерегулярной качкой в отличие от регулярной качки, представляющей собой периодическое движение.

 Корреляционную функцию нерегулярной качки часто аппроксимируют выражением , а соответствующая спектральная плотность

где - дисперсия для угла, , .

При такой аппроксимации дисперсия для угловой скорости получается конечной: .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]