Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Френкс, Л. Теория сигналов

.pdf
Скачиваний:
124
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
12.79 Mб
Скачать

Чтобы убедиться в непрерывности Dul (х) как функционала от х, запишем

|DU/ (x ) - D u / (Хо) | =

| (**и, х)-(**и ,

х0) +

(^ х .

н)—(«т£х0, и)| =

= |(^и , X—х0) + (^

[х—х0|,

u ) |< |( i u ,•

X—х0)| +

+ I

1х — х 0],

и) К

11 II || X— х 0 К+

||^# t X — х 01II ISи II-

Здесь использовано неравенство Шварца. Поскольку Ив — ограниченный опе­ ратор, можно найти такое вещественное положительное число k, что

|| ивх || < k || х || для любого х.

Подставив это неравенство в предыдущее, получим

I Du I (х) — Du 1 ( х0) | < I х — х01| + fe|| х —x0|| = 2fe||x — х„||.

Отсюда сразу же следует, что Dul (х) — непрерывный функционал, поскольку это неравенство имеет место для любого х0 и любого направляющего вектора и.

К упр. 6.3. Пусть задано Н (/) (и, следовательно, f0), и пусть х (t) — сиг­ нал, ограниченный по длительности в интервале | t \ < Т. Пусть теперь Т стано­ вится весьма малым по сравнению с 1//„. Тогда, независимо от формы х (t) на интервале |^| < Т, входной сигнал приближается к импульсивному, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у (t) zzah(t),

где а =

^ * (t) dt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— т

 

 

 

 

 

В

этом

предельном случае

максимум выходной

энергии

просто соответствует

максимуму

а,

если х (t)

имеет

единичную

энергию.

Найдем

максимум

 

 

 

ОО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОО

 

 

 

а

= /] =

J w (t)

х (t)dt =

(х,

w)

при

ограничении / 2 =

J w (t) хг (t) dt =

=

 

— ОО

1. Пусть

I — lx + XI2, и,

полагая

V/ == 0,

— ОО

V/ =

0 =>

(wx,

х)

=

получаем

=£- w (t) +

2Xw (t) х (0 = 0 =>- х (<) — постоянная

величина в

интервале

| i | <

<

Т, т.

е. входной сигнал есть прямоугольный импульс.

 

 

 

 

 

 

 

 

x(t)

 

 

Импульсная

 

дy(t)

 

 

 

 

 

 

 

Энергия на входе

реакция

 

Энергия на выходе

 

 

 

 

 

 

h(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

(*,*)

 

 

 

 

 

 

 

(У,У)

 

 

 

 

=

К

упр.

6.4.

В

этой

задаче надо

максимизировать

/, =

(wy,

у) =

(w [h

 

xj, h ®

x) при ограничении /2 =

(x, x) = 1. Оба квадратичных функ

ционала содержат самосопряженные операторы, таким образом, положив гра­ диент функционала / = /j — Х12 равным нулю, получим

00

^Л, (t,x) х (т) dx = Хх (t).

ОО

 

X

Mi)

-------

 

1И=/

 

 

 

Ядро

находим по табл.

6.1:

 

 

 

т

 

 

Аг (t,

т) = ^ h (о — т) h* (a — t) do

 

 

— т

 

311

Заметим, что

 

 

 

 

 

 

® (0 = -£ -П +

sign (Т — 1/|)

 

 

 

 

ОС

 

К упр. 6.5.

Мы имеем

{ /(0 = ^

ft (iт)х(т)с1х, но

в согласованном

случае

 

 

•ОС

 

ft (to— t) =

ах (0 =Ф- ft (0 = «х (t0t) =ф - */ (() =

 

 

 

 

ОС

 

 

 

 

=

^ ах (h — t + х) х(х) dx = arx (ta — t) = arx (t —t0).

— оо

 

 

 

 

Последнее равенство записано,

исходя

из (2.40) для вещественных сигналов.

К упр. 6.6. Для вещественных сигналов преобразование

Фурье функции

автокорреляции согласно (2.41)

имеет вид

 

 

 

 

Rx ( f ) =

\ Х ф |2 ,

 

таким образом, Rx Ф также имеет ограниченную полосу Щ < W. Согласно равенству Парсеваля

ООIV

г\ (т) dx = ^

I Rx (/) |2 df,

 

 

— оо

 

W

 

 

 

а применение неравенства Шварца дает

 

 

 

w

w

г w

 

 

$ I Rx (/) I2 df

5

1df >

jj Rx (/) 1df

 

-w

-w

-w

 

 

или

 

 

oo

 

 

oo

 

 

 

 

5 ri м dT [2tt7i > л

(°)=^

$ ri w

dx

2W

 

 

 

 

 

Равенство достигается, когда | X (/) |2 есть константа на участке |/| < W; таким образом, импульс, обеспечивающий минимум радиуса корреляции, есть

x(t) = sin 2nWt

 

 

 

2n\Vt

 

 

 

К упр.

6.7.

Максимизируем

Д = у

(t0) =

(х,

g); g (t) = h

(iQt) при

ограничении

h =

(x, x) = 1, x =

wx при

w (l) =

j

f1 +sign (T

— | ij)].

Пусть

/ = (wx, g)-f-)l(wx, wx) = (x, wg)+A(wx, X ) ,

тогда

V 1 = 0 =>- wg -f- 2awx = 0,

т. e.

x (t) = w (t) h (t0t).

К упр. 6.8. Максимизируем lx = v2 (t0) при ограничении /2 = (vb i) = 1. Используя функционалы в частотной области, имеем

Л=»*(<»)= 5 H( f ) vt (/)

= (Vl. G),

—•'со

 

312

где

0(/) = Я* (/)е -'2я?Ч

/а = (VlP

1) =

 

(1, V1) = (YV1, V J .

Пусть / => /х + Я/2. Полагая V/ =

0, заметим,

что / 2 не является самосопря­

женным оператором, поэтому

 

 

 

 

 

V/, =

[К ®

+ У* 0 ]

Ух 0 .

Тогда

 

 

 

 

 

V /= 0 = G 0

+

2MReY

0 ]

Ух 0 .

Следовательно,

 

 

 

 

 

I/

Я *(/)е-'2л^ .

 

 

 

(—2А,) Re У 0

Постоянный множитель (—\/2Х) следует определить из условия нормировки

энергии на входе. Учитывая, что У (—f) =

У* 0 , получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

 

 

 

- 11/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

—2Я =

|Я(/) I2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

Re У 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

о-

 

 

 

»(f)

 

 

 

 

—о +

 

 

 

 

у/ #

 

Y(f)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— о-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— о —

 

 

К упр.

6.9.

В частотной области задача формулируется так.

Надо мини­

мизировать /х =

|| G — ХН ||2

при

ограничении / 2 =

|| х || 2=const, где G 0 ,

Н 0

заданные функции частоты:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ x =

(G -X H ,

G—ХН) = (G,

G) —2 (X, Н* G) +

(| Н |2 X,

X),

 

 

 

 

 

 

 

/ 2 =

(Х,

X).

 

 

 

 

 

 

Заметим, что оператор (| Н |2х,

х) самосопряженный.

 

 

2| Н |2Х +

= 0,

Берем / = /х +

Х12и полагаем V/ =

0, т. е. —2H*G +

отсюда получаем искомый результат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X(f) =

Н

* ( П

G

Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(/) I2

+ К

 

 

 

 

 

 

где X должно быть выбрано так, чтобы удовлетворить условию J

|Х 0 |2 dfi =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— ОО

 

Н - 1 0 ,

= / 2. Если соответствующее значение А, достаточно мало, то X (f)=G 0

т. е. мы получаем тот же результат,

что в задаче без ограничений.

Наиболее

интересен" случай, когда G 0

содержится

в полосе Н 0 .

Заметим,

что при

G 0 =

1 результат

получается таким

же, как в примере

6.4.

 

 

К упр. 6.10.

Например,

пусть =

1/2 и / 2

=

1/2

(при этом мы попадаем

на линию с 0 на рис.

6.10). Положим х =

xt +

х2, где хх — прямоугольный

импульс длительности Т, а х,

 

 

 

 

sin 2nWt

 

 

 

— импульс вида —2nWt

’ имеюш‘ии пол°су W.

Далее, подберем такие амплитуды,

что || хх П2 =

II х2 1[2 =

1/2. Теперь, не из­

меняя

W, положим

Т -*■0. Тогда с -> 0.

Заметим также,

что (хх,

х2)

0, так

что I)

х || 2 =

ИХх (] 2 +

(I х2 Ц2 => 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И Зак. 527

313

К упр. 7.1. Рассмотрим вещественный процесс у (<) на выходе фильтра. Согласно (7.31) для него

Куу (f) = I Я (/) |2 К хх (/).

Пусть х (0 — белый

шум со спектральной

плотностью Кхх (/) = 1 для

всех /,

и пусть

 

 

 

 

00

 

 

 

5 1Я(/)12# < ТО,

 

 

—оо

 

 

й (t) — произвольная

вещественная функция из L2 (—оо, оо) (вообще

говоря,

это условие также не обязательно). Тогда

 

 

 

 

ОО

 

Kyy{f) = \ H { f ) \ ^ k y y ( x ) =

5 h ( t ) h ( t+ x ) d t ,

 

 

 

— ОО

 

и, следовательно, kyy (т) = гд (т) есть временная функция неопределенности фильтра h (t).

x(t)

h(t)

\Ifc)

 

-----jo

К упр. 7.2. Непрерывность kxx (т) вытекает из следующего. Мы имеем

I kxx (х + в) - k xx (х) | = | E [{x (t + x + e) - x (t + t)} x* (I)] | <

< {E [ | x (t + x + e )-x (t + т) 12]},/2 {E [| x (01* ]}1/2 = = {2kxx (0) —2 Re kxx (e)}1^2 {kxx (0)}'/2.

Далее, если kxx (т) непрерывна в нуле, то для любого у >

0 найдется такое малое

е >

0, что

 

 

У > I kxx (0) kxx (в) | = [{kxx (0) Re kxx (e))2 +

 

+ (Im kxx (e))2 ]112 > kxx (0) —Re kxx (e).

Следовательно., \kxx ( x г) — kxx (т)\ <^[2ykxx (Q)]1!'1

и kxx (т) непрерывна

при

всех т.

 

314

К упр. 7.3. Согласно (7.22) средний квадрат флюктуаций имеет значение

 

 

 

оо

 

 

 

 

(0) —2&жж (т) =

2 J

Кхх (/) [1 —е/2я^т1] df =

 

 

Г

-----ОО

 

г

 

 

 

 

=

2

^ АГжае (/) [1 —COS 2л/т] df = 4

I' /С** (/) sin2 (я/т) df <

 

W'

 

 

W7

-W'

 

 

 

/Сжж (/) df = {2iiWx]2-kxx (0).

< 4

J /СЖх (/)[я/т]2<*/<4[я1Гт]2

С

—W

 

 

—W

 

Следовательно,

средний квадрат

флюктуаций меньше, чем [2я№т]2£ [х2 (<)].

Мы имеем также

 

 

 

W

кхх (т) = ^ Кхх if) cos 2nfxdf.

—w

Ho cos 2nfx > cos 2nWx при | / | < W и | x \ <

If AW. Поэтому

 

 

 

 

w

 

 

 

 

 

kxx (t) >

cos 2nWx

^

Kxx (f) df =

kxx (0) cos 2nWx

при | т | < 1 /4U7.

 

 

 

 

-w

 

 

 

 

 

Также, если т<Л /4№ ,

то

 

 

 

 

 

к...... .

Ww

 

 

 

 

 

W

 

>

Kxx5

(ft

cos2

(2' ^ dfT) = \

5Kxx (ft

11+ c o s (4 lt/ dfT)] =

W

 

 

 

-w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

(0) ~b k x x (2t )] .

 

К упр.

7.4.

 

 

 

 

 

 

 

E [ \ y { t ) \ * ) = E

J 5

x ( / - о ) A (a) x* (t - l) h* (6) dadl

 

 

 

 

 

—oo

 

 

 

= \ \ k x x ( l - c ) h ( o ) h * ( l ) d o d l .

x (t)

b(t)

y(t)=fx(t-d)t{d)dd

 

Среднее значение

представляет собой квадратичную форму

{ah, h) типа (6.16)

с ядром вида A (t,

т) = kxx (t — т).

 

 

Следовательно, оператор: 1) инвариантен во времени (оператор свертки);

2) положительно-определен, так как при любой h (t) {ah,

К) = Е [| у {t)\2]>

> 0; 3) самосопряжен по (6.17), так как

 

 

 

A'{t, т) = А* (т,

t) = kxx{x - t);

 

Е (х (£ + т - 0 х* (I)]* = Е [х (|) х* (| + т - 0 ]

=

= Е [х (a + t —x) х* (а)] =

kxx{t —x) = A { t , т ) .

И

315

К упр. 7.5.

kyy (т) = Е (t + т) у* (*)] = Е У (t + х) $ h* (t - I) х* (|) dl

“ $

A*-(<-|)£[y(/ + T)x*(i)]d6= J Л*(<-£)А№(/ + т - Е ) й6.

— со

— оо

 

со

 

•■= ^ h* (о —х) kyx (a) da.

 

— оо

Здесь использовано (7.29) и введено обозначение а = t + т —

ij(i)-fft(i,s)x(s)ds

Купр. 7.6. В общем случае выходной процесс не является стационарным

вузком смысле и согласно (7.24)

h v i h , h) = Е [у (*i) у* (tz)) = Е ^ h (<!, s) /г* (/2, о) х (s) х* (ст) d s d a

=s) h* (t2, о) kxx (s— o) ds do.

00

Следовательно,

CO

 

k y y (t^ 2)

^ ^ (^1>

^ 2 »

k Xx (f) dx t

где

 

00

 

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

 

H t l9 t 2j t ) =

^ h ( t t , % + G ) h * ( t 2 , a ) da.

 

 

 

 

00

 

 

 

y (t)= f fr(t,s)x(s)ds

Аналогично

 

 

 

 

h x ( h ,

h)= -E[y(t1)%*(i2)]=E

^ h (h, s) x (s) x* (i2) ds

 

 

 

OO

 

=

^ h ( t lt s) kxx (s

/2) ds — ^

h(tu

x + tz) kx x (x)dx.

816

К упр. 7.7.

Если ввести определения

kx x {%)=E[x(t) х* (/-ft)],

kyy М = £ [ у ( 0 У* V + т)],

то

kyy ) = Е $§ А (*-о)х(о)А * (/ + т - 6 ) x*(l)dodl

00

ОО

h ((—°) h* {t+ X— Q kxx ( l —o)da dl = ^ w ( t s) kxx (s) ds,

—oo

—00

где

00

 

 

w(t) = ^ h (ri) h* (t) + t ) d t) .

 

—00

Но в этом случае

W ф ■= | Н (—f) |2,

К у у Ф ^ \ Н ( - П \ г К ш Ф -

Далее, если Н ($ соответствует узкополосному фильтру на частоте f, мы полу­ чаем (см. рис. 7.3)

£11 у (012]« ***(-/) Д/.

Таким образом, при указанных определениях Кхх Ш будет давать спектральную плотность на частоте —Ц. Ясно, что предпочтительно другое определение авто­ корреляции для комплексных процессов.

x(t)

y(t)

 

h(t)

К упр. 7.8. Применяя (7.31), мы можем получить спектральную плотность мощности профильтрованного белого шума. Обозначим процесс на выходе фильт­ ра через х (t):

 

I Нф |2 =

1

^ Кхх{ )~

1

1

 

1+ (Ш 2

п/о

1+ (///о)2 ^

 

 

 

 

=> ^ ( т ) =

е - 2л?»1т1 [см. (6.57)].

а) Поскольку Е [х (<)]= 0, то дисперсия kxx(Q)=e 2jlf« I * I — i .

 

т

 

 

т

 

б)

E

 

 

§ kxx(0)dt = 2Г.

 

—т

 

 

—т

 

в)

Оптимальные базисные функции

дает

разложение Карунена—Лоэ

и для их определения нужно найти собственные функции уравнения

Т

(j е—2nfo И—s! .ф.(S)ds = А,* ф; (О-

—г

С точностью до множителя я/0 последнее уравнение совпадает с (6.58). Поэтому собственные числа (6.61) следует лишь разделить на я/0. Ненормализованные собственные функции даются выражением (6.63).

317

г) В (6.148) использовано то же самое интегральное уравнение. Поэто при больших п

 

 

 

 

1

( 4 UT \2

 

 

 

 

 

'^n+i:

 

 

 

 

согласно (7.49)

 

 

 

 

 

 

 

Л|> —

2

^

(4/о Т)*

00

1

(4/,Г)«

_dy_

(4/0 71)2

я/о

2

 

я/о

л»2

я/0п

 

i— n+ 1

 

п+1 ^I*

 

Теперь найдем такое я, при котором

ss 0,01 (2Т):

 

 

 

 

 

 

800

 

 

 

 

 

 

 

« = ------ /о г = 254/0 Т .

 

 

 

 

 

 

я

 

 

 

 

Такое число членов требуется в разложении Карунена—Лоэва.

 

д)

Временное

представление, использующее прямоугольные импуль

вкачестве базисных функций, дает для (7.41)

Тп т

 

7ф=

^ kxx{0)dt— ^

 

§§£**(*—s)9«(s)9*(0d<ds-

 

—г

 

 

г= 1 —г

 

 

 

 

 

Применяя дважды равенство Парсеваля,

находим далее

 

 

Т

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

 

 

J

Ф/(0

\ k xx(t-s)<fi (s)dsdt^

$ Ф* (/)

(/) Фг (/) <*/>

 

— г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

Jr

f Wfl

 

 

 

1

ф; ( /

I (/) ф, (/) ■!/

 

(2я/)2

 

 

 

 

 

 

277я

kxx (t) f 1 »1 *1

d/.

 

 

 

 

 

=

 

^

 

 

 

 

 

 

— 2TJn

 

 

'

 

2?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что это значение

 

не зависит от г.

Поэтому суммирование по t дает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ф=

J kx x ( 0 ) d t - 2 n

J

e ~ 2l* * ( V

nt

dt =

 

 

 

 

 

—Г

 

 

 

 

 

о

 

2я1о 2Г

 

 

 

 

 

 

!■

 

 

 

 

 

 

 

= 2 Т — 2п

+

 

 

 

"

- 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 2я/0

 

(2я/0)2

 

 

Или, используя степенной ряд для экспоненты,

 

 

 

 

/ф = 2 Т - 2 п

1

 

 

1

 

1 / )1

1

 

2Т \2

+

 

 

2я/0 + 2

V п )1

6

 

п

 

 

 

 

 

 

 

-2Т — 2Т -f

,

(

\2

 

(2Т).

 

 

(2я/0) (

 

~

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

Следовательно, для /ф«

0,01 (2Г)

 

нам необходимо

я = 100 (4я/3) /оТ==420/о Т

членов разложения. Это в 1,65 раза больше, чем при оптимальном базисе.

318

К упр. 7.9 Из приведенного определения «случайной мгновенной частоты» fi (t) мы имеем

1

£[w 3 (t) ff (01 = E fx (t) x (/) —x (/) x (/)] =

CO

(f)]df.

Можно подсчитать эти значения, используя частотное представление (7.29) для кросс-корреляции

Ky x (f)= H {f)K x x (f).

y(t)

А. Применяя (4.26), заметим, что

Таким образом мы получаем

К х (f)= [2я/ sign /] Кхх (/) = 2я | f | Кхх (/) •

X X

Б. Аналогично

К ■-

(/)= [ —2я/ sign/] Kxx(f) = — 2n\f\Kxx(f)-

XX

 

 

 

 

 

Используя А и Б, находим далее

 

 

оо

 

Отт

оо

 

 

 

г*

2

 

(*

Е {w * ( 0 f i( 0 ] = - ^ -

$

| / | * « М = 4 ^ //C**(/)d/.

 

 

— оо

 

0

Кроме того,

 

 

 

 

 

Е К

(01 - Е [х2 (0

+

х» (/)] =й*« (0) +

~ (0) =

= 2kxx (0) = 2

^

Кхх (/) d f — 4 ^ Кхх (/) df.

Следовательно, «средняя частота»

 

 

 

Е [w2 (0 f, (Q]

/.=

Е (w2 (О]

 

319

совпадает с

оо

] m x x (f)df

О

оо

J Кхх (/) df

о

К упр. 8.1.

Использование

комплексного представления

упрощает

эту

задачу.

Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х (t)= Re [у e/2ltfo 1 \ =а cos 2лД, t — b sin 2л/0t,

 

 

 

где у =

а -f- / Ь,

тогда

 

 

 

 

 

 

 

Е {t)\ = Re [£ [у]е,2я^ ] = асоз2 л /0/ — bsin2n/0/ =

 

 

 

 

= К ( а )2 + (Ь)2 cos (2л/01 + 0).

 

 

 

Следовательно, Е [х (/)! не зависит от t в том и только в том случае,

когда а =

Для автокорреляции мы имеем

 

 

 

 

 

Е (t +

т) х (0] =

Е {Re [уу* е—у2я^° х + у2 е,2я^“ (2* + т)] } =

 

 

— — - Re [ | у j2] е~ <2ltf»T

Е [у2] е!'2п^° (2<+ х^}.

 

 

 

Чтобы устранить зависимость

от

t, мы потребуем, чтобы

 

 

 

 

 

Е[у2] = £[а2 — Ь2 + / 2 а Ь] =0 .

 

 

 

Так как вещественная и мнимая части должны обращаться в нуль, то £[а2]

==

= £[Ь2] и Е [a b ]= 0 ; тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

Е [Jv|2] =

Е [а2 + Ь2] = 2Е [а2],

 

 

 

 

 

kxx (т) =

Е [a2] cos 2л/0т.

 

 

 

Теперь,

полагая

х (t) — с cos (2лf0t + 6),

так что а = с cos 6,

b =

—с sin

6

и считая, что с и в статистически независимы, мы приводим предыдущие условия на а и b к виду:

о

о

3) a b = 0 = £ -—с2^

cos г] sin tjPq(tj) dr] = 0

о

о

320

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ