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

книги из ГПНТБ / Марченко Б.Г. Метод стохастических интегральных представлений и его приложения в радиотехнике

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9 Mб
Скачать

В частном случае при а = 1 коэффициенты разложения (274) со­ гласно (275) получаются в следующем виде:

 

 

о

 

 

(277)

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

где т = 0, k — 0 или т — О,

1, 2,

k = 1, 2,

2m, а при п =

= 2

 

 

 

 

 

со (0

Гп 0)1 j

 

 

 

»

 

о

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

+

2кг [Г] (1)] j ф (т, 0 dx j

ф (т, t) (т) dx,

(278)

 

О

о

 

 

 

т = 0, k = 0 или /и = 0, 1 , 2, /г = 1, 2, 2т .

Приведенные выше результаты позволяют строить ортогональ­ ные разложения для функционалов от негауссовых случайных про­ цессов, а также сводить произведения линейных функционалов к линейному функционалу канонического вида.

В заключение этого параграфа

рассмотрим пример. Для ка­

нонического вида

линейного функционала

 

 

1

2

J ф (т) dn (т) +

с,

Е2 =

I e~xdn (х)

=

 

о

 

о

 

где я (т) — пуассоновский процесс с параметром

надо опреде­

лить ядро ф (т) и постоянную с.

 

 

 

Согласно (278)

имеем

 

 

 

о

о

о

= 2

(279)

90

где

k — 1

k — 0,5

k

Yl — 2 m ’ Yä —

2m

» Ys — 2m •

Таким образом, согласно (274) и с учетом (279) имеем

1

оо '2т

1

 

I2 = с0 — 4 0)К + [ 4 0)зсГ (Т) dn (X) +

2

2 {

(т) ^ (+ =

J

m=0 fe—1J

 

1

= с + J ф (т) dn (т),

о

где

Ф( т ) = Л > 0) (т) +

оо

+

2

2

 

(т) И с = с0 — Ä

 

 

 

 

 

 

 

m=0 fe—1

 

 

 

 

(280)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Графики

функции

ф (т),

опре­

 

 

 

 

 

 

деленной

согласно

(280) с

учетом

 

 

 

 

 

 

(279), для случая X = 0, 2 и 1 при­

 

 

 

 

 

 

водятся

на

рис. 5. На

этом же ри­

 

 

 

 

 

сунке

для

сравнения

пунктиром

 

 

 

 

 

 

приведен график функции е—т-яд-

 

 

 

 

 

 

ра исходного функционала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак,

в рассматриваемом случае окончательно получим

 

 

I2=

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

X =

 

 

0,8320

• • •

— 1,2317

• • •

+

j ф(т)с(я (т)

при

1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

ё3 =

0,1024 •••

— 0,5922

•••

+

J ф(т)ейгі(т)

при

Л, = 0,2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

где значения функции ф(т)

задаются графиками рис. 5.

 

 

Приведенные выше выкладки и пример позволяют сделать

интересный

для

практических приложений

вывод.

Существу­

ет

некоторый

класс

линейных

случайных

процессов,

замк­

нутый относительно операции нелинейных безынерционных преобразований, т. е. нелинейные преобразования, совершаемые над линейными процессами, принадлежащими этому классу, приводят опять к линейным случайным процессам и при этом остается неизменным порождающий процесс. Это по­ зволяет решение задач, связанных с нелинейными преобразо­ ваниями стохастических линейных процессов, свести к реше­ нию задач, связанных с преобразованием ядер соответствующих интегральных представлений, т. е. перейти от рассмотрения опе­ раций над случайными функциями к рассмотрению некоторых

91

преобразований неслучайных функций. При этом ядра искомых ли­ нейных представлений в общем случае будут выражаться через ис­ ходные ядра при помощи некоторых ортогональных рядов.

§ 5. Одномерные нелинейные гауссовы функционалы

В этой главе будут рассмотрены вопросы нелинейных пре­ образований нестационарных линейных гауссовых процессов в рамках L3-теории для одномерного и многомерного случаев. Ре­ зультаты этой главы будут существенно использованы при решении прикладных задач радиотехники в гл. III.

Обозначим через v (t)

нестационарный нормированный

гаус­

сов линейный процесс

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (f)= h

2 {t,f)V{f),

 

(281)

 

 

v{t) =

со

 

 

t)dw(T)

 

 

 

 

j

ф(т,

 

(282)

и с учетом

(77)

 

 

 

 

оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h (tv

t2) = М [V (tj) V (£j)] =

J ф (т, tt ) ф (T,

t2) dx.

(283)

 

 

 

 

 

 

.—CO

 

 

Пусть {#„ (X), n ~ 0,

1,

2,

...} — система полиномов Эрмита,

ортогональных

с весовой

функцией

ехр | -----y - j

на интервале

(— оо, оо). Справедлива следующая лемма.

 

 

Л ем м а

6.

Пусть функционал

ѵ (t) определен согласно (282), а

Q (t) некоторая однозначная числовая функция.

 

 

Тогда для полиномов Эрмита справедливо следующее разложение:

 

Нп [V(0 + Q (01 =

2

(“ j<2r (0 Hn-r [v(f)].

(284)

Д о к а з а т е л ь с т в о .

Представим левую часть (284)

в виде

суммы по степеням аргумента:

И

н , т + о т = у т„ ^ - , 7 ,2г і °(0 + ѳ (0 ] ^ ° φτ= 0

[т ]

( - lfn \

■= У —

t In( 2k)\k\2k k=0 ’

[-2=q

л=0

φτ= 0

п—2ft

ln — 2k\Qr

 

V

=

,

r

 

/•=0

\

r

 

( - l f ( n - A ) l

v„_9k_r(t).

(n 2k r ) \ k \ 2 k

 

92

Учитывая, что

вторая

сумма

последнего выражения

равна

Нп-г [ V (/)], убеждаемся в справедливости леммы.

 

Теорем а 14. Пусть функционал ѵ (t) определен согласно

(281),

т. е. Му2 (f) = 1.

Введем

обозначение

 

h (fA, t2) =

-------- .

 

(285)

 

 

[h ( y у

h (y y ] 2

 

Тогда для полиномов Эрмита от винеровских функционалов справедливо следующее соотношение:

Щ Нп [V &)] Hk [V (4)]} = п ! h \ t x, t2) bnk,

(286)

где 8nk символ Кронекера.

Д о к а з а т е л ь с т в о . Так как ѵ (t) имеет нормальное рас­ пределение, то

М{НпЩ І$ Н к Щ Щ =

_______1______

00

оо

 

 

I Hn{x)Hk (y) я

 

У \ — h2 (у у !

 

X exp

X2 — 2xyh (tv

У + у2 dxdy.

(287)

 

2[1- Л2(У у]

 

Чтобы произвести интегрирование в правой части последнего выражения, разложим двумерную плотность нормального распре­ деления в ряд по полиномам Эрмита:

---------- --------- т

ехР

 

X2 — 2xyh ( у у + у2

 

2 [1 — £ (У У]

2л [1 -

h2

у ] 2

 

 

 

 

 

ехр

* L + J / M

 

hm ( У

у

HmW Нт (У) ПРИ I h (tv t2) I < 1.

2

I

2 J

ml

 

 

 

'

m=О

 

 

Учитывая последнее разложение, выражение (287) можно за­ писать так:

 

 

 

ЩНп№(Ь)]Нк [о(у)]} =

1

у

hm (У у

J Hn(x)HmНт{х)еx)e~ ~2 dx 7J Hm(y)Hk (y)e 2 Л/.

ZJ

rnI

т = о

1 При т Ф п или т ф k слагаемые правой части последнего вы­ ражения обращаются в нуль. Поэтому при п = т = k

ЩНп [» (*i)] Нп [V (У)]} = п\ hn(У, t2),

98

что и требовалось доказать. Следовательно, в рассматриваемом случае ортогональная система полиномов Эрмита удовлетворяет условию (216), которое приняло конкретный вид (286).

Остановимся на некоторых обозначениях. Символом В (.,.) будем обозначать корреляционную функцию (ковариацию) процес­ са X (/), которая определяется соотношением

В (s, t) = М{ [X (t) —Мл: (/)] [х{t + s) — Мх(t + s)]}, (288)

а символом 53 (...) — второй смешанный момент или скалярное про­ изведение функций X (0 и X (/ -j- s):

53 (S, і) = М [X (о X (t + s)] = (X (t), X(( + s)).

(289)

Но так как в прикладной литературе ([381 и другие) выражение (289) также называют корреляционной функцией, то во избежание путаницы функцию В (s, t) назовем смещенной корреляционной

функцией, подчеркивая тем самым тот факт,

что

 

53 (s, f) = В (s, і) -f- Мх (0 Мх (t - f s).

(290)

Обозначим функцию (смещение)

 

 

АВ (s, і) = Мх (/) Мх (t + s) = 53 (s, t) В (s, t).

(291)

Для стационарного процесса х (t) значение

каждой из приведен­

ных выше функций в нуле содержит самостоятельный физический смысл. Так, 53 (0) характеризует полную мощность процесса х (t),

В (0) — мощность

переменной составляющей

этого

процесса, а

АВ (0) — мощность

его постоянной составляющей. Если функции

53 (s, t) и В (s, t), определенные согласно (288)

и (289)

соответствен­

но, являются равномерными почти периодическими по t, то они допускают усреднение по времени. Обозначим эти средние следую­ щим образом:

И

 

530(s) =

lim

 

Г 53(s,t)di

 

 

(292)

 

 

 

 

Т-*<х **

 

 

 

 

 

B0(s) =

lim

1

J7 В (s, f)dt.

 

 

(293)

Теорема 15. Пусть

Q (t) некоторая действительная одно­

значная

числовая

функция,

v (t)

определяется

согласно (281), а

h(t, t +

s) — согласно

(285). Введем обозначение:

 

 

53m„ (s, 1) =

М{Нт [I (t) +

Q (t)] Нп [о(і + s) +

Q(t +

s)]}.

(294)

Тогда справедливо следующее соотношение:

 

 

 

 

 

 

 

 

53™ (s, t) =

 

 

 

 

min(m,n) jm \ jn \

 

 

 

 

 

S).

(295)

 

= 2

( ] (

)v!/i»(U + s) Qm~v(t) Qn- V(t +

94

Д о к а з а т е л ь с т в о . Воспользовавшись выражением (284), получаем

 

 

 

ln \

Утп (s, t) =

m

n

l m \

~

= 2 2

 

И

(0 & (t + s)м { я т_Гі [о (oi н п_г2 [ü(t + s)]}.

rt=0 r , =

О V 1 /

V 2 /

 

 

 

 

 

(296)

Если

теперь

ввести

замену переменных т гх = п — л2 = ѵ

и воспользоваться выражением (286), то получим выражение (295), что и доказывает теорему.

Вчастном случае, когда исходный гауссов процесс стационарный,

т.е. когда

 

 

 

ѵо (0 =

j ф (t — т) dw (т),

 

(297)

для которого

 

 

—©о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М[г>о(ОМ* +

s)l = h ( s )

=

j Ф (т) ф (т 4- s) dx,

(298)

 

 

 

 

 

 

 

 

---ОО

 

 

 

из теоремы 15 получаем следствие.

 

 

 

действительная равно­

Следствие 20. Пусть

Q (і) — некоторая

мерная почти периодическая функция,

 

 

 

 

 

R rtri (S) =

 

1

1

0Г' (t) Qri (t + s)dt

(299)

 

 

H i m

- ± r

J

при

всех

целых положительных

r t и r2, функция

h (s)

определя-

ется

согласно (298),

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_ _ і_

 

 

 

 

 

 

 

 

v0(t) = h

2

(0)v0(t),

 

 

(300)

где v0 (t) определена выражением (297).

 

 

 

Введем обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Утп (s) = lim -2_

 

 

 

 

(301)

 

 

 

 

Т-*оо

 

 

 

 

 

 

где Vmn (s, /) определяется согласно (295) при условии,

что вместо

V (t) рассматривается случайная компонента v0 (t).

корреляционная

Тогда

усредненная

по

времени

смещенная

функция для полиномов Эрмита от v0 (t) +

Q (t) определяется сле­

дующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vmn(s)=

т \п (щ ,п )

т

 

 

 

 

 

(302)

 

 

2

 

VV

 

 

 

 

 

 

 

 

" о

 

 

 

 

[ s ) -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что функция

Rrtr, (s)

 

также

является равномерной

95

почти периодической, а поэтому, согласно известной теореме [39], является ограниченной, т. е. для всех (—оо, оо)

I Rr,r, (s) I < оо

(303)

при всех целых положительных г1 и г2.

В рассматриваемом случае выражение (293) принимает вид

min(т ,п) / \ /м\ , V / V

Усредняя

последнее выражение по времени и

учитывая

(299)

и (303), убеждаемся в справедливости следствия.

 

 

Так как

Q (/), а следовательно, и Rrir, (s) при

всех целых

по­

ложительных гг и г2являются равномерными почти периодическими

функциями, то для

них, согласно [39],

существуют

ряды Фурье*

 

 

ОО

.

 

 

 

(304)

 

Q{t) = ^ A

kemkt

 

 

и

k—0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Яv , (s) = 2 Л

(П- r2) eia^

)s,

 

(305)

 

k=0

 

 

 

 

 

 

ГДе

 

T

 

 

 

 

 

Ал = 1іт-±г

f

Q(t)eiakidt,

 

(306)

 

T-+ со

_ J r

 

 

 

 

 

\ ('i, ra) = lim J f -

f

RVi (s)eia^ ri)sds,

 

(307)

 

T-+oo 11 jJ

 

 

 

 

 

причем A k (ru r2) могут быть выражены через

A k и щ ,

а ю* (гъ г2) —

через (ük при всех целых положительных гг и г2.

 

 

В статистической

радиотехнике и теории передачи информации

часто предполагают,

что функция Q (t)

является периодической с

периодом Т0, т. е. Q (t) — Q (t -f- Т0)

при

t £ (— оо,

оо). Естест­

венно, что тогда подынтегральное выражение в (299) тоже пред­ ставляет собой периодическую функцию с периодом То, а поэтому, согласно [39], для такого случая

Rrin (s) =

т

Q'. (0 Qr, (t + s)dt

 

^ - j

(308)

и функция Rflrs (s) = Rrtr,

0

T0), т. e. тоже периодическая с

(s +

периодом Т0 при s £ (— оо, оо).

 

 

Приведенные выше теоремы

и следствие позволяют вычислять

корреляционную функцию нестационарного процесса,

полученного

в результате нелинейного преобразования, совершаемого над слу­

чайным процессом V (/) или v (t) +

Q (t), при этом ѵ (t) может быть

стационарным и нестационарным

линейным гауссовым процессом.

*Здесь и в дальнейшем для рядов Фурье знак равенства означает сходимость

всреднеквадратическом.

96

Если G( (X) — однозначная числовая действительная непрерыв­ ная по X и t функция, а х (t) — некоторый исходный процесс, пред­ ставимый в виде

x(t) = v(t) + Q(t),

(309)

где V (/) определяется согласно (281), а Q (t) некоторая

равно*

мерная почти периодическая функция*, то процесс, полученный в

результате нелинейного преобразования, можно записать

так:

y(t) = Gt [x(t)}.

(310)

В § 3 гл. II были приведены ортогональные разложения процес­ са (310) по полиномам Эрмита от винеровских функционалов для случая, когда Q (t) = 0. В настоящем параграфе применим разло­ жение в ортогональный ряд процесса (310) для вычисления значе­ ний смещенной корреляционной функции

 

V (s,t)= M [y(t)y(t + s)],

 

(311)

а также средних по времени от

(s, t),

когда Gt (х) удовлетворяет

специальным условиям.

 

 

 

 

Случай

1. Предположим, что функция Gt (х)

является аналити­

ческой по X

при всех f £ (оо,

оо) и х£ (оо,

оо),

т. е.

 

00

G*n) (х)

 

 

(312)

 

Ot ( x ) = %

- ± ~ ^ ( x - x or,

 

 

п=0

 

 

 

 

где ряд сходится при всех t, х, х0£ (—оо, оо).

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

00

Г Л

 

w-

 

y(f) = ö t [v(f) + <2(01 = 2

- Ц —

vn~

 

 

n = 0

 

 

 

Степенная функция выражается через полиномы Эрмита следую­

щим образом:

 

 

 

 

И

------

ns

Нп--2 т(х),

 

*»= У

| Х | < 0 0 .

Х-І

 

(пin­

2т) ! m I 2

 

m=aО

 

 

 

 

Учитывая последнее выражение, можем записать

 

G<"> [Q (О] У

л!

 

y ( 0 = S

 

И1

S

(n-2tn)\m\2m

(313)

/2 = 0

 

 

m=0

 

 

 

 

 

 

 

* Требование того, чтобы Q (t) была равномерной почти периодической функ­ цией, существенно только в тех случаях, когда применяется усреднение по врепени. В остальных случаях это условие можно заменить требованием того, чтобы Q (0 была непрерывной и ограниченной.

7 3 — 6 8 2

97

 

Меняя в (313) порядок суммирования и произведя замену я — = V, получаем

 

 

 

 

 

G<v+2m)[Q

 

 

 

У{і) = X

V I

X

ml 2m

 

 

 

 

0=Г)

 

m=(

 

Выражение для смещенной корреляционной функции в этом

случае приобретает вид

 

 

 

 

 

 

 

 

V(s, 0

=

 

 

^со

^со

^со

Л<ѵ> (/,

( + S) (j(v+ 2mi) [Q (f)] G (V+2m2) [Q (/ +

s)]

~ 2 J 2 J

2 J

X

X

 

 

• W )

v=0 m,=0 mt=0

2 ^

^ ft 2 (/ _j_ s, / -f. s) v j щ J щ j 2 mi+"b

 

Так как из начальных предположений следует аналитичность

функции

G, (х) в окрестности точки х =

0, то

 

 

 

G/v+2m) [Q (01 = £

 

(0),

(315)

г— 0

V = о, 1, 2, . . . , /я = 0, 1, 2,

В частности, если предположить, что в (309) процесс ѵ (0 оп­ ределен согласно (300), а также считать, что в (300) функция Gt (х) от t не зависит, т. е.

Gt (x)s=G(x)

(316)

тождественно по t, то выражение (314) после усреднения по времени согласно (292) принимает вид

<Ро (S) = 2 J 2 J 2 J

^ (s) ^y+gm,, ѵ+2т г PO

 

(317)

/tv (0)v!m1!m,!2'n‘+ m*

*

ѵ=0т,=0т,=0

w

1 2

 

 

где

 

 

 

 

G(/‘>[Q(0J G ^[Q (^ +

s)]Ä.

(318)

Так как Q (t) является равномерной почти периодической, а функция G (х) непрерывна на множестве значений Q (t), то, со­ гласно [39], функция Ц7,-,/г (s) является равномерной почти перио­ дической при всех целых положительных Д и /2 и при s £ (—00, с»), а следовательно, и

IИ7/./, (s)I<

00 при s £ (— оо оо).

 

(319)

С учетом (315) и (299) имеем

 

 

Whl,(s) = £

G<'‘+'>> (0) G'b+^ (0) п

,„ч

(320)

2 J 2 J

^

( s )

 

98

Введя обозначение

by? - s

Q(v+r+2m) (0)

(32 Г>

m I 2m

m=f

 

 

выражение (317) с учетом (320) запишем так:

ЬѵпЬѵгч

(s)

(S)-

(322)

v! /у I лг I

Лѵ (0)

 

 

V=ssO Г і г= П Г о = (

Если h (s) не является почти периодической функцией, то и В (s) не будет почти периодической. В таком случае, с учетом (305), по­ лучим

B(s)” S S SS

bv n bvr2A k (Г у

r j

(323)

V ! rx I гг !

hV (0)

Из последнего выражения видим, что V (s) может не быть аб­ солютно интегрируемой, поэтому для нее в обычном смысле преоб­ разование Фурье может и не существовать.

При решении прикладных задач часто представляет интерес функция F (со), которая определяется как преобразование Фурье

вклассе обобщенных функций от 53 (s) и может быть представлена,

сучетом (322), в виде

е© о о

о о

 

 

 

Ѵ = 0 /■ ,=0

гг=о

l a

w

< 3 2 4 >

 

При вычислении f rir|V (со) удобно пользоваться следующими ре­ куррентными соотношениями:

со

 

 

Рпп\+\ (©) = ^ Fппч ((o-Q )Fh(Q)dQ,

V = 0 ,1 ,2 ............

(325)

где

то

Fh(со) = ^ h (s) cos cosds,

Pгѵф(©) — f Rrvt (®)eimds — 2

Ak (^i’ ^г) ^ f® ®fe (П>

 

J

 

fc=0

 

 

 

с учетом которых выражение (324) принимает вид

 

оо оо оо оо

 

 

 

 

 

' ‘“»-S S S S ^

x

^

1—

 

ѵ = , п = 0 г 2= 0 fc = ü

 

1 г

 

 

 

W

A

(Гі, rj

®4(П» r2)l

(326)

+ S S S

r,

I r , I

Г1=0 г2=0 k=0

 

 

 

 

 

(здесь б (со — ©о) — дельта-функция).

7

Ш

*

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ