HMY 799 1: Αναγνώριση Συστημάτων

Σχετικά έγγραφα
HMY 799 1: Αναγνώριση Συστημάτων

HMY 799 1: Αναγνώριση Συστημάτων

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών. Χρόνου (Ι)

HMY 795: Αναγνώριση Προτύπων

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 8: Ιδιότητες του Μετασχηματισμού Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

HMY 799 1: Αναγνώριση. συστημάτων. Διαλέξεις 6 7. Συνάφεια (συνέχεια) Μη παραμετρική αναγνώριση γραμμικών

Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Διάλεξη 4

HMY 795: Αναγνώριση Προτύπων. Διάλεξη 2

HMY 799 1: Αναγνώριση Συστημάτων

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 3

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 4

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 7: Μετασχηματισμός Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Στοχαστικές Ανελίξεις (2) Αγγελική Αλεξίου

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 3, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 3

HMY 799 1: Αναγνώριση Συστημάτων

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 9: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ FOURIER

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις

Στοχαστικές Μέθοδοι στους Υδατικούς Πόρους Φασματική ανάλυση χρονοσειρών

Πιθανότητες & Τυχαία Σήματα. Διγαλάκης Βασίλης

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 13: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 4, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 2

4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ FOURIER

Στοχαστικές Διαδικασίες (έμφαση στις σ.δ. διακριτού χρόνου)

Διάλεξη 6. Fourier Ανάλυση Σημάτων. (Επανάληψη Κεφ Κεφ. 10.3, ) Ανάλυση σημάτων. Τι πρέπει να προσέξουμε

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 2: Στοιχειώδη Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΣΕΙΡΕΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ FOURIER. e ω. Το βασικό πρόβλημα στις σειρές Fourier είναι ο υπολογισμός των συντελεστών c

Πιθανότητες & Τυχαία Σήματα. Διγαλάκης Βασίλης

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 1: Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

() min. xt δεν έχει μετασχηματισμό LAPLACE () () () Αν Λ= το σήμα ( ) Αν Λ, έστω σ. Το σύνολο μιγαδικών αριθμών. s Q το ολοκλήρωμα (1) υπάρχει.

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ 1o Τμήμα (Α - Κ): Αμφιθέατρο 3, Νέα Κτίρια ΣΗΜΜΥ Θεωρία Πιθανοτήτων & Στοχαστικές Ανελίξεις - 5

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 10: Γραμμικά Φίλτρα. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 6: Ανάλυση Σημάτων σε Ανάπτυγμα Σειράς Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Στοχαστικά Σήματα και Τηλεπικοινωνιές

Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα Ι

Σήματα και Συστήματα

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών Σημάτων. Διάλεξη 20: Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier (Discrete Fourier Transform DFT)

Ο αντίστροφος μετασχηματισμός Laplace ορίζεται από το μιγαδικό ολοκλήρωμα : + +

ΕΠΑΝΑΛΗΨΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΕΝΝΟΙΩΝ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗΣ

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Στοχαστικές Ανελίξεις

ΑΝΑΠΤΥΓΜA - ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ. Περιγράψουµε τον τρόπο ανάπτυξης σε σειρά Fourier ενός περιοδικού αναλογικού σήµατος.

MAJ. MONTELOPOIHSH II

Επεξεργασία Στοχαστικών Σημάτων

Χρονικές σειρές 3 Ο μάθημα: Βασικές στοχαστικές διαδικασίες Μη στάσιμες χρονοσειρές Εαρινό εξάμηνο Τμήμα Μαθηματικών ΑΠΘ

Χρονικές σειρές 5 Ο μάθημα: Γραμμικά στοχαστικά μοντέλα (1) Αυτοπαλίνδρομα μοντέλα Εαρινό εξάμηνο Τμήμα Μαθηματικών ΑΠΘ

Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες. Βέλτιστος Δέκτης

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

x[n] = e u[n 1] 4 x[n] = u[n 1] 4 X(z) = z 1 H(z) = (1 0.5z 1 )(1 + 4z 2 ) z 2 (βʹ) H(z) = H min (z)h lin (z) 4 z 1 1 z 1 (z 1 4 )(z 1) (1)

ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ Μεταπτυχιακό Τραπεζικής & Χρηματοοικονομικής

Ανάλυση Κυκλωμάτων. Φώτης Πλέσσας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Διάλεξη 2

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Γραμμικό και Χρονικά Αμετάβλητο Σύστημα σε καθοριστική και τυχαία πρόκληση (8.1.3)

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

Δομή της παρουσίασης

HMY 795: Αναγνώριση Προτύπων

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών. στο χώρο της συχνότητας

Εφαρμοσμένη Στατιστική: Συντελεστής συσχέτισης. Παλινδρόμηση απλή γραμμική, πολλαπλή γραμμική

Στοχαστικές Ανελίξεις (1) Αγγελική Αλεξίου

Δυναμική Μηχανών I. Απόκριση Γραμμικών Συστημάτων στο. Πεδίο της Συχνότητας

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ z

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΔΙΑΚΡΙΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

Επικοινωνίες στη Ναυτιλία

20-Φεβ-2009 ΗΜΥ Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΑΝΑΛΥΣΗ FOURIER ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. DTFT και Περιοδική/Κυκλική Συνέλιξη

Στοχαστικές Ανελίξεις

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών. Σήματα. και. Συστήματα

Εισαγωγή στις στοχαστικές διαδικασίες

HMY 795: Αναγνώριση Προτύπων

1. Τριγωνοµετρικές ταυτότητες.

Χρήστος Ξενάκης. Πανεπιστήμιο Πειραιώς, Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων

Απλή Γραμμική Παλινδρόμηση και Συσχέτιση 19/5/2017

Τυχαία Διανύσματα και Ανεξαρτησία

Ο ΑΜΦΙΠΛΕΥΡΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Z

Διάλεξη 2. Συστήματα Εξισώσεων Διαφορών ΔιακριτάΣήματαστοΧώροτης Συχνότητας

Χρονολογικές Σειρές (Time Series) Lecture notes Φ.Κουντούρη 2008

ΣΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι

E(X(t)) = 1 k + k sin(2π) + k cos(2π) = 1 k + k 0 + k 1 = 1

Ορίζουμε την τυπική πολυδιάστατη κανονική, σαν την κατανομή του τυχαίου (,, T ( ) μεταξύ τους ανεξάρτητα. Τότε

ΜΑΘΗΜΑ 3ο. Βασικές έννοιες

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

X(e jω ) = x[n]e jωn (1) x[n] = 1. T s

Μετασχηµατισµός FOURIER ιακριτού χρόνου DTFT

3-Φεβ-2009 ΗΜΥ Σήματα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο. Μετασχηματισμός FOURIER Διακριτού Χρόνου DTFT. (Discrete Time Fourier Transform) ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΣ Σ. ΦΩΤΟΠΟΥΛΟΣ ΔΠΜΣ 1/ 45

Transcript:

HMY 799 : Αναγνώριση Συστημάτων Διαλέξεις 3 4 Στοχαστικά/τυχαία / χ διανύσματα Ντετερμινιστικά και στοχαστικά σήματα στο πεδίο της συχνότητας Στοχαστικά σήματα και γραμμικά συστήματα

Deterministic and stochastic/random signals Είσοδος: Ντετερμινιστική, Θόρυβος/Διαταραχές: Στοχαστικά Στασιμότητα, εργοδικότητα (Stationarity, Ergodicity Βασικές περιγραφές τυχαίων μεταβλητών Pr ob{ x X < x+ dx} = p( x dx M k k = x p ( xdx m = ( x M k p( x dx k E{ X} = xp( x dx E{ f( X} = f( x p( x dx E{ X} = μ, E{( X μ } = σ υ ε x S z + y

Gaussian Random Variables Auto/cross correlation functions Κεντρικό οριακό θεώρημα Γραμμικά συστήματα: Γκαουσιανή είσοδος > Γκαουσιανή έξοδος Γκαουσιανός λευκός θόρυβος Οποιαδήποτε δείγματα ανεξάρτητα, κανονική κατανομή Αμερόληπτη, συνεπής εκτίμηση Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης (autocorrelation ϕ xx ( τ = Ext { ( τ xt ( } = lim R xt τ xtdt ( ( R Συνάρτηση αλληλοσυσχέτισης (cross correlation ϕyx ( τ = Eytxt { ( ( τ } = lim R ytxt ( ( τ dt R R τ n = R ˆ ϕ ( τ xx = xt ( xtdt ( xnxn ( ( τ = R τ ˆ ϕ ( τ yx = yt ( xtdt ( ynxn ( ( R τ = τ τ n= R R R R

Independent/Uncorrelated random variables Ανεξάρτητες τυχαίες μεταβλητές pxy (, = px ( py ( Στη γενική περίπτωση = i= = px (,..., X px ( Ασυσχέτιστες τυχαίες μεταβλητές E{ XY} = E{ X} E{ Y} Αν Χ,Υ Υασυσχέτιστες: i Cov( X, Y = E{( Y μ ( X μ } = E{ X, Y} μ μ = y x x y Ανεξάρτητες > Ασυσχέτιστες. Το αντίστροφο δεν ισχύει πάντα

Vector random variables Πολλές φορές χρειάζεται να υπολογίσουμε τις ιδιότητες ενός συνόλου από τυχαίες μεταβλητές (π.χ. συντελεστές, τιμές σήματος Διανύσματα τυχαίων μεταβλητών (τυχαία διανύσματα random vectors Έστω Χ τυχαίο διάνυσμα. Η συνάρτηση κατανομής πιθανότητας ορίζεται ως: P( X x Prob{ X x,..., Xn xn} = Pr ob{ X x} P( X = P(- = ( X Συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας: P( x X n P X ( x x... xn p ( d = Pr ob{ x X < x + dx,..., x X < x + dx } x x X n n n n x x xn ' ' X x = ( ' ' =... ( '... X x x X x n P( p d p dx dx Συνδυασμένη συνάρτηση κατανομής πιθανότητας (joint probability distribution δύο τυχαίων διανυσμάτων: P ( x, y = Prob{ X XY x, Y y }

Vector random variables Αναμενόμενη τιμή (expected value τυχαίου διανύσματος Έστω Χ τυχαίο διάνυσμα. Η συνάρτηση κατανομής πιθανότητας ορίζεται ως: μ =Ε{ X} μ... x f ( x,..., x dx... dx = X i i n n Ορίζοντας την οριακή πυκνότητα πιθανότητας (marginal pdf ως: f X ( x =... (,...,... i i xi f x xn dx dxi dxi+ dx X n έχουμε μi = xi f X ( x i i dx i Πίνακας συνδιασποράς (covariance matrix Cov( X = Σ = E{( X μ( X μ T } Διαγώνιοι όροι: σ i συμμετρικός πίνακας

Vector random variables Πίνακας αυτοσυσχέτισης (autocorrelation matrix { T Τ R = E XX } = Σ μμ Ασυσχέτιστα τυχαία διανύσματα: T T E{ XY } = E{ X} E{ Y } Ορθογώνια τυχαία διανύσματα: n T E{ XY} = E{ X Y} = i= Ανεξάρτητα τυχαία διανύσματα: p ( x, y = p ( x p ( y XY X Y i i Η πολυμεταβλητή Γκαουσιανή κατανομή. Το τυχαίο διάνυσμα Χ ακολουθεί Γκαουσιανή κατανομή όταν: Τ px( x,..., x = exp / ( ( x μ Σ ( x μ / ( π Σ X ( μσ, Αν επιπλέον, οι τ.μ. X i είναι και ανεξάρτητες p ( x,..., x = p ( x = X Xi i i= xi μ i = exp / ( π σ... σ Ν i= σi σ Σ =... σ Ν

Multivariate Gaussian distribution ρ: συντελεστής συσχέτισης (=σ / /σ σ Μετασχηματισμοί Γκαουσιανών τυχαίων διανυσμάτων Υ= ΑΧ Υ X ( μσ, Τ ( Αμ, ΑΣΑ

Παράδειγμα: Autoregressive model with exogenous inputs (ARX yt ( + ayt ( +... + ayt ( n = but ( +... + but ( m Πρόβλεψη n yt ( = ayt (... ayt n ( n + but ( +... + but m ( m T θ = [ a... an b... bm] T ϕ( t = [ yt (... yt ( n ut (... ut ( m] T y ( t = ϕ ( t θ = yˆ ( t θ Τα μοντέλα αυτά αποτελούν ίσως την πιο κοινή παραμετρική μέθοδο αναγνώρισης συστημάτων Linear regression (γραμμική ή παλινδρόμηση στατιστική, φ(t: regressors Όταν υπάρχουν και όροι y(t n: autoregression u(t: Exogenous input > Autoregressive with exogenous inputs (ARX Θα μελετήσουμε τις ιδιότητες των μοντέλων αυτών αναλυτικά σε επόμενα μαθήματα m

Παράδειγμα: ARX model - Σύνολο δεδομένων Z = {(, u y(,..., u(, y( } ˆ Ν θ = arg min V ( θ, Ζ Ν θ V (, ( ( ˆ θ Ζ Ν = y t y( t θ = ( y( t ϕ ( t θ Ν Ν t= t= d V Ν T t y t t θ Ν t= T = ( θ, Ζ = ϕ( ( ( ϕ ( θ d ˆ T θν = ϕ( t ϕ ( t ϕ( t y( t t= t=

First order autoregressive moving average (ARMA model yt ( + ayt ( = but ( ˆ T θν = ϕ( t ϕ ( t ϕ( t y( t t= t= y ( t y( t u( t aˆ t= t= ˆ = b yt ( ut ( u( t t= t= t t= = yt ( yt ( ytut ( (

Παράδειγμα Θερμοσυσκευή βυθισμένη σε υγρό: v(t Τάση r(t θερμοκρασία υγρού y(t θερμοκρασία επιφάνειας συσκευής y(t σε συνάρτηση με v(t, r(t Αλλαγή θερμοκρασίας: ανάλογη με την ηλεκτρική ισχύ >τετράγωνο της τάσης μειον την απώλεια θερμότητας στο υγρό Η απώλεια θερμότητας είναι ανάλογη με την ποσότητα y(t r(t Άρα yt yt av t yt rt ( = ( + ( β ( ( ( ϕ = ( t [ y( t v ( t r( t ] T

Ντετερμινιστικά Σήματα Πεδίο Συχνότητας Συνεχής χρόνος Περιοδικά σήματα: Σειρές Fourier jkω t xt ( = ae = ae k k= k = jk( π t Τ ( ( T T jkωt Τ a = x t e dt = x t e dt k T T k jk ( π t a k T=4T a k T=8T T=6T

Ντετερμινιστικά Σήματα Πεδίο Συχνότητας Συνεχής χρόνος Απεριοδικά σήματα: Μετασχηματισμός Fourier T ω jωt x( t = X( jω e dω π jωt X ( j ω = x ( t e dt X( jω = X( jω X( jω = X( jω e j X( jω T jωt sin( ωτω X( jω = e dt = ω T Ο Μ.F. ορίζεται και για περιοδικά σήματα X( jω = πa δ( ω kω k = k xt ( = cos( ω t X ( jω = πδ ( ω ω + πδ ( ω + ω

Discrete Fourier Transform Διακριτός χρόνος Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier (Discrete Fourier Transform Ανάλυση συχνότητας Δf=/Ν Η μεταβλητή ω λαμβάνει διακριτές τιμές ω=πk/, k=,, k Αντίστροφος DFT π k j( π k t ut ( = U ( e k = O DFT είναι περιοδικός με περίοδο π: Συζυγής συμμετρία. Για u(t πραγματικό: U ( * ( ω = UΝ ω Άρα για πραγματικά σήματα ο DFT ορίζεται πλήρως από τις τιμές του στο [,π] (συνήθως ορίζουμε τις τιμές από [ π,π] Υπολογισμός στον υπολογιστή: Ο(Ν, Fast Fourier Transform O(log

Ισοδύναμα / π k ut ( = U ( e k= / Θεώρημα Parseval Discrete Fourier Transform j( π k t Άρα κάθε συνιστώσα ( π k U αντιστοιχεί στο βάρος κάθε συνιστώσας στο πεδίο της συχνότητας (συνεισφορά στην ισχύ του σήματος u(t Η ποσότητα αυτή ονομάζεται περιοδόγραμμα (periodogram Σημείωση: Ο DFT είναι ειδική περίπτωση του μετασχηματισμού Z(ισούται με το ΜΖ υπολογισμένο ο στο μοναδιαίο κύκλο z = U( z = u[ m] z m= j z = z = e ω m

Γραμμικά Συστήματα Πεδίο Συχνότητας Συστήματα Συνεχούς χρόνου Περιοδικά σήματα xt ( = k y k j k = h(t k = jk t = ae ω ΓΧΑ Συστήματα συνεχούς χόνου απεριοδικά σήματα y ( t a H ( jkω e jkω t x( t X( jω jωt H( jω = hte ( dt ΓΧΑ h(t yt ( = ht (* xt ( H( jω X( jω Η(jω: Μετασχηματισμός Fourier της κρουστικής απόκρισης Άρα η κρουστική απόκριση αποτελεί πλήρη περιγραφή του συστήματος

Γραμμικά Συστήματα Πεδίο Συχνότητας Hμιτονοειδής απόκριση ΓΧΑ συστήματος A cos( ω t + φ h(t A H ( jω [cos( ω t + φ + θ H ] Η απόκριση είναι επίσης ημιτονοειδής Σε διακριτό χρόνο x( t h(t θ H = H( jω yt ( = h( τ xt ( τ Σημείωση: Το συνελικτικό άθροισμα προκύπτει από το συνελικτικό ολοκλήρωμα y( t = h( τ x( t τ dτ υποθέτοντας ότι το σήμα εισόδου x(t παραμένει σταθερό μεταξύ των χρονικών στιγμών δειγματοληψίας (kτ<t<(k+t ( Ιδιότητες: τ = Ευστάθεια (πόλοι του Η(z εντός του μοναδιαίου κύκλου Αυστηρή αιτιατότητα: h(= (ισοδύναμα το σύστημα έχει καθυστέρηση

ΓΧΑ Συστήματα Διακριτός χρόνος Αυστηρή ευστάθεια: h(t Σημείωση: Ορίζοντας τον τελεστή q ως: qu( t = u( t + q u( t = u( t μπορούμε να γράψουμε: τ yt ( = h( τ xt ( τ = h( τ( q xt ( = H( qut ( τ= τ= τ H ( q = h ( τ q τ τ = Ημιτονοειδής απόκριση Διακριτός χρόνος (h(= xt t e ω j t ( = cos( ω = Re{ } j ( t yt ( h( xt ( h( Re{ e ω = τ τ = τ τ } = Ge j ( ω τ= τ= jω t jωτ jωt jω = Re e h( τ e = Re{ e G( e } = τ = = Ge ω t+ Ge jω jω ( cos( ( Απόκριση συχνότητας j Bode plots: log Ge ( ω j G( e ω ω λογαριθμική κλίμακα

Στοχαστικά Σήματα στο πεδίο της συχνότητας Πως μπορούμε να αναπαραστήσουμε στοχαστικά σήματα στο πεδίο της συχνότητας? Φάσμα ισχύος (Power spectrum: Έστω το στοχαστικό σήμα x(t. To φάσμα ισχύος του ορίζεται ως ο μετασχηματισμός Fourier της συνάρτησης αυτοσυσχέτισής του: jωτ Φ xx ( ω = ϕxx ( τ e dτ Συνεχής χρόνος συχνά συμβολίζεται και Φ x (ω j Φ Διακριτός χρόνος xx ( ω = ϕxx ( τ e ωτ τ = Καθώς (πραγματικά σήματα ϕxx ( τ = ϕxx ( τ Φ xx ( ω πάντα πραγματικό και άρτιο Με παρόμοιο τρόπο ορίζουμε το διάφασμα (cross spectrum μεταξύ δύο σημάτων ως τον μετασχηματισμό Fourier της αλληλοσυσχέτισης (cross correlation Φ = Φ jωτ yx ( ω ϕyx ( τ e dτ ( ω = ϕ ( τ j yx yx e ωτ τ = Η αλληλοσυσχέτιση δεν είναι συμμετρική: Το διάφασμα είναι μιγαδικός αριθμός

GW Αυτοσυσχέτιση και Φάσμα Ισχύος GW: Ανεξάρτητα δείγματα, μηδενική μέση τιμή, κανονική κατανομή ϕxx τ Ext τ xt σ δ τ ( = { ( ( } = ( S ( xx ω = σ γιατί? Το φάσμα του GW περιέχει όλες τις συχνότητες (από άπειρο σε +άπειρο: Λευκός θόρυβος αναλογία με λευκό χρώμα Ιδεατό σήμα, ιδανική είσοδος για αναγνώριση συστημάτων!

Στοχαστικά σήματα και ΓΧΑ συστήματα Η περιγραφή στο πεδίο του χρόνου γίνεται με τη συνάρτηση αυτοσυσχέτισης Γενικά, σε αναλογία με τα ντετερμινιστικά σήματα, η ανάλυση απλοποιείται όταν πηγαίνουμε από το πεδίο του χρόνου (αυτοσυσχέτιση στο πεδίο της συχνότητας (φάσμα ισχύος Ε { yt ( } =Ε{ h( τ xt ( τ dτ} = = h( τ Ε{ x( t τ} dτ = h( τ μ dτ = Η(: DC gain = μ h( τ dτ = μ H( x x ϕyx ( τ = E{ ytxt ( ( τ} = hae ( { xt ( axt ( τ} da= = ha ( ϕ ( τ ada xx ϕ ( τ = h( τ* ϕ ( τ yx xx Παίρνοντας ΜF και στα δύο μέλη: Φ ( ω =Η( ω Φ ( ω yx xx x h(t

Στοχαστικά σήματα και ΓΧΑ συστήματα Αυτοσυσχέτιση εξόδου: ϕyy ( τ = E{ y( t y( t+ τ} = E{ y( t+ τ h( a x( t a da} = = hae ( { yt ( + τ xt ( a} da= β = a = h ( a ϕ ( τ + α da = h ( β ϕ ( τ β d β yx ϕ ( τ = h( τ* ϕ ( τ yy ΜF: Φ = Φ Συνδυάζοντας: yx * yy ( ω yx ( ω H ( ω ϕ ( τ = h( τ* ϕ ( τ* h( τ yy Φ =Η Φ H * yy ( ω ( ω xx ( ω ( ω xx Φ ( ω = Η( ω Φ ( ω yy xx yx Η(ω : system power gain (κέρδος ισχύος H μέση ισχύς ενός στοχαστικού σήματος x(t στη ζώνη συχνοτήτων (ω,ω είναι: ω ω Φ xx ( ω dω h(t

Ισχύς εξόδου: Στοχαστικά σήματα και ΓΧΑ συστήματα E{ yt ( } =Φ yy ( = Η( ω Φxx ( ω dω π σ =Φ ( μ y yy y Σε διακριτό χρόνο ισχύουν εντελώς ανάλογες σχέσεις: μ = μ H y x ( Πεδίο χρόνου Πεδίο συχνότητας ϕ ( τ = h( τ* ϕ ( τ Φ yx ( ω =Η( ω Φxx ( ω yx ϕ ( τ = h( τ* ϕ ( τ* h( τ yy xx xx ϕ ( τ = h( τ* ϕ ( τ yy yx Φ Ισχύς, διακύμανση π y yy y * yy ( ω = Φ yx ( ω H ( ω Φ ( ω = Η( ω Φ ( ω E{ yt ( } =Φ yy ( = ( ω xx ( ω dω π Η Φ π σ =Φ ( μ Οι σχέσεις αυτές θα μας χρησιμεύσουν στην αναγνώριση συστημάτων στο πεδίο της συχνότητας yy xx h(t

Power spectral density estimation Πως υπολογίζουμε (εκτίμηση πυκνότητας φασματικής ισχύος power spectral density estimation στην πράξη το φάσμα ισχύος? Δύο βασικές προσεγγίσεις: Εκτίμηση της συνάρτησης αυτοσυσχέτισης, κατόπιν DFT Κατευθείαν υπολογισμός από τα δεδομένα με DFT Η πιο απλή προσέγγιση είναι η προσέγγιση του περιοδογράμματος (φάσμα >τετράγωνο του περιοδογράμματος Έστω η ακόλουθη εκτίμηση της αυτοσυσχέτισης: Ν m ˆ ϕxx ( τ = xnxn ( ( + τ, τ n= lim xnxn ( ( τ = ϕxx( τ Εργοδικότητα: n= Άρα μπορούμε να εκτιμήσουμε το φάσμα ισχύος παίρνοντας το DFT της ελπίζοντας ότι θα είναι αμερόληπτη και συνεπής (unbiased consistent ˆ ϕ ( τ xx

Παίρνοντας DFT Φ ˆ ( { ˆ xx ω = DFT ϕxx ( τ} = Ν j ωτ = ˆ ϕxx ( τ e = τ = Power spectral density estimation Ν Ν m jωτ = xnxn ( ( + τ e = τ = n= = Χ Ν ( ω Ν (πολλαπλ. με e jω(n n Άρα μπορούμε να εκτιμήσουμε το φάσμα από το δείγμα του σήματος x(t {t=,,} παίρνοντας το τετράγωνο του DFT του (περιοδόγραμμα periodogram Μπορεί να αποδειχθεί ότι: lim ˆ = (αμερόληπτη εκτίμηση E{ Φxx ( ω} Φxx ( ω αλλά Var ˆ ω ω { Φ ( } Φ xx xx( Η εκτίμηση δεν είναι ακριβής!