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3.3 平稳过程

杨鸿文 主编(北京邮电大学通信原理课程组)北京邮电大学出版社《通信原理(第5版)》大学本科 · 教材与微课双语助读 (Alt+Y)

实际中的随机信号往往非常复杂。通信中经常采用一些理想化模型。平稳过程是随机信号分析中常用的一种理想化模型。

平稳的意思,大致来说就是随机过程经过任意时延后,其统计特性不变。按“统计特性”所指不同,可分出不同的平稳类型:若统计特性指随机过程上所有随机变量的联合分布,就是严平稳;若统计特性指均值和自相关函数,就是宽平稳。

严平稳(Strict-Sense Stationary, SSS)

若对任意正整数 n、任意时刻 t₁, t₂, …, tₙ 以及任意时移 Δ,随机变量 X(t₁), X(t₂), …, X(tₙ) 与时移后的随机变量 X(t₁+Δ), X(t₂+Δ), …, X(tₙ+Δ) 具有完全相同的联合概率分布,即:

p_X(x₁, …, xₙ, t₁, …, tₙ) = p_X(x₁, …, xₙ, t₁+Δ, …, tₙ+Δ) (3.3.1)

则称 X(t) 为严平稳随机过程或狭义平稳随机过程。

广义平稳(Wide-Sense Stationary, WSS)

若随机过程 X(t) 满足:

  1. 均值为常数:mathbbE[X(t)] = m_X
  2. 自相关函数只与时间差有关:mathbbE[X(t₁)X(t₂)] = R_X(t₁ - t₂)

则称 X(t) 为宽平稳随机过程或广义平稳随机过程。在通信中,最常用到的是广义平稳过程,本书此后提到的平稳过程默认指广义平稳过程。

  • 若 X(t), Y(t) 分别平稳,且其互相关函数 mathbbE[X(t+τ)Y(t)] = R_(XY)(τ) 与绝对时间 t 无关,则称 X(t), Y(t) 联合平稳。
  • 平稳过程是一般随机过程的特例,前面 3.2.3 节中给出的性质对平稳过程继续成立:
    • 自相关函数为偶函数:R_X(τ) = R_X(-τ);
    • 自相关函数在 τ = 0 处最大且最大值是平均功率:R_X(τ) ≤ R_X(0) = mathbbE[X²(t)] = P_X;
    • 互相关函数时序调换:R_(XY)(τ) = R_(YX)(-τ);
    • 维纳-辛钦定理:自相关函数的傅氏变换是功率谱密度:P_X(f) = mathcalF[R_X(τ)];互相关函数的傅氏变换是互功率谱密度:P_(XY)(f) = mathcalF[R_(XY)(τ)]。

平稳过程的均值是常数。对于电压信号,常数是直流,直流在功率谱密度中表现为 f = 0 处的冲激 δ(f)。因此,如果平稳过程的功率谱密度中不包含 δ(f),说明它没有直流,均值为零:mathbbE[X(t)] = 0。但注意,从 mathbbE[X(t)] = 0 不能反推功率谱密度无 δ(f)。

零均值但功率谱含冲激的特例

设有随机信号 X(t) = Z,其中 Z 以等概方式取值于 ± 1。

X(t) 的均值为 mathbbE[X(t)] = mathbbE[Z] = 0。自相关函数为:

mathbbE[X(t+τ)X(t)] = mathbbE[Z²] = 1

均值与自相关函数均与 t 无关,X(t) 是平稳过程。其功率谱密度为:

P_X(f) = mathcalF[1] = δ(f)

此例表明:即使过程均值为 0,其样本函数可能是不随时间改变的直流电平(随机选取正负极性),因此在功率谱中依然具有直流分量 δ(f)。

若 X(t), Y(t) 联合平稳,则 X(t) + Y(t) 的均值为 m_X + m_Y,自相关函数为:

mathbbE[(X(t+τ) + Y(t+τ))(X(t) + Y(t))] &= mathbbE[X(t+τ)X(t)] + mathbbE[X(t+τ)Y(t)] & + mathbbE[Y(t+τ)X(t)] + mathbbE[Y(t+τ)Y(t)] &= R_X(τ) + R_(XY)(τ) + R_(XY)(-τ) + R_Y(τ) (3.3.2)

与 t 无关,说明联合平稳随机过程之和依然是平稳过程。

各自平稳但不联合平稳的反例

设有两随机信号 X(t) = cos(2π t + θ),Y(t) = cos(3π t + θ),其中 θ ∼ U[0, 2π]。

根据例3.2.6 可知,X(t) 与 Y(t) 都是零均值平稳过程。但由前面算得的互相关函数:

R_(XY)(t+τ, t) = 1/2cos(2πτ - π t)

显见 R_(XY)(t+τ, t) 与绝对时间 t 有关,故 X(t), Y(t) 不是联合平稳。

若随机序列 {Xₙ} 满足均值为常数,自相关函数只与时间差有关,即:

mathbbE[Xₙ] &= m_X mathbbE[Xₙ+mXₙ] &= R_X(m) (3.3.3)

则称 {Xₙ} 为广义平稳序列。

对随机过程 X(e,t) 按 e 取平均和按 t 取平均是有区别的:

  • 若 X(e,t) 具有平稳性,则按 e 平均后的结果与 t 无关;
  • 若 X(e,t) 具有遍历性(Ergodicity,亦称各态历经性),则按 t 平均后的结果与 e 无关。

遍历性的物理含义是:每一个样本函数都能经历其他样本的各种状态,使得只要观察一个样本函数,就能推知随机过程整体的统计特性。

设 X(e,t) 是平稳过程,其均值为 m_X,自相关函数为 R_X(τ)。一般说来,X(e,t) 按时间平均计算的样本均值 overlineX(e,t)、样本自相关函数 overlineX(e, t+τ)X(e,t) 与所抽到的波形有关,具有随机性。

广义平稳过程的遍历性条件

若样本均值以概率 1 等于随机过程的统计均值,样本自相关函数以概率 1 等于随机过程的自相关函数,即:

P{ overlineX(e,t) = m_X } = 1 (3.3.4)P{ overlineX(e, t+τ)X(e, t) = R_X(τ) } = 1 (3.3.5)

则称 X(e,t) 为广义平稳遍历过程或各态历经过程。简单来说,就是时间平均等于统计平均。

遍历过程的每个样本函数具有相同的样本均值、样本自相关函数和功率谱密度。观察一个样本函数就能得到整个随机过程的均值、自相关函数及功率谱密度。

随机相位正弦波的各态历经性

设 X(t) = cos(2π f₀ t + θ),其中 f₀ 是常数,θ 是在 [0, 2π] 上均匀分布的随机变量。

由例3.2.6 可知,X(t) 是零均值平稳过程,自相关函数为 R_X(τ) = 1/2cos(2π f₀ τ),功率谱密度为:

P_X(f) = 1/4[δ(f - f₀) + δ(f + f₀)]

计算样本均值:

overlineX(e,t) = overlinecos[2π f₀ t + θ(e)] = 0 = mathbbE[X(e,t)]

样本自相关函数为:

overlineX(e, t+τ)X(e,t) = overlinecos[2π f₀(t+τ) + θ(e)]cos[2π f₀ t + θ(e)] = 1/2cos(2π f₀ τ) = R_X(τ)

因此 X(t) 是遍历过程。

按是否平稳可将随机过程分为平稳过程和非平稳过程两类。平稳过程的均值、自相关函数与绝对时间 t 无关,非平稳过程的均值或自相关函数中至少有一个与 t 有关。

循环平稳(Cyclostationarity)

若非平稳过程的均值或自相关函数是 t 的周期函数,称为循环平稳过程或周期平稳过程。

循环平稳过程可按一个周期的时间平均来求其平均自相关函数:

overlineR_X(τ) = (1)/(T₀)∫_(-T₀/2)^(T₀/2) R_X(t+τ, t) dt (3.3.6)
数字通信脉冲成形信号的循环平稳性

设 X(t) = ∑ₙ=-∞^∞ aₙ g(t - nTₛ),其中 {aₙ} 的元素以独立等概方式取值于 {± 1},g(t) 是确定实信号,其傅氏变换为 G(f)。试判断 X(t) 的平稳性。

查看解析与步骤

X(t) 的均值为:

mathbbE[X(t)] = mathbbE[∑ₘ=-∞^∞ aₘ g(t - mTₛ)] = ∑ₘ=-∞^∞ mathbbE[aₘ] g(t - mTₛ) = 0 (3.3.7)

自相关函数为:

mathbbE[X(t+τ)X(t)] &= mathbbE[{∑ₙ=-∞^∞ aₙ g(t + τ - nTₛ)}{∑ₘ=-∞^∞ aₘ g(t - mTₛ)}] &= ∑ₙ=-∞^∞ ∑ₘ=-∞^∞ mathbbE[aₙ aₘ] g(t + τ - nTₛ)g(t - mTₛ) &= ∑ₙ=-∞^∞ g(t + τ - nTₛ)g(t - nTₛ) (3.3.8)

上式右边与 t 有关,因此 X(t) 不是平稳过程。将右边无穷求和中的 t 换成 t + Tₛ 后结果不变,说明自相关函数是 t 的周期函数,周期为 Tₛ,X(t) 是循环平稳过程。

将周期函数 mathbbE[X(t+τ)X(t)] 展开为傅里叶级数:

mathbbE[X(t+τ)X(t)] = ∑ₙ=-∞^∞ R_X^((n))(τ)e^(j2π (n)/(Tₛ) t) (3.3.9)

其中第 n 项的系数展开计算为:

R_X^((n))(τ) &= (1)/(Tₛ)∫_(-Tₛ/2)^(Tₛ/2) {∑ₖ=-∞^∞ g(t + τ - kTₛ)g(t - kTₛ)}e⁻j2π (n)/(Tₛ) t dt &= (1)/(Tₛ)∫_(-∞)^∞ g(t+τ)g(t)e⁻j2π (n)/(Tₛ) t dt &= (1)/(Tₛ)∫_(-∞)^∞ G(f)e^(j2π f τ) · G^*(f - (n)/(Tₛ))df &= ∫_(-∞)^∞ [(1)/(Tₛ)G(f)G^*(f - (n)/(Tₛ))]e^(j2π f τ) df (3.3.11)

即 R_X^((n))(τ) 是 (1)/(Tₛ)G(f)G^*(f - (n)/(Tₛ)) 的傅氏反变换,后者称为 X(t) 的周期谱。

G(f)G^*(f - (n)/(Tₛ)) 是 G(f) 与其频谱搬移 G(f - (n)/(Tₛ)) 的共轭相乘。如果 G(f) 的带宽不超过 (1)/(2Tₛ),频移后无重叠相乘为零,则对所有 n ≠ 0 均有 R_X^((n))(τ) = 0。此时 mathbbE[X(t+τ)X(t)] = R_X^((0))(τ) 与 t 无关,X(t) 便直接成为平稳过程。

平稳过程通过线性时不变滤波器后仍然是平稳过程。设滤波器的冲激响应为 h(t),传递函数为 H(f),滤波器输入平稳过程 X(t) 的均值为 m_X,自相关函数为 R_X(τ),则:

m_Y(t) = ∫_(-∞)^∞ h(t-τ)m_X dτ = m_X ∫_(-∞)^∞ h(u) du = m_X H(0) (3.3.12)

输出过程的均值为常数,等于输入均值乘直流增益 H(0)。

mathbbE[Y(t₁)Y(t₂)] &= mathbbE[∫_(-∞)^∞ h(u)X(t₁-u) du ∫_(-∞)^∞ h(v)X(t₂-v) dv] &= iint_(-∞)^∞ h(u)h(v)mathbbE[X(t₁-u)X(t₂-v)] dudv &= iint_(-∞)^∞ h(u)h(v)R_X(t₁-t₂ + v-u) dudv (3.3.13)

结果仅依赖于 τ = t₁ - t₂,与绝对时间无关:

R_Y(τ) = R_X(τ) * h(τ) * h^*(-τ) mathbbE[Y(t₁)X(t₂)] &= mathbbE[X(t₂)∫_(-∞)^∞ h(v)X(t₁-v) dv] &= ∫_(-∞)^∞ h(v)R_X(t₂ - t₁ + v) dv &= ∫_(-∞)^∞ h(v)R_X(v - τ) dv = R_X(τ) * h(τ) (3.3.14)

均值、自相关函数、互相关函数都与绝对时间无关,说明 X(t) 与 Y(t) 平稳且联合平稳。

平稳过程希尔伯特变换的正交性

设 X(t) 是零均值平稳过程,其自相关函数为 R_X(τ),功率谱密度为 P_X(f)。求 X(t) 的希尔伯特变换 widehatX(t) 的自相关函数、功率谱密度,并求互相关函数 R_(XwidehatX)(τ) 及 R_(widehatX)X(τ)。

查看解析与步骤

希尔伯特变换是传递函数为 H(f) = -joperatornamesgn(f) 的全通型移相滤波器。

零均值平稳过程通过该滤波器后,零均值、平稳这两个特性继续保持,故 widehatX(t) 是零均值平稳过程,且 X(t) 与 widehatX(t) 联合平稳。传递函数的模值为 |H(f)| = 1,因此 widehatX(t) 与 X(t) 有完全相同的功率谱密度和自相关函数:

P_(widehatX)(f) = |H(f)|² P_X(f) = P_X(f), R_(widehatX)(τ) = R_X(τ)

根据式 (3.3.14),widehatX(t) 与 X(t) 的互相关函数是 R_X(τ) 与 h(v) 的卷积。由于 h(t) 是希尔伯特变换的冲激响应,卷积结果就是 R_X(τ) 的希尔伯特变换:

R_(widehatX)X(τ) = widehatR_X(τ) (3.3.15)

R_X(τ) 是偶函数,根据希尔伯特变换性质,偶函数的希尔伯特变换是奇函数,故 R_(widehatX)X(τ) 及 R_(XwidehatX)(τ) = -R_(widehatX)X(-τ) 都是奇函数。

对于奇函数,原点处取值必为零:

R_(widehatX)X(0) = 0 implies mathbbE[widehatX(t)X(t)] = 0

这证明了非常重要的经典定理:零均值平稳过程与其希尔伯特变换在同一时刻互不相关(正交)。

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