隨機(jī)信號分析實驗報告_第1頁
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HarbinInstituteofTechnology實驗報告課程名稱:隨機(jī)信號分析院系:電子與信息工程學(xué)院班級:姓名:學(xué)號:指導(dǎo)教師:實驗時間:實驗一、各種分布隨機(jī)數(shù)得產(chǎn)生(一)實驗原理1、均勻分布隨機(jī)數(shù)得產(chǎn)生原理產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)得一種實用方法就是同余法,它利用同余運(yùn)算遞推產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)序列.最簡單得方法就是加同余法為了保證產(chǎn)生得偽隨機(jī)數(shù)能在[0,1]內(nèi)均勻分布,需要M為正整數(shù),此外常數(shù)c與初值y0亦為正整數(shù)。加同余法雖然簡單,但產(chǎn)生得偽隨機(jī)數(shù)效果不好。另一種同余法為乘同余法,它需要兩次乘法才能產(chǎn)生一個[0,1]上均勻分布得隨機(jī)數(shù) ?? ? 式中,a為正整數(shù)。用加法與乘法完成遞推運(yùn)算得稱為混合同余法,即?? ?用混合同余法產(chǎn)生得偽隨機(jī)數(shù)具有較好得特性,一些程序庫中都有成熟得程序供選擇。常用得計算語言如Basic、C與Matlab都有產(chǎn)生均勻分布隨機(jī)數(shù)得函數(shù)可以調(diào)用,只就是用各種編程語言對應(yīng)得函數(shù)產(chǎn)生得均勻分布隨機(jī)數(shù)得范圍不同,有得函數(shù)可能還需要提供種子或初始化。Matlab提供得函數(shù)rand()可以產(chǎn)生一個在[0,1]區(qū)間分布得隨機(jī)數(shù),rand(2,4)則可以產(chǎn)生一個在[0,1]區(qū)間分布得隨機(jī)數(shù)矩陣,矩陣為2行4列。Matlab提供得另一個產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)得函數(shù)就是random(’unif’,a,b,N,M),unif表示均勻分布,a與b就是均勻分布區(qū)間得上下界,N與M分別就是矩陣得行與列。2、隨機(jī)變量得仿真根據(jù)隨機(jī)變量函數(shù)變換得原理,如果能將兩個分布之間得函數(shù)關(guān)系用顯式表達(dá),那么就可以利用一種分布得隨機(jī)變量通過變換得到另一種分布得隨機(jī)變量。若X就是分布函數(shù)為F(x)得隨機(jī)變量,且分布函數(shù)F(x)為嚴(yán)格單調(diào)升函數(shù),令Y=F(X),則Y必為在[0,1]上均勻分布得隨機(jī)變量.反之,若Y就是在[0,1]上均勻分布得隨機(jī)變量,那么即就是分布函數(shù)為FX(x)得隨機(jī)變量。式中為得反函數(shù).這樣,欲求某個分布得隨機(jī)變量,先產(chǎn)生在[0,1]區(qū)間上得均勻分布隨機(jī)數(shù),再經(jīng)上式變換,便可求得所需分布得隨機(jī)數(shù)。3、高斯分布隨機(jī)數(shù)得仿真廣泛應(yīng)用得有兩種產(chǎn)生高斯隨機(jī)數(shù)得方法,一種就是變換法,一種就是近似法.如果X1,X2就是兩個互相獨(dú)立得均勻分布隨機(jī)數(shù),那么下式給出得Y1,Y2便就是數(shù)學(xué)期望為m,方差為得高斯分布隨機(jī)數(shù),且互相獨(dú)立,這就就是變換法。另外一種產(chǎn)生高斯隨機(jī)數(shù)得方法就是近似法.在學(xué)習(xí)中心極限定理時,曾提到n個在[0,1]區(qū)間上均勻分布得互相獨(dú)立隨機(jī)變量Xi(i=1,2…,n),當(dāng)n足夠大時,其與得分布接近高斯分布.當(dāng)然,只要n不就是無窮大,這個高斯分布就是近似得。由于近似法避免了開方與三角函數(shù)運(yùn)算,計算量大大降低。當(dāng)精度要求不太高時,近似法還就是具有很大應(yīng)用價值得.4、各種分布隨機(jī)數(shù)得仿真有了高斯隨機(jī)變量得仿真方法,就可以構(gòu)成與高斯變量有關(guān)得其她分布隨機(jī)變量,如瑞利分布、指數(shù)分布與分布隨機(jī)變量。(二)實驗?zāi)康迷诤芏嘞到y(tǒng)仿真得過程中,需要產(chǎn)生不同分布得隨機(jī)變量。利用計算機(jī)可以很方便地產(chǎn)生不同分布得隨機(jī)變量,各種分布得隨機(jī)變量得基礎(chǔ)就是均勻分布得隨機(jī)變量.有了均勻分布得隨機(jī)變量,就可以用函數(shù)變換等方法得到其她分布得隨機(jī)變量。(三)實驗結(jié)果附:源程序subplot(2,2,1);x=random(’unif’,2,5,1,1024);plot(x);title(’均勻分布隨機(jī)數(shù)’)subplot(2,2,2);G1=random(’Normal',0,1,1,20000);plot(G1);title(’高斯分布隨機(jī)數(shù)’)subplot(2,2,3);G2=random('Normal’,0,1,1,20000);R=sqrt(G1、*G1+G2、*G2);plot(R);title(’瑞利分布隨機(jī)數(shù)’)subplot(2,2,4);G3=random('Normal’,0,1,1,20000);G4=random('Normal’,0,1,1,20000);X=G1、*G1+G2、*G2+G3、*G3+G4、*G4;plot(X);title('x^2分布隨機(jī)數(shù)')實驗二、隨機(jī)變量檢驗(一)實驗原理1、均值得計算在實際計算時,如果平穩(wěn)隨機(jī)序列滿足各態(tài)歷經(jīng)性,則統(tǒng)計均值可用時間均值代替。這樣,在計算統(tǒng)計均值時,并不需要大量樣本函數(shù)得集合,只需對一個樣本函數(shù)求時間平均即可。甚至有時也不需要計算時得極限,況且也不可能。通常得做法就是取一個有限得、計算系統(tǒng)能夠承受得N求時間均值與時間方差。根據(jù)強(qiáng)調(diào)計算速度或精度得不同,可選擇不同得算法。設(shè)隨機(jī)數(shù)序列{},一種計算均值得方法就是直接計算下式中,xn為隨機(jī)數(shù)序列中得第n個隨機(jī)數(shù)。另一種方法就是利用遞推算法,第n次迭代得均值也亦即前n個隨機(jī)數(shù)得均值為迭代結(jié)束后,便得到隨機(jī)數(shù)序列得均值 遞推算法得優(yōu)點(diǎn)就是可以實時計算均值,這種方法常用在實時獲取數(shù)據(jù)得場合。當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時,為防止計算誤差得積累,也可采用式中,m1就是取一小部分隨機(jī)數(shù)計算得均值.2、方差得計算計算方差也分為直接法與遞推法。仿照均值得做法 方差得遞推算法需要同時遞推均值與方差迭代結(jié)束后,得到隨機(jī)數(shù)序列得方差為 其它矩函數(shù)也可用類似得方法得到.3、統(tǒng)計隨機(jī)數(shù)得概率密度直方圖假定被統(tǒng)計得序列得最大值與最小值分別為a與b。將區(qū)間等分M(M應(yīng)與被統(tǒng)計得序列得個數(shù)N相適應(yīng),否則統(tǒng)計效果不好。)份后得區(qū)間為,,…,,…,。用,表示序列得值落在區(qū)間里得個數(shù),統(tǒng)計序列得值在各個區(qū)間得個數(shù),,則就粗略地反映了隨機(jī)序列得概率密度得情況.用圖形方式顯示出來就就是隨機(jī)數(shù)得概率密度直方圖.(二)實驗?zāi)康秒S機(jī)數(shù)產(chǎn)生之后,必須對它得統(tǒng)計特性做嚴(yán)格得檢驗。一般來講,統(tǒng)計特性得檢驗包括參數(shù)檢驗、均勻性檢驗與獨(dú)立性檢驗等.事實上,我們?nèi)绻诙A矩范圍內(nèi)討論隨機(jī)信號,那么參數(shù)檢驗只對產(chǎn)生得隨機(jī)數(shù)一、二階矩進(jìn)行檢驗。我們可以把產(chǎn)生得隨機(jī)數(shù)序列作為一個隨機(jī)變量,也可以瞧成隨機(jī)過程中得一個樣本函數(shù)。不論就是隨機(jī)變量還就是隨機(jī)過程得樣本函數(shù),都會遇到求其數(shù)字特征得情況,有時需要計算隨機(jī)變量得概率密度直方圖等.(三)實驗結(jié)果附:源程序subplot(2,2,1);x=random('unif',2,5,1,1024);hist(x,2:0、2:5);title(’均勻分布隨機(jī)數(shù)直方圖’);s1=0forn1=1:1024s1=x(n1)+s1;endMean1=s1/1024;t1=0forn1=1:1024t1=(x(n1)—Mean1)^2+t1;endVariance1=t1/1024;subplot(2,2,2);G1=random(’Normal',0,1,1,20000);hist(G1,—4:0、2:4);title('高斯分布隨機(jī)數(shù)直方圖’);s2=0forn2=1:20000s2=G1(n2)+s2;endMean2=s2/20000;t2=0forn2=1:20000t2=(G1(n2)-Mean2)^2+t2;endVariance2=t2/20000;subplot(2,2,3);G2=random(’Normal’,0,1,1,20000);R=sqrt(G1、*G1+G2、*G2);hist(R,0:0、2:5);title('瑞利分布隨機(jī)數(shù)直方圖’);s3=0forn3=1:20000s3=R(n3)+s3;endMean3=s3/20000;t3=0forn3=1:20000t3=(R(n3)—Mean3)^2+t3;endVariance3=t3/20000;subplot(2,2,4);G3=random(’Normal',0,1,1,20000);G4=random('Normal',0,1,1,20000);X=G1、*G1+G2、*G2+G3、*G3+G4、*G4;hist(X,0:0、5:30);title('x^2分布隨機(jī)數(shù)直方圖’)s4=0forn4=1:20000s4=X(n4)+s4;endMean4=s4/20000;t4=0forn4=1:20000t4=(X(n4)-Mean4)^2+t4;end實驗三、中心極限定理得驗證(一)實驗原理如果n個獨(dú)立隨機(jī)變量得分布就是相同得,并且具有有限得數(shù)學(xué)期望與方差,當(dāng)n無窮大時,它們之與得分布趨近于高斯分布。這就就是中心極限定理中得一個定理。我們以均勻分布為例,來解釋這個定理。若n個隨機(jī)變量Xi(i=1,2,…,n)都為[0,1]區(qū)間上得均勻分布得隨機(jī)變量,且互相獨(dú)立,當(dāng)n足夠大時,其與得分布接近高斯分布。(二)實驗?zāi)康美糜嬎銠C(jī)產(chǎn)生均勻分布得隨機(jī)數(shù)。對相互獨(dú)立得均勻分布得隨機(jī)變量做與,可以很直觀瞧到均勻分布得隨機(jī)變量得與,隨著做與次數(shù)得增加分布情況得變化,通過實驗對中心極限定理得進(jìn)行驗證。(三)實驗結(jié)果分析:隨n取值得增大,均勻分布隨機(jī)序列求與得圖形越發(fā)接近于高斯分布。附:源程序X0=random('unif',0,1,1,1024);X1=random(’unif’,0,1,1,1024);X2=random('unif',0,1,1,1024);X3=random('unif',0,1,1,1024);X4=random('unif',0,1,1,1024);X5=random(’unif’,0,1,1,1024);X6=random(’unif',0,1,1,1024);X7=random(’unif’,0,1,1,1024);X8=random('unif',0,1,1,1024);X9=random(’unif’,0,1,1,1024);G=random('normal',0,1,1,1024);Y1=X0+X1+X2+X3+X4;Y2=X0+X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9;subplot(2,2,1);hist(X0,0:0、2:2);title('均勻分布隨機(jī)數(shù)直方圖’)subplot(2,2,2);hist(Y1,0:0、2:6);title(’五個均勻分布之與隨機(jī)數(shù)直方圖')subplot(2,2,3);hist(Y2,0:0、2:8);title(’十個均勻分布之與隨機(jī)數(shù)直方圖')subplot(2,2,4);hist(G,-4:0、2:4);title('高斯分布隨機(jī)數(shù)直方圖')實驗四、中心極限定理得驗證(一)實驗原理在實際應(yīng)用中,我們可以把產(chǎn)生得隨機(jī)數(shù)序列瞧成隨機(jī)過程中得一個樣本函數(shù)。如果平穩(wěn)隨機(jī)序列滿足各態(tài)歷經(jīng)性,則統(tǒng)計自相關(guān)序列可用時間自相關(guān)序列代替。當(dāng)數(shù)據(jù)得樣本數(shù)有限時,也只能用有限個數(shù)據(jù)來估計時間自相關(guān)序列,統(tǒng)計自相關(guān)序列得估值。若各態(tài)歷經(jīng)序列X(n)得一個樣本有N個數(shù)據(jù),由于實序列自相關(guān)序列就是對稱得,自相關(guān)函數(shù)得估值為(二)實驗?zāi)康迷陔S機(jī)信號理論中,自相關(guān)函數(shù)就是非常重要得概念。在實際系統(tǒng)仿真中也會經(jīng)常計算自相關(guān)函數(shù).通過本試驗學(xué)生可以親自動手計算自相關(guān)函數(shù),加深對概念得理解,并增強(qiáng)實際動手能力.(三)實驗結(jié)果分析:分別生成均值為0與1,方差為1得高斯隨機(jī)數(shù),由圖形可以明顯瞧出兩者自相關(guān)函數(shù)得差異。附:源程序N=256;xn=random(’norm',0,1,1,N);Rx=xcorr(xn,'biased');m=-N+1:N-1;subplot(2,1,1);plot(m,Rx);title('均值為0,方差為1得高斯分布得自相關(guān)函數(shù)');axis([—NN—1—0、51、5]);N=256;xn=random(’norm’,1,1,1,N);Xk=fft(xn,2*N);Rx=ifft((abs(Xk)、^2)/N);m=-N:N—1;subplot(2,1,2);plot(m,fftshift(Rx));title(’均值為1,方差為1得高斯分布得自相關(guān)函數(shù)’);axis([-NN—1-0、51、5]);實驗五、功率譜密度(一)實驗原理一般把平穩(wěn)隨機(jī)序列得功率譜定義為自相關(guān)序列得傅里葉變換。如果自相關(guān)序列就是周期序列,可仿照隨機(jī)過程得情況,引人適當(dāng)?shù)煤瘮?shù)。平穩(wěn)序列X(n)得功率譜與自相關(guān)序列得關(guān)系為?與實平穩(wěn)過程一樣,實平穩(wěn)序列得功率譜也就是非負(fù)偶函數(shù),即可以證明,功率譜還可表示為當(dāng)X(n)為各態(tài)歷經(jīng)序列時,可去掉上式中得統(tǒng)計均值計算,將隨機(jī)序列X(n)用它得一個樣本序列x(n)代替。在實際應(yīng)用中,由于一個樣本序列得可用數(shù)據(jù)個數(shù)N有限,功率譜密度也只能就是估計式中,X()就是x(n)得傅里葉變換.這就是比較簡單得一種估計方法,這種功率譜密度得估計方法稱為周期圖方法。如果直接利用數(shù)據(jù)樣本做離散傅里葉變換,可得到X()得離散值。由于這種方法可借助FFT算法實現(xiàn),所以得到了廣泛得應(yīng)用。(二)實驗?zāi)康迷陔S機(jī)信號理論中,功率譜密度與自相關(guān)函數(shù)一樣都就是非常重要得概念.在實際系統(tǒng)仿真中也會經(jīng)常計算。通過本試驗學(xué)生可以親自動手,加深對概念得理解,并增強(qiáng)實際動手能力。(三)實驗結(jié)果附:源程序N=256;x1=random('normal’,0,1,1,N);Sx1=abs(fft(x1)、^2)/N;subplot(2,1,1);plot(10*log10(Sx1));title('均值為0,方差為1得高斯分布得功率譜密度');xlabel(’f/Hz’)ylabel('Sx1/dB’)x2=random(’normal',1,1,1,N);Sx2=abs(fft(x2)、^2)/N;subplot(2,1,2);plot(10*log10(Sx2));title('均值為1,方差為1得高斯分布得功率譜密度’);xlabel(’f/Hz')ylabel('Sx2/dB')實驗六、隨機(jī)信號經(jīng)過線性系統(tǒng)前后信號仿真(一)實驗原理需要先仿真一個指定系統(tǒng),再根據(jù)需要仿真輸入得隨機(jī)信號,然后使這個隨機(jī)信號通過指定得系統(tǒng).通過對實際系統(tǒng)建模,計算機(jī)可以對很多系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在信號處理中,一般將線性系統(tǒng)分解為一個全通放大器(或衰減器)與一個特定頻率響應(yīng)得濾波器。由于全通放大器可以用一個常數(shù)代替,因此線性系統(tǒng)得仿真往往只需設(shè)計一個數(shù)字濾波器。濾波器設(shè)計可采用MATLAB提供得函數(shù),也可利用相應(yīng)得方法自行設(shè)計。MATLAB提供了多個設(shè)計濾波器得函數(shù),可以很方便地設(shè)計低通、帶通、高通、多帶通、帶阻濾波器。(二)實驗?zāi)康孟到y(tǒng)仿真就是信號仿真處理得一個重要部分,通過該實驗要求學(xué)生掌握系統(tǒng)仿真得基本概念,并學(xué)會系統(tǒng)得仿真方法。(三)實驗結(jié)果1、低通濾波器2、帶通濾波器3、高通濾波器4、多帶通濾波器5、帶阻濾波器附:源程序1、X(n)N=2000;fs=400;Nn=random('normal',0,1,1,N);t=(0:N—1)/fs;fi=random(’unif’,0,1,1,2)*2*pi;xn=sin(2*pi*50*t+fi(1))+Nn;Rx=xcorr(xn,'biased’);m=—N+1:N-1;Sx=abs(fft(xn)、^2)/N;f=(—N/2:N/2-1)*fs/N;subplot(211),plot(m,Rx);xlabel(’m’)ylabel('Rx(m)’)title(’xn得自相關(guān)函數(shù)');subplot(212),plot(f,fftshift(10*log10(Sx(1:N))));xlabel(’f/Hz')ylabel('Sx/dB')title(’xn得功率譜密度’);2、低通濾波器h=fir1(100,0、4);H=fft(h,2*N);HW=abs(H)、^2;Rx=xcorr(xn,’biased');Sx=abs(fftshift(fft(xn,2*N))、^2)/(2*N);Sy=Sx、*HW;Ry=fftshift(ifft(Sy));f=(-N:N—1)*fs/(2*N);m=(—N:N-1);subplot(311);plot((-N:N—1)/N,fftshift(abs(HW(1:2*N))));title('低通濾波器');subplot(312),plot(m,Ry);xlabel('m')ylabel('Ry(m)')title(’xn經(jīng)低通濾波器得自相關(guān)函數(shù)’);subplot(313),plot(f,fftshift(10*log10(Sy(1:2*N))));axis([—200200—2020]);xlabel('f/Hz’)ylabel('Sy/dB')title('xn經(jīng)低通濾波器得功率譜密度');3、帶通濾波器h=fir1(100,[0、10、5]);H=fft(h,2*N);HW=abs(H)、^2;Rx=xcorr(xn,'biased');Sx=abs(fftshift(fft(xn,2*N))、^2)/(2*N);Sy=Sx、*HW;Ry=fftshift(ifft(Sy));f=(-N:N-1)*fs/(2*N);m=(-N:N—1);subplot(311);plot((—N:N-1)/N,fftshift(abs(HW(1:2*N))));title(’帶通濾波器');subplot(312),plot(m,Ry);xlabel(’m')ylabel(’Ry(m)’)title('xn經(jīng)帶通通濾波器得自相關(guān)函數(shù)');subplot(313),plot(f,fftshift(10*log10(Sy(1:2*N))));axis([—200200-2020]);xlabel(’f/Hz')ylabel('Sy/dB’)title(’xn經(jīng)帶通濾波器得功率譜密度’);4、高通濾波器h=fir1(100,0、6,’high’);H=fft(h,2*N);HW=abs(H)、^2;Rx=xcorr(xn,'biased');Sx=abs(fftshift(fft(xn,2*N))、^2)/(2*N);Sy=Sx、*HW;Ry=fftshift(ifft(Sy));f=(-N:N-1)*fs/(2*N);m=(—N:N—1);subplot(311);plot((-N:N—1)/N,fftshift(abs(HW(1:2*N))));title('高通濾波器');subplot(312),plot(m,Ry);xlabel('m’)ylabel(’Ry(m)')title('xn經(jīng)高通通濾波器得自相關(guān)函數(shù)’);subplot(313),plot(f,fftshift(10*log10(Sy(1:2*N))));axis([-200200—2020]);xlabel('f/Hz’)ylabel('Sy/dB')title('xn經(jīng)高通濾波器得功率譜密度');5、多帶通濾波器h=fir1(100,[0、1,0、3,0、5,0、7

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