4.3 Signaalin autokorrelaatio

Samankaltaiset tiedostot
( ) k 1 = a b. b 1) Binomikertoimen määritelmän mukaan yhtälön vasen puoli kertoo kuinka monta erilaista b-osajoukkoa on a-joukolla.

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Digitaalinen signaalinkäsittely Signaalit, jonot

****************************************************************** ****************************************************************** 7 Esim.

LIITTEET Liite A Stirlingin kaavan tarkkuudesta...2. Liite B Lagrangen kertoimet...3

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuja viikolle 4. ( ) Jeremias Berg. n(n + 1) 2. k =

1. osa, ks. Solmu 2/ Kahden positiivisen luvun harmoninen, geometrinen, aritmeettinen ja + 1 u v 2 1

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Kertaa tarvittaessa induktiota ja rekursiota koskevia tietoja.

1. (Jatkoa Harjoitus 5A tehtävään 4). Monisteen esimerkin mukaan momenttimenetelmän. n ne(y i Y (n) ) = 2E(Y 1 Y (n) ).

1 Eksponenttifunktion määritelmä

Tilastollinen todennäköisyys

EX1 EX 2 EX =

Äärettämän sarjan (tai vain sarjan) sanotaan suppenevan eli konvergoivan, jos raja-arvo lims

Mat Tilastollisen analyysin perusteet, kevät 2007

Epäyhtälöoppia matematiikkaolympialaisten tehtäviin

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 6 ratkaisuiksi

S Laskennallinen systeemibiologia

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 5 (6 sivua)

Matematiikan tukikurssi. Kertausta 1. välikokeeseen. Tehtävät

Tehtävä 1. Voidaanko seuraavat luvut esittää kahden neliön summina? Jos voidaan, niin kuinka monella eri tavalla? (i) n = 145 (ii) n = 770.

Matematiikan tukikurssi

RATKAISUT x 2 3 = x 2 + 2x + 1, eli 2x 2 2x 4 = 0, joka on yhtäpitävä yhtälön x 2 x 2 = 0. Toisen asteen yhtälön ratkaisukaavalla saadaan

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 1, ratkaisut Maanantai

Kompleksiluvut. Johdanto

Mat Lineaarinen ohjelmointi

9.7 Matriisinormit. Vaasan yliopiston julkaisuja 225. Ei siis lainkaan ongelmia defektiivisyydestä.

Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia. Normaalijakaumasta johdettuja jakaumia: Mitä opimme?

Insinöörimatematiikka IA

5. Lineaarisen optimoinnin perusprobleemat

Ryhmän osajoukon generoima aliryhmä ja vapaat ryhmät

Otantajakauma. Otantajakauman käyttö päättelyssä. Otantajakauman käyttö päättelyssä

pq n s n Kyllä Ei N Jäsenyys 5,4% 94.6 % 1500 Adressi 21,6% 78.4 % 1495 Lahjoitus 23,7% 76.3 % 1495 Mielenosoitus 1,1% 98.9 % 1489

Yhden selittäjän lineaarinen regressiomalli

Tehtävä 1. Riku Eskelinen DEMOVASTAUKSET Demokerta 3/ vk 15 Tilastomenetelmien peruskurssi TILP150 Tulostuspv Sivu 1/6

Ehdollinen todennäköisyys

Sormenjälkimenetelmät

Tunnuslukuja 27 III TUNNUSLUKUJA

2. Mittaus ja data 2.1. Johdanto Mittaustyypit

Osa 2: Otokset, otosjakaumat ja estimointi

Määritä seuraavien suodattimien impulssivasteet ja tutki, ovatko ne kausaaleja:

Tehtäviä neliöiden ei-negatiivisuudesta

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset 2 ov. Kurssin aihealue

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 3B

Johdatus tilastotieteeseen Yhden selittäjän lineaarinen regressiomalli. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Johdatus tilastotieteeseen Otos ja otosjakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

Johdatus tilastotieteeseen Otos ja otosjakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Analyysi A. Harjoitustehtäviä lukuun 1 / kevät 2018

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Kohinan ominaisuuksia

Todennäköisyyslaskenta I, kesä 2017 Helsingin yliopisto/avoin yliopisto Harjoitus 3, ratkaisuehdotuksia

4.7 Todennäköisyysjakaumia

T Datasta tietoon, syksy 2005 Laskuharjoitus 8.12., ratkaisuja Jouni Seppänen

ja läpäisyaika lasketaan (esim) integraalilla (5.3.1), missä nyt reitti s on z-akselilla:

8. laskuharjoituskierros, vko 11, ratkaisut

MS-A0502 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi Luennot, osa II

2.5. Eksponenttifunktio ja eksponenttiyhtälöt

1.3 Toispuoleiset ja epäoleelliset raja-arvot

Stokastiikan perusteet Harjoitukset 1 (Todennäköisyysavaruus, -mitta ja -funktio)

1. abstraktit algoritmit 2. näytteistämiseen perustuva synteesi (tallennus, prosessointi) 3. spektrimallit 4. fysikaaliset mallit.

811312A Tietorakenteet ja algoritmit, , Harjoitus 4, Ratkaisu

2 avulla. Derivaatta on nolla, kun. g( 3) = ( 3) 2 ( 3) 5 ( 3) + 6 ( 3) = 72 > 0. x =

TILASTOT: johdantoa ja käsitteitä

Kirjoitetaan FIR-suotimen differenssiyhtälö (= suodatuksen määrittelevä kaava):

3 x < < 3 x < < x < < x < 9 2.

Noora Nieminen. Hölderin epäyhtälö

Sisältö. Kvantitatiivinen metodologia verkossa. Monitasomallintaminen. Monitasomallit. Regressiomalli dummy-muuttujilla.

PETRI LEPPÄNEN RNS-ARITMETIIKKA DSP-JÄRJESTELMISSÄ

3.2 Polynomifunktion kulku. Lokaaliset ääriarvot

Pseudoalkuluvuista ja alkulukutestauksesta

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A. Otos- ja otosjakaumat Estimointi Estimointimenetelmät Väliestimointi. Avainsanat:

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto ja esimerkkejä ym., osa I

Epäyhtälöoppia matematiikkaolympialaisten tehtäviin

Laajennetaan lukualuetta lisäämällä murtoluvut

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Otantajakauman käyttö päättelyssä

Luento 6 Luotettavuus Koherentit järjestelmät

Seuraavat peruslauseet 1-8 voidaan helposti todistaa integraalin määritelmästä. Integroimisjoukko R oletetaan rajoitetuksi Jordanmitalliseksi

Mat Tilastollisen analyysin perusteet, kevät 2007

BM20A Integraalimuunnokset Harjoitus 8

Aritmeettinen jono

Esimerkki 2 (Kaupparatsuongelma eli TSP)

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Harjoitustehtävien ratkaisuja

DSP:n kertausta. 1 Spektri, DFT, DTFT ja aika-taajuusresoluutio

9 Lukumäärien laskemisesta

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 11 12

3 Lukujonot matemaattisena mallina

Luento 7 Luotettavuus Koherentit järjestelmät

xe y = ye x e y + xe y y = y e x + e x y xe y y y e x = ye x e y y (xe y e x ) = ye x e y y = yex e y xe y e x = x 3 + x 2 16x + 64 = D(x)

Tilastollinen päättömyys, kevät 2017 Harjoitus 6A

LASKENNALLISEN TIETEEN ERIKOISKURSSI kl 2000

Todennäköisyyslaskenta I. Heikki Ruskeepää

811312A Tietorakenteet ja algoritmit , Harjoitus 1 ratkaisu

Lasketaan kullekin a euron maksuerälle erikseen, kuinka suureksi erä on n vuodessa kasvanut:

= true C = true) θ i2. = true C = false) Näiden arvot löydetään kuten edellä Kun verkko on opetettu, niin havainto [x 1

Transkriptio:

5 4.3 Sigaali autokorrelaatio Sigaali autokorrelaatio kertoo kuika paljo sigaali eri illä korreloi itsesä kassa (josta imiki). Se o Fourier-muuokse ohella yksi käyttökelpoisimmista sigaalie aalysoitimeetelmistä. Puheekäsittelyssä sitä käytetää erityisesti puhee perustaajuude määrittämisessä. 4.3. Autokorrelaatio määritelmä Meidä tarkoituksiimme riittää hyvi määritellä autokorrelaatio vai äärellise pituisille sigaaleille, jotka käytäössä ovat kehyksiä jostai pidemmästä sigaalista. Kuviossa 4. o esimerkki tällaisesta sigaalista. Sigaali ideksoii kaalta o usei kuiteki äppärämpää esittää tämä äärettömä pitkää sigaalia, joka o muualla kui tämä äärellise ikkua kohdalla. Kuvio 4. esittää tämä ollilla jatketu sigaali. Sigaali s() autokorrelaatio r(k) määritellää kaavalla r(k) = = s()s( k), (4.) missä k saa kaikki kokoaislukuarvot k =...,,,,,,.... Huomaa että autokorrelaatio o siis e fuktio vastaavasti kui esimerkiksi FFT o taajuude fuktio, joka takia sitä imitetää myös autokorrelaatiofuktioksi. Autokorrelaatio o itse asiassa korrelaatio sigaalie s() ja s( k) välillä: se arvo o sitä suurempi mitä eemmä ämä sigaalit korreloivat keskeää. Eräs ogelma autokorrelaatio määrittelemisessä kaavalla (4.) o se, että suuremmilla illä k summaa tulee mukaa vähemmä termejä ja tämä takia autokorrelaatio arvo pieeee e kasvaessa sigaalista riippumatta. Esimerkiksi jos meillä o N: äyttee pituie ikkua vakiosigaalia (eli s() = ku < N ja s() = muulloi), ku k < N autokorrelaatio o r(k) = s()s( k) = = N =k N =k s()s( k) = N k. Ku N < k, vastaavalla päättelyllä todetaa että autokorrelaatio o r(k) = N k.

4.3. SIGNAALIN AUTOKORRELAATIO 53. puhekehys.8.6.4...4.6.8 4 6 8 äyte Kuvio 4.: Äärellise pituie kehys. Ku k N, toie termi summassa (4.) o aia, jote kaike kaikkiaa tässä tapauksessa autokorrelaatioksi tulee { N k, ku k < N r(k) =, ku k N Toisi saoe tämä autokorrelaatio määritelmä suosii pieempiä itä. Tämä takia autokorrelaatiosta löytyy myös pari muuelmaa joissa tämä ogelma pyritää kiertämää. Esimmäie muuelma o määritellä autokorrelaatio kaavalla r (k) = s()s( k), (4.) N k jossa yksikertaisesti otetaa keskiarvo kaikista ollasta eroavista tulo termeistä ellä k. Tämä kyllä poistaa arvoje pieeemise ogelma mutta tilalle tulee toie: mitä suurempi k o, sitä vähemmä termejä summaa tulee mukaa ja sitä epäluotettavampi tulos o. Esimerkiksi kohiaisella sigaalilla autokorrelaatio voi saada suuriaki arvoja ku o suuri vaikka sigaali ei äillä illä oikeastaa korreloikaa, esimerkki tästä löytyy jäljempää. Koko homma saataisii perusteltua täsmällisemmi sillä että tämä autokorrelaatiofuktio estimaattori variassi kasvaa ku kasvaa (vaikka se oki harhato) mutta tämä vaatisi stokastiste prosessie teoriaa jote ei käydä tätä se tarkemmi läpi.

54. ollilla jatkettu puhekehys.8.6.4...4.6.8 4 6 8 äyte Kuvio 4.: Nollilla jatkettu äärellise pituie kehys. Vielä yksi muuos autokorrelaatiosta saadaa kaavalla r (k) = N = N+ s()s( k), ku N < k < N ja summa laskemisee käytetää s(): arvoja ku = N +,..., N. Tässä jippo o siiä, että kaikilla illä otetaa summaa mukaa sama määrä termejä jolloi luotettavuus säilyy. Ogelmaa o se että sigaalista tarvitaa pidempi ikkua kui edellisillä meetelmillä ja eri illä autokorrelaatio tulee laskettua eri äytteide yli, joka seurauksea osa seuraava kappalee omiaisuuksista eivät ole voimassa. Jatkossa käytämme autokorrelaatiota (4.) mutta o hyvä pitää mielessä että myös vaihtoehtoja o olemassa. Matlabissa autokorrelaatio saa laskettua komeolla xcorr. Autokorrelaatiofuktio omiaisuuksia Kaava (4.) autokorrelaatiolla o seuraavat omiaisuudet: r(k) = r( k), toisi saoe autokorrelaatio o symmetrie fuktio - e suhtee. Jätetää tämä lukija todettavaksi.

4.3. SIGNAALIN AUTOKORRELAATIO 55 r() = sigaali eergia. Tämä seuraa suoraa siitä että r() = s(). r() r(k) kaikilla k: arvoilla. Otetaa lähtökohdaksi perusmatika kursseilta tuttu Cauchy-Schwarz epäyhtälö N: pituisille reaalivektoreille x ja y: ( N ( N ) ( N ) x()y()) x() y(). = = = Myös tässä voidaa summata kaikkie kokoaislukuideksie yli kuha vai äärellie määrä arvoista poikkeaa ollasta. Ku meillä o joku k ii otetaa vektoriksi x sigaali s() ja vektoriksi y viivästetty sigaali s( k). Huomaa että koska s():ssa vai äärellise mota arvoa eroaa ollasta, sekä s() että s( k) voidaa esittää äärellise pituisia vektoreia. Kokreettie esimerkki: jos s() = [ 3 ] ja k = ii tehdää vektorit x = [ 3 ] ja y = [ 3 ]. Nyt ku sovelletaa Cauchy-Schwarz-epäyhtälöä äihi vektoreihi saadaa ( ( ) ( ) s()s( k)) s() s( k) ( ) = s(), koska s() = s( k). Tästä seuraa että r(k) r(), josta puolestaa seuraa että r() r(k). autokorrelaatiofuktio Fourier-muuos = sigaali Fourier-muuokse amplitudi eliö (Wieer-Khichi teoreema). Tarkallee ottae siis r() exp( jω) = s() exp( jω).

56 Tämä o hituse yllättävä tulos ja yksi tapa hahmottaa sitä o seuraava: autokorrelaatiofuktio r(k) symmetrisyydestä seuraa helposti että se Fouriermuuos o reaalie. Tämä teoreema saoo että Fourier-muuos o paitsi reaalie myös ei-egatiivie (koska edellise yhtälö oikea puoli o aia. Tällä kurssilla emme isommi käytä tätä tulosta mutta se o kuiteki hyvä pitää miele perukoilla. Esimerkkejä autokorrelaatiosta Katsotaa läpi muutamia sigaaleja ja iide autokorrelaatio jotta saadaa joki käsitys siitä mite autokorrelaatio toimii. Olemme lähiä kiiostueita siitä mikä autokorrelaatiofuktio muoto o, jote tätä tarkoitusta varte autokorrelaatio saadaa äppärästi ormalisoitua jakamalla se arvot r():lla. Esimerkki : s() = eli vakiosigaali. Totesimme jo aiemmi että tämä sigaali autokorrelaatiofuktio o r(k) = N k. Tässä tapauksessa r() = N, jote ormalisoitu autokorrelaatio (siis autokorrelaatio jaettua sigaali eergialla) o r(k) = k N. Tämä o esitetty kuviossa 4.3. Tässä o oleellista huomata että vaikka s(): äytteet eri illä korreloivat täysi, ii sigaali ikkuoiti aiheuttaa se että autokorrelaatio kuiteki pieeee lieaarisesti e kasvaessa. Esimerkki : s() = satuaista kohiaa joka keskiarvo =. Ajatellaa vaikka että sigaali saadaa heittämällä 4-sivuista oppaa joka arvot ovat 3,, ja. Ku k = ii r() o sigaali eergia, kute tavallista. Ku k, meillä o summa r(k) = s()s( k). Nyt mikä tahasa kahde arvo s() ja s( k) tulo saadaa taulukosta 3 3 9 3 6. 3 6 4

4.3. SIGNAALIN AUTOKORRELAATIO 57 vakiosigaali.5.5 3 4 5 6 7 8 9 ormalisoitu autokorrelaatio.8.6.4. 8 6 4 4 6 8 Kuvio 4.3: Vakiosigaali ja autokorrelaatio. Todetaa että tauluko alkioide summa o ja jokaie iistä o yhtä todeäköie, jote summasta s()s( k) tulee arvoksi keskimääri. Tämä päättely saataisii huomattavasti vakaammalle pohjalle käyttämällä todeäköisyyslaskea teoriaa mutta tämä tarkkuus riittää meidä tarpeisiimme. Eli satuaise sigaali tapauksessa autokorrelaatio r(k) o sigaali eergia ku k = ja koko lailla ku k. Kuviossa 4.4 o esitetty yksi realisaatio tästä sigaalista ku se pituus o N = ja tämä ormalisoitu autokorrelaatio. Todetaa että autokorrelaatio ei ole tarkallee ku k mutta kuiteki aika liki. Kuviossa 4.5 o esitelty tilae ku sigaali pituus N =, josta huomataa että ormalisoitu autokorrelaatio o huomattavasti pieempi ku k. Normalisoitu autokorrelaatio käyttäe kaavaa (4.) o vielä laskettu kuviossa 4.6 josta välittömästi havaitaa että pitkillä illä tämä meetelmä ei ole kovi luotettava. Tavallaa ämä kaksi esimerkkisigaalia kuvastavat autokorrelaatio ääripäitä: täysi korreloiva sigaali ormalisoitu autokorrelaatio o k ja täysi N satuaise sigaali ormalisoitu autokorrelaatio o impulssi (siis ku k =

58 kohiasigaali 3 3 4 5 6 7 8 9.5 ormalisoitu autokorrelaatio.5.5 8 6 4 4 6 8 Kuvio 4.4: Satuaissigaali autokorrelaatio. ja muute). Käytäö sigaalit elävät jossai äide ääripäide välimaastossa jota varte katsotaa pari esimerkkiä autokorrelaatiosta eri puheääteissä. Esimerkki 3: kuviossa 4.7 o esitetty kehys (suorakaideikkualla ikkuoitu) [ä]-ääteestä ja se autokorrelaatio. Havaitaa että autokorrelaatiossa o useita suuria piikkejä jote eri et korreloivat vahvasti keskeää. Erityisesti ellä 5 autokorrelaatiossa o iso positiivie piikki joka johtuu puhee perustaajuudesta tässä kehyksessä; yhdellä jaksopituudella viivästetty puhe äyttää aika samalta kui viivästämätö puhe. Tässä kehyksessä puhee perustaajuus o siis 6 Hz 5 7 Hz. Itse asiassa autokorrelaatio piikkie etsitä o hyvä tapa löytää puhee perustaajuus (tästä tarkemmi seuraavassa luvussa). Esimerkki 4: kuviosta 4.7 löytyy kehys (taas suorakaideikkualla ikkuoitu) [s]-ääteestä ja se autokorrelaatio. Tässä tapauksessa autokorrelaatio o kohtuullise impulssimaie mikä viittaa siihe että [s]-äätee aaltomuoto o melko satuaie.

4.3. SIGNAALIN AUTOKORRELAATIO 59 pidempi kohiasigaali 3 3 4 5 6 7 8 9. ormalisoitu autokorrelaatio.8.6.4.. 8 6 4 4 6 8 Kuvio 4.5: Pidemmä satuaissigaali autokorrelaatio. pidempi kohiasigaali 3 3 4 5 6 7 8 9 4 ormalisoitu autokorrelaatio r (k) 3 3 8 6 4 4 6 8 Kuvio 4.6: Satuaissigaali autokorrelaatio kaavalla (4.).

6. [ä] ääe.5.5. 5 5 5 3 35 4 45 5 ormalisoitu autokorrelaatio.5.5 5 4 3 3 4 5 Kuvio 4.7: [ä]-ääe ja autokorrelaatio..3 [s] ääe.....3 5 5 5 3 35 4 45 5 ormalisoitu autokorrelaatio.8.6.4...4 5 4 3 3 4 5 Kuvio 4.8: [s]-ääe ja autokorrelaatio.