Signaalimallit: sisältö

Samankaltaiset tiedostot
Dynaamisten systeemien identifiointi 1/2

Missä mennään. systeemi. identifiointi. mallikandidaatti. validointi. malli. (fysikaalinen) mallintaminen. mallin mallin käyttötarkoitus, reunaehdot

Taajuus-, Fourier- ja spektraalianalyysi

Taajuus-, Fourier- ja spektraalianalyysi

Taajuus-, Fourier- ja spektraalianalyysi

Identifiointiprosessi

6.2.3 Spektrikertymäfunktio

6.1 Autokovarianssifunktion karakterisaatio aikatasossa

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Identifiointiprosessi

6.5.2 Tapering-menetelmä

Kuva 3.1: Näyte Gaussisesta valkoisest kohinasta ε t N(0, 1) Aika t

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Identifiointiprosessi

8. Muita stokastisia malleja 8.1 Epölineaariset mallit ARCH ja GARCH

Dynaamiset regressiomallit

Numeeriset menetelmät

Tietoliikennesignaalit & spektri

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

9. Tila-avaruusmallit

Nämä ovat siis minimivaatimukset, enemmänkin saa ja suositellaan

4. Fourier-analyysin sovelletuksia. Funktion (signaalin) f(t) näytteistäminen tapahtuu kertomalla funktio näytteenottosignaalilla

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

Parametristen mallien identifiointiprosessi

Stationaariset stokastiset prosessit ja ARMA-mallit

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

3. Teoriaharjoitukset

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

4.0.2 Kuinka hyvä ennuste on?

Mat Systeemien identifiointi, aihepiirit 1/4

spektri taajuus f c f c W f c f c + W

1. Annettu siirtofunktio on siis G(s) ja vastaava systeemi on stabiili. Heräte (sisäänmeno) on u(t) = A sin(ωt), jonka Laplace-muunnos on

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Y (z) = z-muunnos on lineaarinen kuten Laplace-muunnoskin

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

805324A (805679S) Aikasarja-analyysi Harjoitus 4 (2016)

ARMA mallien ominaisuudet ja rakentaminen

MS-C2128 Ennustaminen ja aikasarja-analyysi ARMA esimerkkejä

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 1

STOKASTISET PROSESSIT

Vastaavasti voidaan määritellä korkeamman kertaluvun autoregressiiviset prosessit.

A B = 100, A = B = 0. D = 1.2. Ce (1.2 D. C (t D) 0, t < 0. t D. )} = Ae πjf D F{Π( t D )} = ADe πjf D sinc(df)

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Kohina. Havaittujen fotonien statistinen virhe on kääntäen verrannollinen havaittujen fotonien lukumäärän N neliö juureen ( T 1/ N)

5. Z-muunnos ja lineaariset diskreetit systeemit. z n = z

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. 2 ov

Petri Kärhä 04/02/04. Luento 2: Kohina mittauksissa

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Ennustaminen ARMA malleilla ja Kalmanin suodin

Ilkka Mellin Aikasarja-analyysi Stationaariset stokastiset prosessit

Luento 5: Kantataajuusvastaanotin AWGNkanavassa I: Suodatus ja näytteistys a. Kuvaa diskreetin ajan signaaliavaruussymbolit jatkuvaan aikaan

Kertaus. MS-C2128 Ennustaminen ja Aikasarja-analyysi, Heikki Seppälä

Helsinki University of Technology

Tilastotieteessä aikasarja tarkoittaa yleensä sarjaa, jossa peräkkäisten havaintojen aikaväli on aina sama.

Identifiointiprosessi

1. Tilastollinen malli??

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

Digitaalinen signaalinkäsittely Johdanto, näytteistys

Identifiointiprosessi II

Signaalien tilastollinen mallinnus T (5 op) Syksy 2006 Harjoitustyö

Kompleksiluvut signaalin taajuusjakauman arvioinnissa

Sinin muotoinen signaali

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 5. joulukuuta Z-muunnos

A! Modulaatioiden luokittelu. Luento 4: Digitaaliset modulaatiokonstellaatiot, symbolijonolähetteet. ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Laplace-muunnos: määritelmä

Oletetaan, että virhetermit eivät korreloi toistensa eikä faktorin f kanssa. Toisin sanoen

Moniulotteiset aikasarjat

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Probabilistiset mallit (osa 2) Matemaattisen mallinnuksen kurssi Kevät 2002, luento 10, osa 2 Jorma Merikoski Tampereen yliopisto

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 1 Kevät y' P. α φ

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

Todennäköisyyden ominaisuuksia

Dynaamiset regressiomallit

805324A (805679S) Aikasarja-analyysi Harjoitus 6 (2016)

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

Kertaus. MS-C2128 Ennustaminen ja Aikasarja-analyysi, Lauri Viitasaari

Johdatus regressioanalyysiin. Heliövaara 1

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

Signaalien datamuunnokset

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Spektri- ja signaalianalysaattorit

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Regressioanalyysi. Kuusinen/Heliövaara 1

Epäyhtälöt ovat yksi matemaatikon voimakkaimmista

Virheen kasautumislaki

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 2A

MS-A0501 Todennäköisyyslaskennan ja tilastotieteen peruskurssi

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Tässä luvussa mietimme, kuinka paljon aineistossa on tarpeellista tietoa Sivuamme kysymyksiä:

3. Simulaatioiden statistiikka ja data-analyysi

STOKASTISET PROSESSIT Peruskäsitteitä

Yleistetyistä lineaarisista malleista

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 1. joulukuuta Z-muunnos

V ar(m n ) = V ar(x i ).

MS-C2128 Ennustaminen ja Aikasarja-analyysi, 5 op Esittely

SGN Signaalinkäsittelyn perusteet Välikoe Heikki Huttunen

T Signaalien tilastollinen mallinnus, (5 op)

Transkriptio:

Signaalimallit: sisältö Motivaationa häiriöiden kuvaaminen ja rekonstruointi Signaalien kuvaaminen aikatasossa, determinisitinen vs. stokastinen Signaalien kuvaaminen taajuustasossa Fourier-muunnos Deterministisen signaalin spektri Stokastisen signaalin spektri Signaalien taajuussisältöjen vertaaminen Lineaarinen järjestelmä ja spektri

3 häiriötyyppiä: Häiriöiden kuvaus 1. mitattavissa oleva häiriö häiriötä voidaan käsitellään kuin ohjausta, jota ei voida valita (deterministinen) esim. aurinkolämmitys: säteilyintensiteetti ajatellaan häiriöksi 2. ei-mitattavissa oleva häiriö, jonka lähde tunnetaan häiriö voidaan ottaa huomioon mallia konstruoitaessa (deterministinen / stokastinen) esim. lentokoneen liikeyhtälöt vaihtelut ilmavirtauksissa 3. ei-mitattavissa oleva häiriö esim. ulostuloon summautuva kohina (stokastinen) Vaikka häiriö olisi mitattavissa, on se pystyttävä rekonstruoimaan oleellisilta osiltaan esim. simulointia varten Oleellisuus: ajassa tapahtuvat muutokset vs.taajuussisältö

Yksinkertaiset aikatason signaalit Esimerkkejä impulssi: w(t) = δ(t) askel: w(t)=0, kun t<t 1 ; a, kun t>t 1 eriaikaisten askelten summa; esim. kanttiaalto ramppi: w(t)=0 kun kun t<t 1 ; a*(t-t 1 )+b, kun t>t 1 kolmioaalto: ramppien summa Transienttivaste: systeemin ulostulo, kun ohjaus tai häiriö yo. tyyppistä muotoa (yleensä impulssi / askel)

Muut deterministiset signaalit aikatasossa Oletetaan, että häiriö w(t) on jonkin alisysteemin ulostulo: x& w ( t) = wt () = h f w w ( x ( x w w ( t), u ( t), u ( t)) ( t)) u w (t) on tyypillisesti jokin transientti Hyvä lähestymistapa jos häiriön syntymekanismista on tietoa Lineaarisessa tapauksessa voidaan kuvata myös siirtofunktion tai operaattoripolynomin avulla Vastaavasti diskreettiaikaiset mallit w w u w (t) häiriön tuottava alisysteemi w(t) u(t) S y(t)

Stokastiset signaalit aika-tasossa Lineaarinen diskreettiaikainen malli w(t k )=G(q)u(t k ), t k =kt näytteenottoväli T näytteenottotaajuus 1/T, näytteenoton kulmataajuus 2π/T Nyquistin taajuus 1/2T, Nyquistin kulmataajuus π/t Asetetaan u(t k )=e(t k ), e(t k ) valkoista kohinaa (white noise) e(t k ):t riippumattomia esim. normaalijakautunut, odotusarvo 0 ja vakio varianssi Häiriön tuottava alijärjestelmä: w(t)+d 1 w(t-t)+...+d n w(t-nt)=c 0 e(t)+c 1 e(t-t)+...+c n e(t-nt), w(t) on lineaarisesti suodatettua kohinaa Diskreettiaikainen stokastinen prosessi satunnaismuuttujien joukko w(t k ), t k =kt, k=0,±1, ±2, ±3,

Stokastisista prosesseista w(t)+d 1 w(t-t)+...+d n w(t-nt)=c 0 e(t)+c 1 e(t-t)+...+c n e(t-nt) on ns. ARMA-malli: AutoRegressive: selittäjinä edelliset arvot MovingAverage: selittäjänä edelliset virhetermit taustatietoja ARMA-malleista: Mat-2.3128 kurssikirja Stokastisen prosessin realisaatio: mallin tuottamat numerot, erilainen eri kerroilla w(t):n odotusarvofunktio on m w (t) = Ew(t) w(t):n kovarianssifunktio (autokovarianssi) R w (t,s)=e(w(t)- m w (t))(w(s)-m w (s)) Prosessi on stationaarinen, jos sen tilastolliset (odotusarvo, varianssi ja kovarianssi) ominaisuudet eivät riipu t:stä Stationaarisen w(t):n kovarianssifunktio riippuu vain aikavälistä τ=t-s, eli R w (τ)=r w (t,t-τ), symmetrinen origon suhteen

Aika-ajattelusta taajuusajatteluun Tyypillisesti häiriösignaalia ei voi ennustaa täydellisesti pyrittäessä yleistävään malliin simulointi yhdellä tietyllä häiriöllä ei edes ole kovin mielenkiintoista Aikatasoa täydentävän ajattelutavan muodostaa tässä suhteessa taajuustaso häiriön eksaktin muodon sijaan ollaan kiinostuneita siitä, mitä taajuuksia se sisältää Tärkeä työkalu Fourier-muunnos

Signaalit taajuustasossa Spektri (myös tehospektri, spektraalitieys): merk. w(t):n spektriä Φ w (ω):llä, missä ω on (kulma)taajuus yksikkönä energia/taajuus kertoo energian taajuusjakauman Kaksi määritelmää: 1. Deterministisille signaaleille spektri määritellään signaalin Fourier-muunnoksen modulin neliönä (Signaaleille, joilla on ääretön energia, spektri määritellään katkaistulle signaalille, normeerataan katkaisun pituudella) 2. Stationaarisille stokastisille prosesseille spektri ( realisaation spektrin odotusarvo ) määritellään kovarianssifunktion diskreettinä Fourier-muunnoksena

Esimerkki, deterministisen signaalin spektri Asin(ω 0 t):n Fourier-muunnos on iπa(δ(ω-ω 0 )+δ(ω+ω 0 )) Sen spektri on muunnoksen itseisarvon neliö: Φ(ω)= π 2 A 2 (δ(ω-ω 0 )+δ(ω+ω 0 )) Energia on täysin taajuuksilla ω ja -ω ja spektri näyttää tältä: Φ(ω) ω 0 ω 0 ω

Esimerkki, stokastisen signaalin spektri Valkoisen kohinan e(t) spektri Ee(t)=0 ja e(t):n kovarianssifunktio on R e (kt)=ee(t+kt)e(t)=λ 2, kun k=0 ja 0 muulloin λ 2 on kohinan varianssi Ee(t) 2 Ol. T=1 ja lyödään tämä edellisen sivun kaavaan => Φ e (ω)= λ 2 valkoinen kohina sisältää siis kaikkia taajuuksia yhtä paljon

Signaalien taajuussisältöjen vertaaminen Ristispektri (ristitehotiheysspektri)φ yu (ω): määritellään y:n Fourier-muunnoksen ja u:n Fouriermuunnoksen kompleksikonjugaatin tulona stationaarisille stokastisille prosesseille se on vastaavasti ristikovarianssin diskreetti Fourier-muunnos Intuitiivinen tulkinta: tarkastellaan kahta signaalia y(t) ja u(t): jos u(t):ssä on taajuuskomponentti cos(ωt), on y(t):ssä sama komponentti Φ yu (ω) kertaa suurempana ja vaiheeltaan argφ yu (ω) jäljessä Φ yu (ω)=0 signaalit korreloimattomia

Jatkuva-aikaisen lineaarinen järjestelmän vaikutus spektriin Olk. y(t)=g(p)u(t)+w(t), u(t) ja w(t) riippumattomia Fourier-muunnetaan puolittain: Y(ω)=G(iω)U(ω)+W(ω) Korotetaan puolittain neliöön, normeerataan aikavälin pituudella ja otetaan odotusarvo => Φ y (ω)= G(iω) 2 Φ u (ω)+φ w (ω) Kertomalla puolittain conj(u(ω)):llä (ja etenemällä samoin) => Φ yu (ω)=g(iω)φ u (ω) Olet. w(t)=0, Φ u (ω)=1 (u(t) valkoista kohinaa) ja G(p)=C(p)/D(p) => Φ y (ω)= G(iω) 2 = C(iω) 2 / D(iω) 2 Spectral Factorization: jos annettu spektri on ω 2 :n rationaalifunktio, voidaan aina löytää sitä vastaava stabiili systeemi G(p) (eräs identifiointilähestymistapa)

Diskreettiaikaisen lineaarisen järjestelmän vaikutus spektriin Olk. y(t)=g(q)u(t)+w(t), u(t) ja w(t) rtomia => ja Φ y (ω)= G T (e iωτ ) 2 Φ u (ω)+φ w (ω) Φ yu (ω)=g T (e iωτ )Φ u (ω) Näytteenottoväliä T vastaava siirtofunktio ARMA-prosessin C(q)/D(q) spektraalitiheys: C(e iωτ ) 2 / D(e iωτ ) 2 Spectral Factorization: jos annettu spektri on cosωt:n rationaalifunktio, voidaan aina löytää sitä vastaava stabiili systeemi G T (q) (eräs identifiointilähestymistapa)

Miten homma etenee käytännössä? Jonkinlainen näkemys häiriöstä: - Havaintoja, aikasarja w(1), w(2),..., w(n) - Kvalitatiivinen kuvaus: häiriötaajuudet yleensä alle 5Hz, häiriötaajuudet keskittyneet 50Hz ympärille => spektrin estimaatti C:n ja D:n estimointi käyttäen Spectral Factorization (myös havaitun aikasarjan autokorrelaatiofunktio ja osittaisautokorrelaatiofunktio, vrt. kurssi Mat-2.3128 ja Systeemianalyysilaboratorio II) Spektrin esitimointi äärellisestä määrästä havaintoja (tähän teemaan palataan kurssilla myöhemmin) C:n ja D:n parametrien estimointi (teemaan palataan myöhemmin)