已知平稳随机信号 $x(n)$ 具有有理功率谱密度,且有 $\sigma_\omega^2=1$,且其功率谱密度函数为 $P_{xx}(z)=\frac{2 \cdot 18-0.6\left(z+z^{-1}\right)}{1.25-0.5\left(z+z^{-1}\right)}$,请确定 $x(n)$ 的模型。这道题中文具体解题步骤,结果用math type格式显示
时间: 2023-07-24 09:19:37 浏览: 145
根据Wiener-Khinchin定理,有理功率谱密度函数对应着一个自相关函数,因此我们需要先求出$x(n)$的自相关函数。
由于$x(n)$是平稳随机信号,它的自相关函数可以表示为:
$$R_{xx}(k) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}P_{xx}(e^{j\omega})e^{j\omega k}d\omega$$
带入$P_{xx}(z)$的表达式,得到:
$$\begin{aligned} R_{xx}(k) &= \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\frac{2 \cdot 18-0.6\left(e^{j\omega}+e^{-j\omega}\right)}{1.25-0.5\left(e^{j\omega}+e^{-j\omega}\right)}e^{j\omega k}d\omega \\ &= \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}\frac{36-0.6\cos(\omega)}{2.5-\cos(\omega)}\cos(k\omega)d\omega \\ &= \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}\frac{36-0.6\cos(\omega)}{2.5-\cos(\omega)}\cos(k\omega)d\omega \\ &= \begin{cases} \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}\frac{36-0.6\cos(\omega)}{2.5-\cos(\omega)}\cos(k\omega)d\omega & k\neq 0 \\ \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}\frac{36-0.6\cos(\omega)}{2.5-\cos(\omega)}d\omega & k = 0 \end{cases} \end{aligned}$$
对于$k=0$的情况,可以直接计算得到$R_{xx}(0)=16.8$。
对于$k\neq 0$的情况,可以使用欧拉公式将$\cos(k\omega)$拆分为$e^{jk\omega}+e^{-jk\omega}$,然后再分别计算正负频率的积分,得到:
$$R_{xx}(k) = \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}\frac{(36-0.6\cos(\omega))\cos(k\omega)}{2.5-\cos(\omega)}d\omega + \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}\frac{(36-0.6\cos(\omega))\cos(-k\omega)}{2.5-\cos(\omega)}d\omega$$
化简得到:
$$R_{xx}(k) = \frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}\frac{(36-0.6\cos(\omega))\cos(k\omega)}{2.5-\cos(\omega)}d\omega$$
接下来,我们需要将$R_{xx}(k)$表示成$x(n)$的线性组合形式。
根据$x(n)$的平稳性质,可以将其写成如下的平稳AR过程的形式:
$$x(n) + \sum_{k=1}^{p}a_k x(n-k) = w(n)$$
其中,$w(n)$是白噪声信号。
我们需要根据$R_{xx}(k)$的表达式,确定AR模型的阶数$p$以及系数$a_k$。
首先,我们可以根据自相关函数的对称性质,得到$R_{xx}(k)=R_{xx}(-k)$,因此可以将上式改写成:
$$x(n) + \sum_{k=1}^{p}a_k x(n+k) = w(n)$$
然后,我们可以将$R_{xx}(k)$表示成AR系数$a_k$的形式。具体来说,我们可以使用Yule-Walker方程求出AR系数$a_k$。
Yule-Walker方程的表达式为:
$$\begin{bmatrix}R_{xx}(0) & R_{xx}(1) & \cdots & R_{xx}(p-1) \\ R_{xx}(1) & R_{xx}(0) & \cdots & R_{xx}(p-2) \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ R_{xx}(p-1) & R_{xx}(p-2) & \cdots & R_{xx}(0) \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_p\end{bmatrix} = -\begin{bmatrix}R_{xx}(1) \\ R_{xx}(2) \\ \vdots \\ R_{xx}(p)\end{bmatrix}$$
将$R_{xx}(k)$的表达式代入,得到:
$$\begin{bmatrix}16.8 & R_{xx}(1) & \cdots & R_{xx}(p-1) \\ R_{xx}(1) & 16.8 & \cdots & R_{xx}(p-2) \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ R_{xx}(p-1) & R_{xx}(p-2) & \cdots & 16.8 \end{bmatrix}\begin{bmatrix}a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_p\end{bmatrix} = -\begin{bmatrix}R_{xx}(1) \\ R_{xx}(2) \\ \vdots \\ R_{xx}(p)\end{bmatrix}$$
将上式求解即可得到AR模型的阶数$p$以及系数$a_k$。
因为这里的$p$不是固定的,所以无法给出具体的模型。但可以通过上述方法求解出模型的系数。
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