Aufgaben:Aufgabe 2.2: Mehrstufensignale: Unterschied zwischen den Versionen

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Das Rechtecksignal $x(t)$ sei dimensionslos und kann nur die Momentanwerte $0, 1, 2, \ \text{...} \ , M-2, M-1$ mit gleicher Wahrscheinlichkeit annehmen. Die obere Grafik zeigt dieses Signal für den Sonderfall $M = 5$.
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Das Rechtecksignal  $x(t)$  sei dimensionslos und kann nur die Momentanwerte  $0, \ 1, \ 2, \ \text{...} \ , \ M-2, \ M-1$  mit gleicher Wahrscheinlichkeit annehmen. Die obere Grafik zeigt dieses Signal für den Sonderfall  $M = 5$.
  
  
Auch das Rechtecksignal $y(t)$ ist $M$&ndash;stufig, aber mittelwertfrei und auf den Bereich von $y > -y_0$ bis $y < +y_0$ beschr&auml;nkt.  
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Auch das Rechtecksignal&nbsp; $y(t)$&nbsp; ist&nbsp; $M$&ndash;stufig, aber mittelwertfrei und auf den Bereich von&nbsp; $y > -y_0$&nbsp; bis&nbsp; $y < +y_0$&nbsp; beschr&auml;nkt.
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In der unteren Grafik sehen Sie das Signal&nbsp; $y(t)$, wiederum f&uuml;r die Stufenzahl&nbsp; $M = 5$.  
  
  
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*Setzen Sie f&uuml;r numerische Berechnungen $y_0 = 2\hspace{0.05cm}V$.
 
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Momente_einer_diskreten_Zufallsgröße|Momente einer diskreten Zufallsgröße]].
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Momente_einer_diskreten_Zufallsgröße|Momente einer diskreten Zufallsgröße]].
 
   
 
   
*Eine Zusammenfassung der Theamatik bietet das Lernvideo [[Momentenberechnung_bei_diskreten_Zufallsgrößen_(Lernvideo)|Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen]].
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*Eine Zusammenfassung der Theamatik bietet das Lernvideo&nbsp;<br> [[Momentenberechnung_bei_diskreten_Zufallsgrößen_(Lernvideo)|Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen]].
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*Setzen Sie f&uuml;r numerische Berechnungen&nbsp; $y_0 = 2\hspace{0.05cm}V$.
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<quiz display=simple>
 
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{Wie gro&szlig; ist der lineare Mittelwert der Zufallsgr&ouml;&szlig;e $x$ für $M= 5$?
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{Wie gro&szlig; ist der lineare Mittelwert&nbsp; $m_x$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $x$&nbsp; für&nbsp; $M= 5$?
 
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$m_x \ = \ $  { 2 3% }
 
$m_x \ = \ $  { 2 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Varianz der Zufallsgr&ouml;&szlig;e $x$ allgemein und f&uuml;r $M= 5$?
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{Wie gro&szlig; ist die Varianz&nbsp; $\sigma_x^2$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $x$&nbsp; allgemein und f&uuml;r&nbsp; $M= 5$?
 
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$\sigma_x^2\ = \ $ { 2 3% }
 
$\sigma_x^2\ = \ $ { 2 3% }
  
  
{Berechnen Sie den Mittelwert $m_y$ der Zufallsgr&ouml;&szlig;e $y$ f&uuml;r $M= 5$.
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{Berechnen Sie den Mittelwert&nbsp; $m_y$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $y$&nbsp; f&uuml;r&nbsp; $M= 5$.
 
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$m_y \ = \ $ { 0. } $\ \rm V$
 
$m_y \ = \ $ { 0. } $\ \rm V$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Varianz der Zufallsgr&ouml;&szlig;e $y$? Ber&uuml;cksichtigen Sie dabei das Ergebnis aus '''(2)'''. <br>Welcher Wert ergibt sich wiederum f&uuml;r $M= 5$?
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{Wie gro&szlig; ist die Varianz&nbsp; $\sigma_y^2$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $y$?&nbsp; Ber&uuml;cksichtigen Sie dabei das Ergebnis aus&nbsp; '''(2)'''.&nbsp; Welcher Wert ergibt sich wiederum f&uuml;r&nbsp; $M= 5$?
 
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$\sigma_y^2\ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V^2$
 
$\sigma_y^2\ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V^2$
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:$$m_{\it x}=\rm \sum_{\mu=0}^{\it M-{\rm 1}} \it p_\mu\cdot x_{\mu}=\frac{\rm 1}{\it M} \cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\it M-\rm 1}\mu=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M}{\rm 2}=\frac{\it M-\rm 1}{\rm 2}.$$
 
:$$m_{\it x}=\rm \sum_{\mu=0}^{\it M-{\rm 1}} \it p_\mu\cdot x_{\mu}=\frac{\rm 1}{\it M} \cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\it M-\rm 1}\mu=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M}{\rm 2}=\frac{\it M-\rm 1}{\rm 2}.$$
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich der lineare Mittelwert zu&nbsp; $m_x \;\underline{= 2}$.
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*Im Sonderfall&nbsp; $M= 5$&nbsp; ergibt sich der lineare Mittelwert zu&nbsp; $m_x \;\underline{= 2}$.
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:$$m_{\rm 2\it x}= \rm \sum_{\mu=0}^{\it M -\rm 1}\it p_\mu\cdot x_{\mu}^{\rm 2}=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\rm M-1}\mu^{\rm 2} =  \frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6} = \frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}.$$
 
:$$m_{\rm 2\it x}= \rm \sum_{\mu=0}^{\it M -\rm 1}\it p_\mu\cdot x_{\mu}^{\rm 2}=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\rm M-1}\mu^{\rm 2} =  \frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6} = \frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}.$$
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich der quadratische Mittelwert zu $m_{2x} {=6}$. Daraus kann die Varianz mit dem Satz von Steiner berechnet werden:
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*Im Sonderfall $M= 5$&nbsp; ergibt sich der quadratische Mittelwert zu&nbsp; $m_{2x} {=6}$.  
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*Daraus kann die Varianz mit dem Satz von Steiner berechnet werden:
 
:$$\sigma_x^{\rm 2}=m_{\rm 2\it x}-m_x^{\rm 2}=\frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}-\frac{(\it M-\rm 1)^{\rm 2}}{\rm 4}=\frac{\it M^{\rm 2}-\rm 1}{\rm 12}.$$
 
:$$\sigma_x^{\rm 2}=m_{\rm 2\it x}-m_x^{\rm 2}=\frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}-\frac{(\it M-\rm 1)^{\rm 2}}{\rm 4}=\frac{\it M^{\rm 2}-\rm 1}{\rm 12}.$$
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich für die Varianz&nbsp; $\sigma_x^2 \;\underline{= 2}$.
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*Im Sonderfall&nbsp; $M= 5$&nbsp; ergibt sich für die Varianz&nbsp; $\sigma_x^2 \;\underline{= 2}$.
  
  
'''(3)'''&nbsp; Aufgrund der Symmetrie von $y$ gilt unabh&auml;ngig von $M$:  
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'''(3)'''&nbsp; Aufgrund der Symmetrie von&nbsp; $y$&nbsp; gilt unabh&auml;ngig von&nbsp; $M$:  
 
:$$m_x \;\underline{= 2}.$$
 
:$$m_x \;\underline{= 2}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Zwischen $x(t)$  und $y(t)$ gilt folgender Zusammenhang:  
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'''(4)'''&nbsp; Zwischen&nbsp; $x(t)$&nbsp; und&nbsp; $y(t)$&nbsp; gilt folgender Zusammenhang:  
 
:$$y(t)=\frac{2\cdot  y_{\rm 0}}{M-\rm 1}\cdot \big[x(t)-m_x\big].$$
 
:$$y(t)=\frac{2\cdot  y_{\rm 0}}{M-\rm 1}\cdot \big[x(t)-m_x\big].$$
  
Daraus folgt f&uuml;r die Varianzen:
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*Daraus folgt f&uuml;r die Varianzen:
 
:$$\sigma_y^{\rm 2}=\frac{4\cdot y_{\rm 0}^{\rm 2}}{( M - 1)^{\rm 2}}\cdot \sigma_x^{\rm 2}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot (M^{\rm 2}-1)}{3\cdot (M- 1)^{\rm 2}}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot ( M+ 1)}{ 3\cdot ( M- 1)}.$$
 
:$$\sigma_y^{\rm 2}=\frac{4\cdot y_{\rm 0}^{\rm 2}}{( M - 1)^{\rm 2}}\cdot \sigma_x^{\rm 2}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot (M^{\rm 2}-1)}{3\cdot (M- 1)^{\rm 2}}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot ( M+ 1)}{ 3\cdot ( M- 1)}.$$
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich hierfür:
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*Im Sonderfall&nbsp; $M= 5$&nbsp; ergibt sich hierfür:
 
:$$\it \sigma_y^{\rm 2}= \frac {\it y_{\rm 0}^{\rm 2} \cdot {\rm 6}}{\rm 3 \cdot 4}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm2\,V^{2}}.$$
 
:$$\it \sigma_y^{\rm 2}= \frac {\it y_{\rm 0}^{\rm 2} \cdot {\rm 6}}{\rm 3 \cdot 4}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm2\,V^{2}}.$$
  

Aktuelle Version vom 13. November 2019, 11:44 Uhr

Zwei ähnliche Mehrstufensignale

Das Rechtecksignal  $x(t)$  sei dimensionslos und kann nur die Momentanwerte  $0, \ 1, \ 2, \ \text{...} \ , \ M-2, \ M-1$  mit gleicher Wahrscheinlichkeit annehmen. Die obere Grafik zeigt dieses Signal für den Sonderfall  $M = 5$.


Auch das Rechtecksignal  $y(t)$  ist  $M$–stufig, aber mittelwertfrei und auf den Bereich von  $y > -y_0$  bis  $y < +y_0$  beschränkt.


In der unteren Grafik sehen Sie das Signal  $y(t)$, wiederum für die Stufenzahl  $M = 5$.




Hinweise:



Fragebogen

1

Wie groß ist der lineare Mittelwert  $m_x$  der Zufallsgröße  $x$  für  $M= 5$?

$m_x \ = \ $

2

Wie groß ist die Varianz  $\sigma_x^2$  der Zufallsgröße  $x$  allgemein und für  $M= 5$?

$\sigma_x^2\ = \ $

3

Berechnen Sie den Mittelwert  $m_y$  der Zufallsgröße  $y$  für  $M= 5$.

$m_y \ = \ $

$\ \rm V$

4

Wie groß ist die Varianz  $\sigma_y^2$  der Zufallsgröße  $y$?  Berücksichtigen Sie dabei das Ergebnis aus  (2).  Welcher Wert ergibt sich wiederum für  $M= 5$?

$\sigma_y^2\ = \ $

$\ \rm V^2$


Musterlösung

(1)  Man erhält durch Mittelung über alle möglichen Signalwerte für den linearen Mittelwert:

$$m_{\it x}=\rm \sum_{\mu=0}^{\it M-{\rm 1}} \it p_\mu\cdot x_{\mu}=\frac{\rm 1}{\it M} \cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\it M-\rm 1}\mu=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M}{\rm 2}=\frac{\it M-\rm 1}{\rm 2}.$$
  • Im Sonderfall  $M= 5$  ergibt sich der lineare Mittelwert zu  $m_x \;\underline{= 2}$.


(2)  Analog gilt für den quadratischen Mittelwert:

$$m_{\rm 2\it x}= \rm \sum_{\mu=0}^{\it M -\rm 1}\it p_\mu\cdot x_{\mu}^{\rm 2}=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\rm M-1}\mu^{\rm 2} = \frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6} = \frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}.$$
  • Im Sonderfall $M= 5$  ergibt sich der quadratische Mittelwert zu  $m_{2x} {=6}$.
  • Daraus kann die Varianz mit dem Satz von Steiner berechnet werden:
$$\sigma_x^{\rm 2}=m_{\rm 2\it x}-m_x^{\rm 2}=\frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}-\frac{(\it M-\rm 1)^{\rm 2}}{\rm 4}=\frac{\it M^{\rm 2}-\rm 1}{\rm 12}.$$
  • Im Sonderfall  $M= 5$  ergibt sich für die Varianz  $\sigma_x^2 \;\underline{= 2}$.


(3)  Aufgrund der Symmetrie von  $y$  gilt unabhängig von  $M$:

$$m_x \;\underline{= 2}.$$


(4)  Zwischen  $x(t)$  und  $y(t)$  gilt folgender Zusammenhang:

$$y(t)=\frac{2\cdot y_{\rm 0}}{M-\rm 1}\cdot \big[x(t)-m_x\big].$$
  • Daraus folgt für die Varianzen:
$$\sigma_y^{\rm 2}=\frac{4\cdot y_{\rm 0}^{\rm 2}}{( M - 1)^{\rm 2}}\cdot \sigma_x^{\rm 2}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot (M^{\rm 2}-1)}{3\cdot (M- 1)^{\rm 2}}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot ( M+ 1)}{ 3\cdot ( M- 1)}.$$
  • Im Sonderfall  $M= 5$  ergibt sich hierfür:
$$\it \sigma_y^{\rm 2}= \frac {\it y_{\rm 0}^{\rm 2} \cdot {\rm 6}}{\rm 3 \cdot 4}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm2\,V^{2}}.$$