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Note per Studenti Esercizio - processi gaussiani con correlazione modulata e filtro passa-basso (prova scritta del 17 settembre 2025)

Esercizio - processi gaussiani con correlazione modulata e filtro passa-basso (prova scritta del 17 settembre 2025)

Esame

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Testo (prova scritta del corso Teoria dei Segnali, UniPD, 17 settembre 2025, problema 2). I processi gaussiani x(t)x(t) e y(t)y(t), t∈Rt\in\mathbb R, hanno entrambi media nulla e correlazione rispettivamente rx(t,s)=e−f0∣t−s∣∣cos⁡2πf0t∣,ry(t,s)=e−f0∣t−s∣∣cos⁡2πf0(t−s)∣,t,s∈R.r_x(t,s)=e^{-f_0|t-s|}\left|\cos2\pi f_0t\right|,\qquad r_y(t,s)=e^{-f_0|t-s|}\left|\cos2\pi f_0(t-s)\right|,\qquad t,s\in\mathbb R.

  1. Calcolare P[x(T)>x(2T)]P[x(T)>x(2T)] e P[x(T)>1]P[x(T)>1], con T=18f0T=\frac1{8f_0}.
  2. Immaginando che ciascuno dei due processi sia l'ingresso di un filtro passa-basso ideale con risposta in frequenza G(f)=G0rect⁡(f/f0)G(f)=G_0\operatorname{rect}(f/f_0), determinare se le corrispondenti uscite sono processi stazionari in senso stretto.
  3. Scrivere una procedura Matlab che permetta di calcolare numericamente e visualizzare il grafico della densità spettrale di potenza di y(t)y(t).

Teoria usata: Processi aleatori - definizioni, media e autocorrelazioneUn processo aleatorio x(t), t in I (R o Z(T)), è una famiglia di variabili aleatorie sullo stesso spazio di probabilità; fissato l'esito si ottiene una realizzazione (un segnale). Si descrive con le densità di ordine N (complete), in particolare del primo e del secondo ordine, oppure solo con media m_x(t) e correlazione r_x(t,s) = E[x(t)x*(s)] (descrizione di potenza). Un processo gaussiano è determinato da media e correlazione.Processi aleatori - definizioni, media e autocorrelazione →, Processi stazionari e densità spettrale di potenzaUn processo è stazionario in media, in potenza, nel primo ordine o in correlazione se la rispettiva grandezza non cambia traslando il tempo; stazionario in senso lato (sl) = media costante e r_x(t,s) = r_x(t-s); in senso stretto (ss) = tutte le densità invarianti. La densità spettrale di potenza R_x(f) = F[r_x(τ)] è non negativa e ha integrale = potenza statistica. Rumore bianco: R costante. Ciclostazionario: statistiche periodiche. Ergodico in media: la media temporale di una realizzazione converge a m_x.Processi stazionari e densità spettrale di potenza →, Processi aleatori attraverso sistemi LTIUna trasformazione applicata a ogni realizzazione dà un nuovo processo, ma dalla descrizione statistica di x non sempre si ricava quella di y (controesempi); si può se ogni vettore di y dipende da un vettore finito di x. Per una tf lineare m_y e r_y si calcolano col nucleo; un filtro LTI conserva la stazionarietà in senso lato: m_y = G(0) m_x, R_y = |G|² R_x. Il campionamento di un processo sl dà un processo sl con PSD ripetuta periodicamente. L'interpolazione LTI di un processo discreto sl è ciclostazionaria. Teorema del campionamento per processi: R_x nulla fuori da (-B,B) e Fc ≥ 2B danno ricostruzione esatta in media quadratica; altrimenti la potenza dell'errore è in banda + fuori banda.Processi aleatori attraverso sistemi LTI →, Risposta in frequenza e filtriLa risposta in frequenza G(f) = F[g] di un filtro LTI dà Y = G·X. Gli esponenziali complessi sono autofunzioni (autovalore G(f)), quindi un ingresso sinusoidale esce sinusoidale con ampiezza moltiplicata per |G(f0)| e fase aumentata di arg G(f0). Il filtro è reale se G è hermitiana, invertibile se G non si annulla. I filtri ideali sono rect in frequenza; non distorsione secondo Heaviside: |G| costante e fase lineare.Risposta in frequenza e filtri →, Serie di FourierUn segnale periodico di periodo $T_p$ si scrive come somma di esponenziali alle frequenze multiple della fondamentale $F=1/T_p$: $s(t)=\sum_nS_ne^{i2\pi nFt}$, con $S_n=\frac1{T_p}\int_{T_p}s(t)e^{-i2\pi nFt}dt$. Si basa sull'ortogonalità degli esponenziali su un periodo. $S_0$ è il valor medio; per segnali reali $S_{-n}=S_n^$ e si passa alla forma con coseni e seni; vale il teorema di Parseval $P=\sum|S_n|^2$. La convoluzione ciclica diventa il prodotto $T_pX_nY_n$ dei coefficienti. Le somme troncate presentano il fenomeno di Gibbs vicino ai salti.Serie di Fourier →, Trasformata di FourierLa trasformata di Fourier $S(f)=\int s(t)e^{-i2\pi ft}dt$ associa a un segnale continuo (anche aperiodico) la sua rappresentazione in frequenza; l'antitrasformata $s(t)=\int S(f)e^{i2\pi ft}df$ lo ricostruisce, perché gli esponenziali $e^{i2\pi ft}$ sono ortogonali su tutto $\mathbb R$ ($\int e^{i2\pi ft}dt=\delta(f)$). Per un segnale reale $S(-f)=S^(f)$. Si calcola per i segnali notevoli (rect $\leftrightarrow$ sinc, $e^{-\alpha t}\mathbf 1(t)\leftrightarrow\frac1{\alpha+i2\pi f}$, gaussiana, $\delta\leftrightarrow1$, $1\leftrightarrow\delta$, gradino) e per i segnali periodici, la cui trasformata è un treno di impulsi di area $S_n$ in $nF$.Trasformata di Fourier →, Trasformata di Fourier discreta (DFT) e FFTUn segnale discreto periodico di periodo $NT$ ha una trasformata discreta e periodica, la DFT: $S(kF)=\sum_{n=0}^{N-1}T,s(nT)e^{-i2\pi kn/N}$, con $F=1/(NT)$, e $s(nT)=\sum_{k=0}^{N-1}F,S(kF)e^{i2\pi kn/N}$. Dipende da soli $N$ numeri, si calcola senza approssimazioni e con la FFT costa $N\log_2N$ invece di $N^2$. I coefficienti di Fourier del segnale periodico sono $S_k=F,S(kF)$. La DFT dà anche campioni della trasformata di un segnale discreto o continuo a durata limitata (con zero-padding), ma la scalatura $T$ e l'asse delle frequenze vanno gestiti con cura.Trasformata di Fourier discreta (DFT) e FFT →, Vettori gaussianiX = (X₁, ..., Xₙ) è un vettore gaussiano N(m, Σ) se ogni combinazione lineare a·X è gaussiana (equivalentemente X = m + AZ con Z gaussiane standard indipendenti); se Σ è invertibile ha densità exp(−½(x−m)ᵀΣ⁻¹(x−m)) / √((2π)ⁿ det Σ). Proprietà chiave: AX + b ~ N(Am + b, AΣAᵀ), le marginali sono gaussiane e componenti non correlate sono indipendenti.Vettori gaussiani →, Distribuzione gaussiana (normale)N(μ, σ²) ha densità e^(−(x−μ)²/(2σ²)) / √(2πσ²), a campana centrata in μ con larghezza σ; media μ, varianza σ²; si standardizza con Z = (X − μ)/σ ~ N(0, 1) e si calcola P(X ≤ x) = Φ((x − μ)/σ), con Φ(−z) = 1 − Φ(z); aX + b è ancora gaussiana, N(aμ + b, a²σ²).Distribuzione gaussiana (normale) →.

Nota sul testo (due osservazioni di correttezza, che non cambiano le risposte richieste).

  • rx(t,s)r_x(t,s) così scritta non è simmetrica: una correlazione reale deve soddisfare r(t,s)=r(s,t)r(t,s)=r(s,t), mentre qui, per esempio, rx(18f0,14f0)=e−1/8cos⁡π4r_x\left(\frac1{8f_0},\frac1{4f_0}\right)=e^{-1/8}\cos\frac\pi4 e rx(14f0,18f0)=0r_x\left(\frac1{4f_0},\frac1{8f_0}\right)=0. Nei punti (1) e (2) si usano solo i valori sulla diagonale rx(t,t)=∣cos⁡2πf0t∣r_x(t,t)=|\cos2\pi f_0t| (non ambigui) oppure la sola parte simmetrica di rxr_x (l'unica che conta in ogni momento di secondo ordine dell'uscita di un filtro reale).
  • ry(τ)=e−f0∣τ∣∣cos⁡2πf0τ∣r_y(\tau)=e^{-f_0|\tau|}|\cos2\pi f_0\tau| è simmetrica, ma la sua densità spettrale, calcolata al punto (3), assume valori negativi attorno a ±4f0\pm4f_0: quindi non è una funzione definita non-negativa e un processo con quella correlazione non esiste. Le risposte al punto (2) restano valide perché il filtro lascia passare solo ∣f∣<f02|f|<\frac{f_0}2, dove la densità è positiva.

(1) Le due probabilità

Con T=18f0T=\frac1{8f_0} gli angoli sono 2πf0T=π42\pi f_0T=\frac\pi4 e 2πf0⋅2T=π22\pi f_0\cdot2T=\frac\pi2. Le varianze di x(T)x(T) e x(2T)x(2T) sono le potenze statistiche rx(t,t)=∣cos⁡2πf0t∣r_x(t,t)=|\cos2\pi f_0t| (la media è nulla):

  • σx(T)2=rx(T,T)=∣cos⁡π4∣=22≈0,7071\sigma_{x(T)}^2=r_x(T,T)=\left|\cos\frac\pi4\right|=\frac{\sqrt2}2\approx0{,}7071;
  • σx(2T)2=rx(2T,2T)=∣cos⁡π2∣=0\sigma_{x(2T)}^2=r_x(2T,2T)=\left|\cos\frac\pi2\right|=0: x(2T)=0x(2T)=0 con probabilità 11 (gaussiana degenere, tutta la massa in 00).

P[x(T)>x(2T)]P[x(T)>x(2T)]. Poiché x(2T)=0x(2T)=0 quasi certamente, P[x(T)>x(2T)]=P[x(T)>0]P[x(T)>x(2T)]=P[x(T)>0]. La variabile x(T)x(T) è gaussiana a media nulla e varianza 22>0\frac{\sqrt2}2>0, simmetrica rispetto a 00 (Distribuzione gaussiana (normale)N(μ, σ²) ha densità e^(−(x−μ)²/(2σ²)) / √(2πσ²), a campana centrata in μ con larghezza σ; media μ, varianza σ²; si standardizza con Z = (X − μ)/σ ~ N(0, 1) e si calcola P(X ≤ x) = Φ((x − μ)/σ), con Φ(−z) = 1 − Φ(z); aX + b è ancora gaussiana, N(aμ + b, a²σ²).Distribuzione gaussiana (normale) →): P[x(T)>x(2T)]=12.\boxed{P[x(T)>x(2T)]=\frac12.} (Anche senza notare che x(2T)=0x(2T)=0: la differenza di due gaussiane congiunte a media nulla, se non degenere, è una gaussiana a media nulla e vale 12\frac12 per simmetria; la sua varianza non serve.)

P[x(T)>1]P[x(T)>1]. Si standardizza con σ=2/2=2−1/4≈0,8409\sigma=\sqrt{\sqrt2/2}=2^{-1/4}\approx0{,}8409: P[x(T)>1]=Q(1σ)=Q(21/4)=Q(1,1892)=1−Φ(1,1892)=0,1172,P[x(T)>1]=Q\left(\frac1\sigma\right)=Q\left(2^{1/4}\right)=Q(1{,}1892)=1-\Phi(1{,}1892)=\boxed{0{,}1172}, con Q(z)=1−Φ(z)Q(z)=1-\Phi(z) (la funzione Φ\Phi è quella della gaussiana standard).

(2) Stazionarietà in senso stretto delle uscite

Passo 1: riduzione. L'uscita di un filtro lineare con ingresso gaussiano è un processo gaussiano (Vettori gaussianiX = (X₁, ..., Xₙ) è un vettore gaussiano N(m, Σ) se ogni combinazione lineare a·X è gaussiana (equivalentemente X = m + AZ con Z gaussiane standard indipendenti); se Σ è invertibile ha densità exp(−½(x−m)ᵀΣ⁻¹(x−m)) / √((2π)ⁿ det Σ). Proprietà chiave: AX + b ~ N(Am + b, AΣAᵀ), le marginali sono gaussiane e componenti non correlate sono indipendenti.Vettori gaussiani →). Un processo gaussiano è completamente determinato da media e correlazione (Processi aleatori - definizioni, media e autocorrelazioneUn processo aleatorio x(t), t in I (R o Z(T)), è una famiglia di variabili aleatorie sullo stesso spazio di probabilità; fissato l'esito si ottiene una realizzazione (un segnale). Si descrive con le densità di ordine N (complete), in particolare del primo e del secondo ordine, oppure solo con media m_x(t) e correlazione r_x(t,s) = E[x(t)x*(s)] (descrizione di potenza). Un processo gaussiano è determinato da media e correlazione.Processi aleatori - definizioni, media e autocorrelazione →): se queste sono invarianti per traslazioni, lo sono tutte le densità di ogni ordine. Quindi per processi gaussiani stazionario in senso lato ⇔\Leftrightarrow stazionario in senso stretto, e basta verificare che la media sia costante (qui è nulla) e che la correlazione dell'uscita dipenda solo da t−st-s.

La risposta impulsiva del filtro è g(t)=G0f0sinc⁡(f0t)g(t)=G_0f_0\operatorname{sinc}(f_0t), e la correlazione dell'uscita è ro(t,s)=∬g(t−u) g(s−v) r(u,v) du dvr_o(t,s)=\iint g(t-u)\,g(s-v)\,r(u,v)\,du\,dv.

Passo 2: il processo yy. ryr_y dipende solo da τ=t−s\tau=t-s: yy è già stazionario (in senso lato, e quindi, essendo gaussiano, in senso stretto). Un filtro LTI conserva la stazionarietà (Processi aleatori attraverso sistemi LTIUna trasformazione applicata a ogni realizzazione dà un nuovo processo, ma dalla descrizione statistica di x non sempre si ricava quella di y (controesempi); si può se ogni vettore di y dipende da un vettore finito di x. Per una tf lineare m_y e r_y si calcolano col nucleo; un filtro LTI conserva la stazionarietà in senso lato: m_y = G(0) m_x, R_y = |G|² R_x. Il campionamento di un processo sl dà un processo sl con PSD ripetuta periodicamente. L'interpolazione LTI di un processo discreto sl è ciclostazionaria. Teorema del campionamento per processi: R_x nulla fuori da (-B,B) e Fc ≥ 2B danno ricostruzione esatta in media quadratica; altrimenti la potenza dell'errore è in banda + fuori banda.Processi aleatori attraverso sistemi LTI →): l'uscita ha media 00 e densità ∣G(f)∣2Ry(f)|G(f)|^2R_y(f), quindi è stazionaria in senso stretto.

Passo 3: il processo xx. Qui l'ingresso non è stazionario: la potenza statistica Mx(t)=∣cos⁡2πf0t∣M_x(t)=|\cos2\pi f_0t| dipende da tt. Ma l'uscita lo è, e per il seguente motivo. Il fattore ∣cos⁡2πf0t∣|\cos2\pi f_0t| è periodico di periodo 12f0\frac1{2f_0} e si sviluppa in serie di Fourier (Serie di FourierUn segnale periodico di periodo $T_p$ si scrive come somma di esponenziali alle frequenze multiple della fondamentale $F=1/T_p$: $s(t)=\sum_nS_ne^{i2\pi nFt}$, con $S_n=\frac1{T_p}\int_{T_p}s(t)e^{-i2\pi nFt}dt$. Si basa sull'ortogonalità degli esponenziali su un periodo. $S_0$ è il valor medio; per segnali reali $S_{-n}=S_n^*$ e si passa alla forma con coseni e seni; vale il teorema di Parseval $P=\sum|S_n|^2$. La convoluzione ciclica diventa il prodotto $T_pX_nY_n$ dei coefficienti. Le somme troncate presentano il fenomeno di Gibbs vicino ai salti.Serie di Fourier →) con armoniche alle frequenze 2kf02kf_0: ∣cos⁡2πf0t∣=2π+4π∑k≥1(−1)k+14k2−1cos⁡(2π⋅2kf0 t)|\cos2\pi f_0t|=\frac2\pi+\frac4\pi\sum_{k\ge1}\frac{(-1)^{k+1}}{4k^2-1}\cos\left(2\pi\cdot2kf_0\,t\right) (verifica in t=0t=0: 2π+4π⋅π−24=1\frac2\pi+\frac4\pi\cdot\frac{\pi-2}4=1). Quindi rx(t,s)=2π e−f0∣t−s∣+∑k≥1ck e−f0∣t−s∣cos⁡(2πakt),ak=2kf0, ck=4π(−1)k+14k2−1.r_x(t,s)=\frac2\pi\,e^{-f_0|t-s|}+\sum_{k\ge1}c_k\,e^{-f_0|t-s|}\cos\left(2\pi a_kt\right),\qquad a_k=2kf_0,\ c_k=\frac4\pi\frac{(-1)^{k+1}}{4k^2-1}. Il primo termine è stazionario; gli altri sono modulati a frequenza ak≥2f0a_k\ge2f_0. Si scrive e−f0∣u−v∣=∫L^(φ)ei2πφ(u−v)dφe^{-f_0|u-v|}=\int\hat L(\varphi)e^{i2\pi\varphi(u-v)}d\varphi con L^(φ)=2f0f02+4π2φ2\hat L(\varphi)=\frac{2f_0}{f_0^2+4\pi^2\varphi^2} e si passa il termine e−f0∣u−v∣ei2πaue^{-f_0|u-v|}e^{i2\pi au} attraverso il filtro nelle due variabili. L'integrale in uu dà ei2π(φ+a)t G(φ+a)e^{i2\pi(\varphi+a)t}\,G(\varphi+a) e quello in vv dà e−i2πφs G(−φ)e^{-i2\pi\varphi s}\,G(-\varphi), quindi il contributo è ∫L^(φ) G(φ+a) G(−φ) ei2π(φ+a)te−i2πφs dφ.\int\hat L(\varphi)\,G(\varphi+a)\,G(-\varphi)\,e^{i2\pi(\varphi+a)t}e^{-i2\pi\varphi s}\,d\varphi. Il prodotto G(φ+a)G(−φ)=G02rect⁡(φ+af0)rect⁡(φf0)G(\varphi+a)G(-\varphi)=G_0^2\operatorname{rect}\left(\frac{\varphi+a}{f_0}\right)\operatorname{rect}\left(\frac\varphi{f_0}\right) è non nullo solo se ∣φ∣<f02|\varphi|<\frac{f_0}2 e ∣φ+a∣<f02|\varphi+a|<\frac{f_0}2, il che richiede ∣a∣<f0|a|<f_0. Ma per k≥1k\ge1 si ha ∣ak∣≥2f0>f0|a_k|\ge2f_0>f_0: tutti i termini modulati vengono cancellati dal filtro. Resta soltanto il termine con k=0k=0: ro(t,s)=2π∫L^(φ) ∣G(φ)∣2ei2πφ(t−s)dφ=ro(t−s),r_{o}(t,s)=\frac2\pi\int\hat L(\varphi)\,|G(\varphi)|^2e^{i2\pi\varphi(t-s)}d\varphi=r_o(t-s), che dipende solo da t−st-s (e lo stesso vale se si usa la parte simmetrica di rxr_x). L'uscita è dunque stazionaria in senso lato e, essendo gaussiana, in senso stretto; la potenza in uscita è Mo=2π G02∫−f0/2f0/22f0f02+4π2φ2dφ=4arctan⁡ππ2G02≈0,5117 G02.M_o=\frac2\pi\,G_0^2\int_{-f_0/2}^{f_0/2}\frac{2f_0}{f_0^2+4\pi^2\varphi^2}d\varphi=\frac{4\arctan\pi}{\pi^2}G_0^2\approx0{,}5117\,G_0^2.

Conclusione. Con G(f)=G0rect⁡(f/f0)G(f)=G_0\operatorname{rect}(f/f_0) entrambe le uscite sono stazionarie in senso stretto, perché il filtro (banda f02\frac{f_0}2) è più stretto dello scostamento minimo (2f02f_0) tra le componenti del processo nonstazionario. Per yy la potenza in uscita è ≈0,517 G02\approx0{,}517\,G_0^2.

Verifica numerica. Si calcola la forma quadratica gt⊤R gt\mathbf g_t^{\top}R\,\mathbf g_t con Ruv=r(u,v)R_{uv}=r(u,v) e gg campionata, per f0=1f_0=1, G0=1G_0=1 e t=0,0,1,0,2,0,25,0,37,0,5,0,6t=0,0{,}1,0{,}2,0{,}25,0{,}37,0{,}5,0{,}6 (il periodo di ∣cos⁡∣|\cos| è 0,50{,}5): la varianza dell'uscita resta costante in tt (variazioni dell'ordine di 10−610^{-6}) sia per xx (0,50770{,}5077) sia per yy (0,51340{,}5134), con una griglia grossolana (dt=0,05dt=0{,}05, per la quale i valori sono un po' sotto quelli teorici 0,51170{,}5117 e 0,51720{,}5172: i punti angolosi di ∣cos⁡∣|\cos| richiedono un passo piccolo; per yy con dt=0,00625dt=0{,}00625 il valore sale a 0,51670{,}5167).

(3) Densità spettrale di potenza di yy

Analisi. Ry(f)=∫ry(τ)e−i2πfτdτR_y(f)=\int r_y(\tau)e^{-i2\pi f\tau}d\tau (Processi stazionari e densità spettrale di potenzaUn processo è stazionario in media, in potenza, nel primo ordine o in correlazione se la rispettiva grandezza non cambia traslando il tempo; stazionario in senso lato (sl) = media costante e r_x(t,s) = r_x(t-s); in senso stretto (ss) = tutte le densità invarianti. La densità spettrale di potenza R_x(f) = F[r_x(τ)] è non negativa e ha integrale = potenza statistica. Rumore bianco: R costante. Ciclostazionario: statistiche periodiche. Ergodico in media: la media temporale di una realizzazione converge a m_x.Processi stazionari e densità spettrale di potenza →). Con la serie di ∣cos⁡∣|\cos| e la coppia e−f0∣τ∣↔L(f)=2f0f02+4π2f2e^{-f_0|\tau|}\leftrightarrow L(f)=\frac{2f_0}{f_0^2+4\pi^2f^2} si ottiene in forma chiusa Ry(f)=2πL(f)+∑k≥1ck2[L(f−2kf0)+L(f+2kf0)],R_y(f)=\frac2\pi L(f)+\sum_{k\ge1}\frac{c_k}2\Big[L(f-2kf_0)+L(f+2kf_0)\Big], una lorentziana centrata in 00 più repliche centrate in ±2kf0\pm2kf_0 con pesi ckc_k di segno alterno (positivi per kk dispari, negativi per kk pari).

Procedura numerica. Si campiona ry(τ)r_y(\tau) su un asse τ\tau simmetrico, abbastanza lungo da far decadere e−f0∣τ∣e^{-f_0|\tau|}, e si usa la FFT per approssimare l'integrale della trasformata.

python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

f0 = 1.0                          # si lavora in unita' di f0 (frequenze in f/f0)
N  = 2**18                        # campioni (potenza di 2 per la FFT)
dt = 1/(256*f0)                   # passo: Fmax = 1/(2 dt) = 128 f0, risoluzione df = 1/(N dt) ~ 0.001 f0
tau = (np.arange(N) - N//2) * dt  # ritardi da -512/f0 a 512/f0 (e^{-512} ~ 0: troncamento trascurabile)
r   = np.exp(-f0*np.abs(tau)) * np.abs(np.cos(2*np.pi*f0*tau))   # r_y(tau)

R = np.fft.fftshift(np.fft.fft(np.fft.ifftshift(r))) * dt        # R_y(f) = integrale ~ somma * dt
f = np.fft.fftshift(np.fft.fftfreq(N, dt))                       # asse delle frequenze, centrato in 0
R = R.real                       # r e' reale e pari: la trasformata e' reale (la parte immaginaria e' ~0)

m = np.abs(f) <= 8*f0            # si mostra solo |f| <= 8 f0
plt.plot(f[m]/f0, R[m]*f0)
plt.xlabel("f / f0"); plt.ylabel("R_y(f) * f0"); plt.grid(); plt.show()

Passaggi e comandi Matlab corrispondenti:

  • Asse dei tempi centrato in 00. La trasformata continua usa τ\tau da −∞-\infty a +∞+\infty e ryr_y è centrata in τ=0\tau=0. La FFT invece assume che il primo campione sia l'istante 00: si riordina il vettore con ifftshift (in Matlab ifftshift) prima della fft, altrimenti nel risultato compare un fattore di fase e−i2πfτmin⁡e^{-i2\pi f\tau_{\min}} e la parte reale è sbagliata.
  • Fattore dtdt. La FFT calcola la somma ∑nr(τn)e−i2πfn dt\sum_n r(\tau_n)e^{-i2\pi fn\,dt}, ma l'integrale vale dtdt volte questa somma: senza dtdt la densità sarebbe scalata e l'area (la potenza ry(0)=1r_y(0)=1) non tornerebbe.
  • Asse delle frequenze. fftfreq(N, dt) (Matlab: (-N/2:N/2-1)/(N*dt)) dà le frequenze in Hz, con passo 1N dt\frac1{N\,dt}, e fftshift le ordina da −Fmax⁡-F_{\max} a +Fmax⁡+F_{\max}.
  • Scelta di dtdt. La correlazione ha dei "punti angolosi" (per il valore assoluto) e richiede un passo piccolo: con dt=164f0dt=\frac1{64f_0} si ottiene già l'errore dell'ordine di 10−310^{-3}, con 1256f0\frac1{256f_0} i valori coincidono con la serie a meno di 10−410^{-4}.
  • Controllo. L'area ∫Ry df≈1,0000002\int R_y\,df\approx1{,}0000002 coincide con ry(0)=1r_y(0)=1; si può confrontare con la serie sopra troncata a qualche decina di termini.

Risultati. Valori del grafico (in unità di 1f0\frac1{f_0}):

  • f=0f=0: 1,2781{,}278 (picco principale);
  • f=±f0f=\pm f_0: 0,0430{,}043;
  • f=±2f0f=\pm2f_0: 0,4330{,}433 (secondo picco, la prima replica);
  • f=±3f0f=\pm3f_0: 0,0120{,}012;
  • f=±4f0f=\pm4f_0: −0,080-0{,}080 (negativo: la seconda replica ha peso c2<0c_2<0);
  • f=±5f0f=\pm5f_0: 0,0010{,}001;
  • f=±6f0f=\pm6f_0: 0,0380{,}038.

Grafico interattivo: Densità spettrale R_y(f) (in unità 1/f0) con x = f/f0: picco 1,278 in 0, picchi minori in ±2, ±6, ±10 e dossi NEGATIVI in ±4, ±8 (pesi della serie di segno alterno): r_y non è una funzione definita non-negativa

Commento. Il fatto che Ry<0R_y<0 in un intorno di ±4f0\pm4f_0 (minimo −0,0798/f0-0{,}0798/f_0 in f=±4f0f=\pm4f_0) mostra, senza altro conto, che ryr_y non è la correlazione di nessun processo reale (una densità spettrale di potenza deve essere ≥0\ge0, teorema di Bochner). Per un uso concreto la correlazione sensata sarebbe e−f0∣τ∣cos⁡2πf0τe^{-f_0|\tau|}\cos2\pi f_0\tau, che ha densità 12[L(f−f0)+L(f+f0)]≥0\frac12[L(f-f_0)+L(f+f_0)]\ge0.

Errori tipici

  • Calcolare P[x(T)>x(2T)]P[x(T)>x(2T)] con la covarianza tra x(T)x(T) e x(2T)x(2T): non serve (x(2T)=0x(2T)=0 quasi certamente, e comunque 12\frac12 per simmetria), e la formula di rx(t,s)r_x(t,s) non è simmetrica.
  • Concludere che l'uscita di xx è non stazionaria perché lo è l'ingresso: un filtro con banda minore della frequenza di modulazione elimina la parte non stazionaria.
  • Dimenticare il fattore dtdt e il riordino ifftshift nel calcolo numerico della trasformata.

Vedi anche: Esercizio - processo gaussiano campionato, interpolato ed elevato al quadrato (prova scritta del 6 febbraio 2026), Esercizio - sinc modulato, estensione spettrale e campionamento a massima efficienza (prova scritta del 3 settembre 2025).

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata