Esercizio - processi gaussiani con correlazione modulata e filtro passa-basso (prova scritta del 17 settembre 2025)
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Testo (prova scritta del corso Teoria dei Segnali, UniPD, 17 settembre 2025, problema 2). I processi gaussiani e , , hanno entrambi media nulla e correlazione rispettivamente
- Calcolare e , con .
- Immaginando che ciascuno dei due processi sia l'ingresso di un filtro passa-basso ideale con risposta in frequenza , determinare se le corrispondenti uscite sono processi stazionari in senso stretto.
- Scrivere una procedura Matlab che permetta di calcolare numericamente e visualizzare il grafico della densità spettrale di potenza di .
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).
- così scritta non è simmetrica: una correlazione reale deve soddisfare , mentre qui, per esempio, e . Nei punti (1) e (2) si usano solo i valori sulla diagonale (non ambigui) oppure la sola parte simmetrica di (l'unica che conta in ogni momento di secondo ordine dell'uscita di un filtro reale).
- è simmetrica, ma la sua densità spettrale, calcolata al punto (3), assume valori negativi attorno a : 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 , dove la densità è positiva.
(1) Le due probabilità
Con gli angoli sono e . Le varianze di e sono le potenze statistiche (la media è nulla):
- ;
- : con probabilità (gaussiana degenere, tutta la massa in ).
. Poiché quasi certamente, . La variabile è gaussiana a media nulla e varianza , simmetrica rispetto a (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) →): (Anche senza notare che : la differenza di due gaussiane congiunte a media nulla, se non degenere, è una gaussiana a media nulla e vale per simmetria; la sua varianza non serve.)
. Si standardizza con : con (la funzione 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 stazionario in senso stretto, e basta verificare che la media sia costante (qui è nulla) e che la correlazione dell'uscita dipenda solo da .
La risposta impulsiva del filtro è , e la correlazione dell'uscita è .
Passo 2: il processo . dipende solo da : 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 e densità , quindi è stazionaria in senso stretto.
Passo 3: il processo . Qui l'ingresso non è stazionario: la potenza statistica dipende da . Ma l'uscita lo è, e per il seguente motivo. Il fattore è periodico di periodo 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 : (verifica in : ). Quindi Il primo termine è stazionario; gli altri sono modulati a frequenza . Si scrive con e si passa il termine attraverso il filtro nelle due variabili. L'integrale in dà e quello in dà , quindi il contributo è Il prodotto è non nullo solo se e , il che richiede . Ma per si ha : tutti i termini modulati vengono cancellati dal filtro. Resta soltanto il termine con : che dipende solo da (e lo stesso vale se si usa la parte simmetrica di ). L'uscita è dunque stazionaria in senso lato e, essendo gaussiana, in senso stretto; la potenza in uscita è
Conclusione. Con entrambe le uscite sono stazionarie in senso stretto, perché il filtro (banda ) è più stretto dello scostamento minimo () tra le componenti del processo nonstazionario. Per la potenza in uscita è .
Verifica numerica. Si calcola la forma quadratica con e campionata, per , e (il periodo di è ): la varianza dell'uscita resta costante in (variazioni dell'ordine di ) sia per () sia per (), con una griglia grossolana (, per la quale i valori sono un po' sotto quelli teorici e : i punti angolosi di richiedono un passo piccolo; per con il valore sale a ).
(3) Densità spettrale di potenza di
Analisi. (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 e la coppia si ottiene in forma chiusa una lorentziana centrata in più repliche centrate in con pesi di segno alterno (positivi per dispari, negativi per pari).
Procedura numerica. Si campiona su un asse simmetrico, abbastanza lungo da far decadere , e si usa la FFT per approssimare l'integrale della trasformata.
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 . La trasformata continua usa da a e è centrata in . La FFT invece assume che il primo campione sia l'istante : si riordina il vettore con
ifftshift(in Matlabifftshift) prima dellafft, altrimenti nel risultato compare un fattore di fase e la parte reale è sbagliata. - Fattore . La FFT calcola la somma , ma l'integrale vale volte questa somma: senza la densità sarebbe scalata e l'area (la potenza ) non tornerebbe.
- Asse delle frequenze.
fftfreq(N, dt)(Matlab:(-N/2:N/2-1)/(N*dt)) dà le frequenze in Hz, con passo , efftshiftle ordina da a . - Scelta di . La correlazione ha dei "punti angolosi" (per il valore assoluto) e richiede un passo piccolo: con si ottiene già l'errore dell'ordine di , con i valori coincidono con la serie a meno di .
- Controllo. L'area coincide con ; si può confrontare con la serie sopra troncata a qualche decina di termini.
Risultati. Valori del grafico (in unità di ):
- : (picco principale);
- : ;
- : (secondo picco, la prima replica);
- : ;
- : (negativo: la seconda replica ha peso );
- : ;
- : .
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 in un intorno di (minimo in ) mostra, senza altro conto, che non è la correlazione di nessun processo reale (una densità spettrale di potenza deve essere , teorema di Bochner). Per un uso concreto la correlazione sensata sarebbe , che ha densità .
Errori tipici
- Calcolare con la covarianza tra e : non serve ( quasi certamente, e comunque per simmetria), e la formula di non è simmetrica.
- Concludere che l'uscita di 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 e il riordino
ifftshiftnel 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
- Processi aleatori - definizioni, media e autocorrelazione
- Processi stazionari e densità spettrale di potenza
- Processi aleatori attraverso sistemi LTI
- Risposta in frequenza e filtri
- Serie di Fourier
- Trasformata di Fourier
- Trasformata di Fourier discreta (DFT) e FFT
- Vettori gaussiani
- Distribuzione gaussiana (normale)