在信号既是周期性又是随机的情况下,是否存在此类信号的任何示例?因为在我看来,如果信号是周期性的,那么随机性就会消失,因为你知道一段时间后信号会是什么样子。
信号如何既是周期性的又是随机的?
您通常在教科书中遇到的一个示例(以 Papoulis 为例)是具有随机相位
的正弦,
其中是一个随机变量,均匀分布在到。
任何实现都会使具有特定值,但它是随机的,就像掷骰子后的 6 一样。您无法预测在投掷之前会是 6,或者在这种情况下,您无法在收到信号之前
在另一个极端,您可以使用 Matlab 中的 randn() 之类的东西构建一个看起来非常“随机”的波形。它将通过几个随机性统计测试,但如果您使用相同的种子,则波形是完全可重复的(确定性的)。
每个波形都有一个故事(上下文),故事是您判断事物是否随机的方式。
大多数现实信号都是随机的和周期性的。
例如,您可以使用足够慢的随机信号调制谐波振荡器,使其频率围绕。这看起来像:
其中,表示一个正态分布的随机变量,其演化速度比每个样本一次慢得多。
对于短段,该信号大致是周期性的,但由于相位随机,它永远不会完全是周期性的。
事实上,信号甚至不必与三角函数有任何相似之处。
例如,心电图 (ECG)对于一般人在休息时是近似周期性的。然而,心脏在每次跳动时都会调节其功能。因此,从长远来看,虽然这个信号有一些结构,但它的周期是随机的。
最后,走极端,信号甚至不必与“周期性”有任何相似之处,但仍然是周期性的。这些都是混乱的信号。这些看起来像噪音,例如激光的输出,但仔细检查它们的状态空间会发现某种形式的规律性。
...随机性有点消失了,因为您知道一段时间后信号会是什么样子。
这里的关键词是“......一段时间后”,问题是“多少时间”?
例如,考虑一个长度为 3 的二进制序列。它有 8 个不同的状态()。这意味着它将很快“用完组合”,并且它的模式将不得不重新出现。但实际上,产生信号的现象不一定发生在“有限的小批量”中。如果您要开始寻找长度为 3 的子序列,您会发现即使它们也倾向于出现在更复杂的成对的三对序列中……然后是成对的子序列等等。
因此,是的,周期性,但在什么时间尺度上?
希望这可以帮助。
如果您将给定信号称为“现象的确定性实现”,它可以是周期性的,但不是真正随机的。
然而,一些物理系统容易产生随机性和周期性,例如旋转机器、齿轮、循环发动机,它们会产生类似于以下的信号:
自然旋转的物体(恒星、行星)也会产生随机的周期性事件(太阳黑子、日常温度)。
数字处理的整个分支都致力于这些。就过程而言(可能会根据信号产生实现),则存在结合随机性和周期性的概念,例如:
- 随机周期性过程,
- 循环平稳性,或周期性处理。
具有期望 和自相关的随机过程如果则被称为广义循环平稳
- ,
- 。