Probability Models (Vaseghi - Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction), страница 5

PDF-файл Probability Models (Vaseghi - Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction), страница 5 Теория управления (17231): Книга - 5 семестрProbability Models (Vaseghi - Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction) - PDF, страница 5 (17231) - СтудИзба2017-12-28СтудИзба

Описание файла

Файл "Probability Models" внутри архива находится в папке "Vaseghi - Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction". PDF-файл из архива "Vaseghi - Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "теория управления" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "теория управления" в общих файлах.

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 5 страницы из PDF

A non-Gaussian pdf may be approximated by a weighted sum (i.e.a mixture) of a number of Gaussian densities of appropriate mean vectorsand covariance matrices. An M-mixture Gaussian density is defined asMf X ( x) = ∑ Pi N i ( x, µ x i , Σ xx i )(3.92)i =1f (x)µ1µ2µ3µ4µ5Figure 3.9 A mixture Gaussian pdf.x72Probability Modelswhere N i (x, µ x i , Σ xxi ) is a multivariate Gaussian density with mean vectorµ x i and covariance matrix Σ xx i , and Pi are the mixing coefficients.

Theparameter Pi is the prior probability of the ith mixture component, and isgiven byNPi = M i(3.93)∑ Njj=1where Ni is the number of observations associated with the mixture i. Figure3.9 shows a non-Gaussian pdf modelled as a mixture of five Gaussian pdfs.Algorithms developed for Gaussian processes can be extended to mixtureGaussian densities.3.5.4 A Binary-State Gaussian ProcessConsider a random process x(m) with two statistical states: such that in thestate s0 the process has a Gaussian pdf with mean µ x ,0 and variance σ 2x,0 ,and in the state s1 the process is also Gaussian with mean µ x ,1 and varianceσ 2x,1 (Figure 3.10). The state-dependent pdf of x(m) can be expressed asf X S ( x ( m) s i ) =1x(m) − µ x,i ] 2  ,exp −[2π σ x,i 2σ x2,i1i=0, 1xf X ,S (x, s )s0s1sFigure 3.10 Illustration of a binary-state Gaussian process(3.94)Some Useful Classes of Random Processes73The joint probability distribution of the binary-valued state si and thecontinuous-valued signal x(m) can be expressed asf X ,S (x(m), si ) = f X S (x(m) si ) PS (si )11[x(m) − µ x,i ] 2  PS (si )exp −2π σ x,i 2σ x2,i=(3.95)where PS ( si ) is the state probability.

For a multistate process we have thefollowing probabilistic relations between the joint and marginalprobabilities:∑ f X ,S (x(m), si ) = f X (x(m))(3.96)∫ f X ,S (x(m), si ) dx = PS (si )(3.97)∑ ∫ f X ,S (x(m), si ) dx = 1(3.98)SXandS XNote that in a multistate model, the statistical parameters of the processswitch between a number of different states, whereas in a single-statemixture pdf, a weighted combination of a number of pdfs models theprocess.

In Chapter 5 on hidden Markov models we consider multistatemodels with a mixture pdf per state.3.5.5 Poisson ProcessThe Poisson process is a continuous-time, integer-valued counting process,used for modelling the occurrence of a random event in various timeintervals. An important area of application of the Poisson process is inqueuing theory for the analysis and modelling of the distributions of demandon a service facility such as a telephone network, a shared computer system,a financial service, a petrol station, etc.

Other applications of the Poissondistribution include the counting of the number of particles emitted inphysics, the number of times that a component may fail in a system, andmodelling of radar clutter, shot noise and impulsive noise. Consider anevent-counting process X(t), in which the probability of occurrence of the74Probability Modelsevent is governed by a rate function λ(t), such that the probability that anevent occurs in a small time interval ∆t isProb(1 occurrencein the interval (t , t + ûW ) ) = λ (t ) ûW(3.99)Assuming that in the small interval ∆t, no more than one occurrence of theevent is possible, the probability of no occurrence of the event in a timeinterval of ∆t is given byProb(0 occurrence in the interval(t , t + ûW ))=1 − λ (t ) ûW(3.100)when the parameter λ(t) is independent of time, λ(t)=λ, and the process iscalled a homogeneous Poisson process. Now, for a homogeneous Poissonprocess, consider the probability of k occurrences of an event in a timeinterval of t+∆t, denoted by P(k, (0, t+∆t)):P(k ,(0, t + ûW ) ) = P(k , (0, t ) )P(0, (t , t + ûW ) ) + P(k − 1,(0, t ) )P(1, (t , t + ûW ) )= P(k , (0, t ) )(1 − λûW ) + P(k − 1,(0, t ) )λûW(3.101)Rearranging Equation (3.101), and letting ∆t tend to zero, we obtain thefollowing linear differential equation:dP (k , t )= − λP ( k , t ) + λP ( k − 1, t )dt(3.102)where P(k,t)=P(k,(0, t)).

The solution of this differential equation is givenbyP(k , t ) = λe−λtt∫ P(k − 1,τ )eλτdτ(3.103)0Equation (3.103) can be solved recursively: starting with P(0,t)=e–λt andP(1,t)=λt e-λt, we obtain the Poisson densityP(k , t ) =(λt ) k −λtek!(3.104)75Some Useful Classes of Random ProcessesFrom Equation (3.104), it is easy to show that for a homogenous Poissonprocess, the probability of k occurrences of an event in a time interval (t1, t2)is given by[λ (t 2 − t1 )] k −λ (t2 −t1 )(3.105)eP [ k , (t1 , t 2 )] =k!A Poisson counting process X(t) is incremented by one every time the eventoccurs. From Equation (3.104), the mean and variance of a Poisson countingprocess X(t) areE [ X (t )] = λtrXX (t1 ,t 2 ) = E [X (t1 ) X (t 2 )] = λ 2 t1 t 2 +λ min(t1 ,t 2 )[]Var [ X (t )] = E X 2 (t ) −E 2 [X (t )]= λt(3.106)(3.107)(3.108)Note that the variance of a Poisson process is equal to its mean value.3.5.6 Shot NoiseShot noise happens when there is randomness in a directional flow ofparticles: as in the flow of electrons from the cathode to the anode of acathode ray tube, the flow of photons in a laser beam, the flow andrecombination of electrons and holes in semiconductors, and the flow ofphotoelectrons emitted in photodiodes.

Shot noise has the form of a randompulse sequence. The pulse sequence can be modelled as the response of alinear filter excited by a Poisson-distributed binary impulse input sequence(Figure 3.11). Consider a Poisson-distributed binary-valued impulse processx(t). Divide the time axis into uniform short intervals of ∆t such that onlyone occurrence of an impulse is possible within each time interval. Letx(m∆t) be “1” if an impulse is present in the interval m∆t to (m+1)∆t, and“0” otherwise. For x(m∆t), we haveE [x(mût )] = 1× P(x(mût ) = 1) + 0 × P(x(mût ) = 0) = λûWand(3.109)76Probability Modelsh(m)Figure 3.11 Shot noise is modelled as the output of a filter excited with a process.1 × P( x( mût ) = 1)= λûW ,E [x(mût ) x(nût )] = m=n21 × P( x( mût ) = 1)) × P (x ( nût ) = 1)= (λûW ) , m ≠ n(3.110)A shot noise process y(m) is defined as the output of a linear system with animpulse response h(t), excited by a Poisson-distributed binary impulse inputx(t):y (t ) ==∞∫ x(τ )h(t − τ )dτ−∞∞(3.111)∑ x(mût )h(t − mût )k = −∞where the binary signal x(m∆t) can assume a value of 0 or 1.

In Equation(3.111) it is assumed that the impulses happen at the beginning of eachinterval. This assumption becomes more valid as ∆t becomes smaller. Theexpectation of y(t) is obtained asE [ y ( t ) ]==∞∑ E [x ( mût ) ]h (t − mût )k = −∞∞(3.112)∑ λût h (t − mût )k =−∞andryy (t1 , t 2 ) = E [ y ( t1 ) y ( t 2 ) ]=∞∞∑ ∑ E [x ( mût ) x ( nût ) ]h (t1 − nût )h (t 2 − mût )m = −∞ n = −∞(3.113)77Some Useful Classes of Random ProcessesUsing Equation (3.110), the autocorrelation of y(t) can be obtained asr yy (t1 , t 2 ) =∞∞∞∑ (λ ût )h(t1 − mût )h(t 2 − mût ) + ∑ ∑ (λ ût ) 2 h(t1 − mût )h(t 2 − nût )m = −∞m = −∞ n = −∞n≠m(3.114)3.5.7 Poisson–Gaussian Model for Clutters and Impulsive NoiseAn impulsive noise process consists of a sequence of short-duration pulsesof random amplitude and random time of occurrence whose shape andduration depends on the characteristics of the channel through which theimpulse propagates.

A Poisson process can be used to model the randomtime of occurrence of impulsive noise, and a Gaussian process can be usedto model the random amplitude of the impulses. Finally, the finite durationcharacter of real impulsive noise may be modelled by the impulse responseof linear filter. The Poisson–Gaussian impulsive noise model is given byx ( m )=∞∑ Ak h(m − τ k )(3.115)k =−∞where h(m) is the response of a linear filter that models the shape ofimpulsive noise, Ak is a zero-mean Gaussian process of variance σ 2 and τk isa Poisson process.

The output of a filter excited by a Poisson-distributedsequence of Gaussian amplitude impulses can also be used to model cluttersin radar. Clutters are due to reflection of radar pulses from a multitude ofbackground surfaces and objects other than the radar target.3.5.8 Markov ProcessesA first-order discrete-time Markov process is defined as one in which thestate of the process at time m depends only on its state at time m–1 and isindependent of the process history before m–1. In probabilistic terms, a firstorder Markov process can be defined asf X (x(m) = x m x(m − 1) = x m−1 ,, x(m − N ) = x m− N )= f X (x(m) = x m x(m − 1) = x m−1 )(3.116)78Probability Modelsx(m)e(m)aFigure 3.12 A first order autoregressive (Markov) process.The marginal density of a Markov process at time m can be obtained byintegrating the conditional density over all values of x(m–1):f X ( x ( m) = x m ) =∞∫ f X (x(m) = xm x(m − 1) = xm−1 )) f X (x(m − 1) = xm−1 ) dxm−1−∞(3.117)A process in which the present state of the system depends on the past nstates may be described in terms of n first-order Markov processes and isknown as an nth order Markov process.

The term “Markov process” usuallyrefers to a first order process.Example 3.10 A simple example of a Markov process is a first-order autoregressive process (Figure 3.12) defined asx(m) = a x(m − 1) + e(m)(3.118)In Equation (3.118), x(m) depends on the previous value x(m–1) and theinput e(m). The conditional pdf of x(m) given the previous sample value canbe expressed asf X (x( m) x ( m − 1), ..., x( m − N ) ) = f X (x ( m) x ( m − 1) )= f E (e( m) = x ( m) −ax ( m − 1) )(3.119)where fE(e(m)) is the pdf of the input signal e(m). Assuming that input e(m)is a zero-mean Gaussian process with variance σ e2 , we have79Some Useful Classes of Random Processesa 00State 0a 03a 01a 30a33a 02a 13a 10a 31State 3State 1a 20a 32aa 11a 12a 2123State 2a 22Figure 3.13 A Markov chain model of a four-state discrete-time Markov process.f X (x(m) x( m − 1)..., x(m − N ) ) = f X (x( m) x( m − 1) )= f E (x(m) −ax(m − 1) )= 1(x(m) −ax(m − 1) )2 exp −22π σ e 2σ e1(3.120)When the input to a Markov model is a Gaussian process the output isknown as a Gauss–Markov process.3.5.9 Markov Chain ProcessesA discrete-time Markov process x(m) with N allowable states may bemodelled by a Markov chain of N states (Figure 3.13).

Each state can beassociated with one of the N values that x(m) may assume. In a Markovchain, the Markovian property is modelled by a set of state transitionprobabilities defined as80Probability Modelsaij ( m − 1,m) = Prob(x( m) = j x ( m − 1) = i )(3.121)where aij(m,m–1) is the probability that at time m–1 the process is in thestate i and then at time m it moves to state j.

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5173
Авторов
на СтудИзбе
437
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее