Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Power-Spectral Density"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Zufallsgrößen mit statistischen Bindungen
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|Untermenü=Random Variables with Statistical Dependence
|Vorherige Seite=Autokorrelationsfunktion (AKF)
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|Vorherige Seite=Auto-Correlation Function
|Nächste Seite=Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzleistungsdichte
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|Nächste Seite=Cross-Correlation Function and Cross Power Density
 
}}
 
}}
==Theorem von Wiener-Chintchine==
+
==Wiener-Khintchine Theorem==
 
<br>
 
<br>
Im Weiteren beschränken wir uns auf ergodische Prozesse. Wie im  [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Ergodische_Zufallsprozesse|letzten Kapitel]] gezeigt wurde, gelten dann die folgenden Aussagen:   
+
In the remainder of this paper we restrict ourselves to ergodic processes.&nbsp; As was shown in the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Ergodic_random_processes|"last chapter"]]&nbsp; the following statements then hold:   
*Jede einzelne Musterfunktion $x_i(t)$ ist repräsentativ für den gesamten Zufallsprozess $\{x_i(t)\}$.  
+
*Each individual pattern function&nbsp; $x_i(t)$&nbsp; is representative of the entire random process&nbsp; $\{x_i(t)\}$.  
*Alle Zeitmittelwerte sind somit identisch mit den dazugehörigen Scharmittelwerten.  
+
*All time means are thus identical to the corresponding coulter means.  
*Die Autokorrelationsfunktion, die allgemein von den beiden Zeitparametern $t_1$ und $t_2$ beeinflusst wird, hängt nur noch von der Zeitdifferenz $τ = t_2 t_1$ ab:  
+
*The auto-correlation function,&nbsp; which is generally affected by the two time parameters&nbsp; $t_1$&nbsp; and&nbsp; $t_2$,&nbsp; now depends only on the time difference&nbsp; $τ = t_2 - t_1$:  
:$$\varphi_x(t_1,t_2)={\rm E}[x(t_{\rm 1})\cdot x(t_{\rm 2})] = \varphi_x(\tau)= \int^{+\infty}_{-\infty}x(t)\cdot x(t+\tau)\,{\rm d}t.$$
+
:$$\varphi_x(t_1,t_2)={\rm E}\big[x(t_{\rm 1})\cdot x(t_{\rm 2})\big] = \varphi_x(\tau)= \int^{+\infty}_{-\infty}x(t)\cdot x(t+\tau)\,{\rm d}t.$$
  
Die Autokorrelationsfunktion liefert quantitative Aussagen über die (linearen) statistischen Bindungen innerhalb des ergodischen Prozesses $\{x_i(t)\}$ im Zeitbereich. Die äquivalente Beschreibungsgröße im Frequenzbereich ist die ''spektrale Leistungsdichte,'' häufig auch als &bdquo;Leistungsdichtespektrum&rdquo; bezeichnet.  
+
The auto-correlation function provides quantitative information about the&nbsp; (linear)&nbsp; statistical bindings within the ergodic process&nbsp; $\{x_i(t)\}$&nbsp; in the time domain.&nbsp; The equivalent descriptor in the frequency domain is the&nbsp; "power-spectral density",&nbsp; often also referred to as the&nbsp; "power-spectral density".  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Definition:}$&nbsp; Das '''Leistungsdichtespektrum''' (LDS) eines ergodischen Zufallsprozesses $\{x_i(t)\}$ ist die Fouriertransformierte der Autokorrelationsfunktion (AKF):  
+
$\text{Definition:}$&nbsp; The&nbsp; &raquo;'''power-spectral density'''&laquo;&nbsp; $\rm (PSD)$&nbsp; of an ergodic random process&nbsp; $\{x_i(t)\}$&nbsp; is the Fourier transform of the auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$:  
$${\it \Phi}_x(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_x(\tau) \cdot {\rm e}^{- {\rm j\pi} f \tau} {\rm d} \tau. $$
+
:$${\it \Phi}_x(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_x(\tau) \cdot {\rm e}^{- {\rm j\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\tau} {\rm d} \tau. $$
Diesen Funktionalzusammenhang nennt man das Theorem von [https://de.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener Wiener] und [https://de.wikipedia.org/wiki/Alexander_Jakowlewitsch_Chintschin Chintchine]. }}
+
This functional relationship is called the&nbsp; "Theorem of&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener $\text{Wiener}$]&nbsp; and&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Aleksandr_Khinchin $\text{Khinchin}$]". }}
  
  
Ebenso kann die AKF als Fourierrücktransformierte des LDS berechnet werden (siehe Seite  [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|Fourierrücktransformation]] im Buch &bdquo;Signaldarstellung&rdquo;):  
+
Similarly,&nbsp; the auto-correlation function can be computed as the inverse Fourier transform of the power-spectral density&nbsp; (see section&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_second_Fourier_integral|"Inverse Fourier transform"]]&nbsp; in the book&nbsp; "Signal Representation"):  
:$$ \varphi_x(\tau)=\int^{+\infty}_{-\infty} {\it \Phi}_x \cdot {\rm e}^{{\rm j\pi} f \tau} {\rm d} f.$$
+
:$$ \varphi_x(\tau)=\int^{+\infty}_{-\infty} {\it \Phi}_x \cdot {\rm e}^{- {\rm j\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\tau} {\rm d} f.$$
*Die beiden Gleichungen sind nur dann direkt anwendbar, wenn der Zufallsprozess weder einen Gleichanteil noch periodische Anteile beinhaltet.  
+
*The two equations are directly applicable only if the random process contains neither a DC component nor periodic components.  
*Andernfalls muss man nach den Angaben entsprechend der Seite [[Stochastische_Signaltheorie/Leistungsdichtespektrum_(LDS)#Leistungsdichtespektrum_mit_Gleichsignalkomponente|Spektrale Leistungsdichte mit Gleichsignalkomponente]] vorgehen.  
+
*Otherwise,&nbsp; one must proceed according to the specifications given in section&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Power-Spectral_Density#Power-spectral_density_with_DC_component|"Power-spectral density with DC component"]].
  
==Physikalische Interpretation und Messung==
+
==Physical interpretation and measurement==
 
<br>
 
<br>
Das folgende Bild zeigt eine Anordnung zur (näherungsweisen) messtechnischen Bestimmung des Leistungsdichtespektrums ${\it \Phi}_x(f)$.
+
The lower chart shows an arrangement for&nbsp; (approximate)&nbsp; metrological determination of the power-spectral density&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$.&nbsp; The following should be noted in this regard:  
 
+
*The random signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is applied to a&nbsp; (preferably)&nbsp; rectangular and&nbsp; (preferably)&nbsp; narrowband filter with center frequency&nbsp; $f$&nbsp; and bandwidth&nbsp; $Δf$&nbsp; where&nbsp; $Δf$&nbsp; must be chosen sufficiently small according to the desired frequency resolution.  
[[File: P_ID387__Sto_T_4_5_S2_neu.png |center|frame| Zur Messung des Leistungsdichtespektrums]]
+
*The corresponding output signal&nbsp; $x_f(t)$&nbsp; is squared and then the mean value is formed over a sufficiently long measurement period&nbsp; $T_{\rm M}$.&nbsp; This gives the&nbsp; "power of&nbsp; $x_f(t)$"&nbsp; or the&nbsp; "power components of&nbsp; $x(t)$&nbsp; in the spectral range from&nbsp; $f - Δf/2$&nbsp; to&nbsp; $f + Δf/2$":
 
+
[[File: P_ID387__Sto_T_4_5_S2_neu.png |right|frame| To measure the power-spectral density]]
Hierzu ist folgendes anzumerken:  
+
:$$P_{x_f} =\overline{x_f(t)^2}=\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}}_{0}x_f^2(t) \hspace{0.1cm}\rm d \it t.$$
*Das Zufallssignal $x(t)$ wird auf ein (möglichst) rechteckförmiges und (möglichst) schmalbandiges Filter mit Mittenfrequenz $f$ und Bandbreite $Δf$ gegeben, wobei $Δf$ entsprechend der gewünschten Frequenzauflösung hinreichend klein gewählt werden muss.  
+
*Division by&nbsp; $Δf$&nbsp; leads to the power-spectral density&nbsp; $\rm (PSD)$:  
*Das entsprechende Ausgangssignal $x_f(t)$ wird quadriert und anschließend der Mittelwert über eine hinreichend lange Messdauer $T_{\rm M}$ gebildet. Damit erhält man die Leistung von $x_f(t)$ bzw. die Leistungsanteile von $x(t)$ im Spektralbereich von $f - Δf/2$ bis $f + Δf/2$:
+
:$${{\it \Phi}_{x \rm +}}(f)  =\frac{P_{x_f}}{{\rm \Delta} f} \hspace {0.5cm} \Rightarrow \hspace {0.5cm} {\it \Phi}_{x}(f) = \frac{P_{x_f}}{{\rm 2 \cdot \Delta} f}.$$
:$$P_{x_f} =\overline{x_f(t)^2}=\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}}_{0}x_f(t)^2 \hspace{0.1cm}\rm d \it t.$$
+
*${\it \Phi}_{x+}(f) = 2 \cdot {\it \Phi}_x(f)$&nbsp; denotes&nbsp;the one-sided PSD defined only for positive frequencies. &nbsp; For&nbsp; $f<0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\it \Phi}_{x+}(f) = 0$.&nbsp; In contrast,&nbsp; for the commonly used two-sided power-spectral density:
*Die Division durch $Δf$ führt von der spektralen Leistung zur spektralen Leistungsdichte:  
+
:$${\it \Phi}_x(-f) = {\it \Phi}_x(f).$$
:$${{\it \Phi}_{x \rm +}}(f)  =\frac{P_{x_f}}{{\rm \Delta} f} \hspace {0.5cm} {\rm bzw.} \hspace {0.5cm} {\it \Phi}_{x}(f) = \frac{P_{x_f}}{{\rm 2 \cdot \Delta} f}.$$
+
*While the power&nbsp; $P_{x_f}$&nbsp; tends to zero as the bandwidth&nbsp; $Δf$&nbsp; becomes smaller,&nbsp; the power-spectral density remains nearly constant above a sufficiently small value of&nbsp; $Δf$.&nbsp; For the exact determination of&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$&nbsp; two boundary crossings are necessary:
:Hierbei bezeichnet ${\it \Phi}_{x+}(f) = 2 · {\it \Phi}_x(f)$ das einseitige, nur für positive Frequenzen definierte LDS. Für negative Frequenzen ist ${\it \Phi}_{x+}(f) = 0$. Im Gegensatz dazu gilt für das üblicherweise verwendete zweiseitige LDS: &nbsp; ${\it \Phi}_x(–f) = {\it \Phi}_x(f)$.
 
*Während die Leistung $P_{x_f}$ mit kleiner werdender Bandbreite $Δf$ gegen Null tendiert, bleibt die spektrale Leistungsdichte ab einem hinreichend kleinen Wert von $Δf$ nahezu konstant. Für die exakte Bestimmung von ${\it \Phi}_x(f)$ sind zwei Grenzübergänge notwendig:
 
 
:$${{\it \Phi}_x(f)} = \lim_{{\rm \Delta}f\to 0} \hspace{0.2cm} \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\hspace{0.2cm} \frac{1}{{\rm 2 \cdot \Delta}f\cdot T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}}_{0}x_f^2(t) \hspace{0.1cm} \rm d \it t.$$
 
:$${{\it \Phi}_x(f)} = \lim_{{\rm \Delta}f\to 0} \hspace{0.2cm} \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\hspace{0.2cm} \frac{1}{{\rm 2 \cdot \Delta}f\cdot T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}}_{0}x_f^2(t) \hspace{0.1cm} \rm d \it t.$$
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp; Aus dieser physikalischen Interpretation folgt weiter, dass das Leistungsdichtespektrum stets reell ist und nie negativ werden kann. Die gesamte Signalleistung von $x(t)$ erhält man dann durch Integration über alle Spektralanteile:  
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;  
 +
*From this physical interpretation it further follows that the power-spectral density is always real and can never become negative. &nbsp;
 +
*The total power of the random signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is then obtained by integration over all spectral components:  
 
:$$P_x = \int^{\infty}_{0}{\it \Phi}_{x \rm +}(f) \hspace{0.1cm}{\rm d} f = \int^{+\infty}_{-\infty}{\it \Phi}_x(f)\hspace{0.1cm} {\rm d} f .$$}}
 
:$$P_x = \int^{\infty}_{0}{\it \Phi}_{x \rm +}(f) \hspace{0.1cm}{\rm d} f = \int^{+\infty}_{-\infty}{\it \Phi}_x(f)\hspace{0.1cm} {\rm d} f .$$}}
  
==Reziprozitätsgesetz von AKF-Zeitdauer und LDS-Bandbreite==
+
==Reciprocity law of ACF duration and PSD bandwidth==
 
<br>
 
<br>
Alle  im  Buch „Signaldarstellung” für deterministische Signale hergeleiteten [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation|Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation]] können auch auf die
+
All the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws|$\text{Fourier transform theorems}$]]&nbsp; derived in the book&nbsp; "Signal Representation"&nbsp; for deterministic signals can also be applied to
[[File:P_ID390__Sto_T_4_5_S3_Ganz_neu.png |frame| Zum Reziprozitätsgesetz von AKF und LDS]] ''Autokorrelationsfunktion'' (AKF) und das ''Leistungsdichtespektrum'' (LDS) eines Zufallsprozesses angewendet werden. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften
+
[[File:P_ID390__Sto_T_4_5_S3_Ganz_neu.png |frame| On the&nbsp; "Reciprocity Theorem"&nbsp; of ACF and PSD]]
*von Autokorrelationsfunktion (stets reell und gerade) und
 
*Leistungsdichtespektrum (stets reell, gerade und nicht-negativ)
 
 
 
  
liefern allerdings nicht alle Gesetze sinnvolle Ergebnisse.  
+
*the&nbsp; auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$,&nbsp; and
 +
*the&nbsp; power-spectral density&nbsp; $\rm (PSD)$.&nbsp;
 +
<br>However,&nbsp; not all laws yield meaningful results due to the specific properties
 +
*of auto-correlation function&nbsp; (always real and even)
 +
*and power-spectral density&nbsp; (always real, even, and non&ndash;negative).
 +
  
 +
We now consider as in the section&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Interpretation_of_the_auto-correlation_function|"Interpretation of the auto-correlation function"]]&nbsp; two different ergodic random processes&nbsp; $\{x_i(t)\}$&nbsp; and&nbsp; $\{y_i(t)\}$&nbsp; based on
 +
#two pattern signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; upper sketch,
 +
#two auto-correlation functions&nbsp; $φ_x(τ)$&nbsp; and&nbsp; $φ_y(τ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; middle sketch,
 +
#two power-spectral densities&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$&nbsp; and&nbsp; ${\it \Phi}_y(f)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; bottom sketch.
  
Wir betrachten nun wie im Abschnitt [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Interpretation_der_Autokorrelationsfunktion|Interpretation der Autokorrelationsfunktion]] zwei unterschiedliche ergodische Zufallsprozesse $\{x_i(t)\}$ und $\{y_i(t)\}$ anhand
 
*der beiden Mustersignale $x(t)$ bzw. $y(t)$  &nbsp; ⇒  &nbsp; obere Skizze,
 
*der beiden Autokorrelationsfunktionen $φ_x(τ)$ bzw. $φ_y(τ)$  &nbsp; ⇒  &nbsp;  mittlere Skizze,
 
*der beiden Leistungsdichtespektren ${\it \Phi}_x(f)$ bzw. ${\it \Phi}_y(f)$ &nbsp; ⇒  &nbsp;  untere Skizze.
 
  
 
+
Based on these exemplary graphs,&nbsp; the following statements can be made:  
Anhand dieser Grafiken sind folgende Aussagen möglich:  
+
*The areas under the PSD curves are equal &nbsp; ⇒ &nbsp; the processes&nbsp; $\{x_i(t)\}$&nbsp; and&nbsp; $\{y_i(t)\}$&nbsp; have the same power:  
*Die Flächen unter den LDS-Kurven sind gleich  &nbsp; ⇒ &nbsp; die Prozesse $\{x_i(t)\}$ und $\{y_i(t)\}$ besitzen gleiche Leistung:  
 
 
:$${\varphi_x({\rm 0})}\hspace{0.05cm}  =\hspace{0.05cm} \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}{\varphi_y({\rm 0})} = \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_y(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f .$$
 
:$${\varphi_x({\rm 0})}\hspace{0.05cm}  =\hspace{0.05cm} \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}{\varphi_y({\rm 0})} = \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_y(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f .$$
*Das aus der klassischen (deterministischen) Systemtheorie bekannte [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|Reziprozitätsgesetz von Zeitdauer und Bandbreite]] gilt hier ebenfalls: &nbsp; Eine schmale Autokorrelationsfunktion entspricht einem breiten Leistungsdichtespektrum und umgekehrt.  
+
*The from classical&nbsp; (deterministic)&nbsp; system theory well known &nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Reciprocity_Theorem_of_time_duration_and_bandwidth|$\text{Reciprocity Theorem of time duration and bandwidth}$]]&nbsp; also applies here: &nbsp; '''A narrow ACF corresponds to a broad PSD and vice versa'''.  
*Als Beschreibungsgröße verwenden wir hier die äquivalente LDS-Bandbreite $∇f$ (man spricht ''Nabla-f''), ähnlich definiert wie die äquivalente AKF-Dauer $∇τ$ im Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Interpretation_der_Autokorrelationsfunktion|Interpretation der Autokorrelationsfunktion]]:  
+
*As a descriptive quantity,&nbsp; we use here the&nbsp; &raquo;'''equivalent PSD bandwidth'''&laquo; &nbsp; $∇f$&nbsp; $($one speaks&nbsp; "Nabla-f"$)$,&nbsp; <br>similarly defined as the equivalent ACF duration&nbsp;  $∇τ$&nbsp; in chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Interpretation_of_the_auto-correlation_function|"Interpretation of the auto-correlation function"]]:  
:$${{\rm \nabla} f_x} = \frac {1}{{\it \Phi}_x(f = {\rm 0})} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f, \hspace{0.5cm}{ {\rm \nabla} \tau_x} = \frac {\rm 1}{ \varphi_x(\tau = \rm 0)} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{\varphi_x(\tau )} \hspace{0.1cm} {\rm d} \tau.$$
+
:$${{\rm \nabla} f_x} = \frac {1}{{\it \Phi}_x(f = {\rm 0})} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f, $$
*Mit diesen Definitionen gilt der folgende grundlegende Zusammenhang:  
+
:$${ {\rm \nabla} \tau_x} = \frac {\rm 1}{ \varphi_x(\tau = \rm 0)} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{\varphi_x(\tau )} \hspace{0.1cm} {\rm d} \tau.$$
:$${{\rm \nabla} \tau_x} \cdot {{\rm \nabla} f_x} = 1\hspace{1cm}{\rm bzw.}\hspace{1cm}
+
*With these definitions,&nbsp; the following basic relationship holds:  
 +
:$${{\rm \nabla} \tau_x} \cdot {{\rm \nabla} f_x} = 1\hspace{1cm}{\rm resp.}\hspace{1cm}
 
{{\rm \nabla} \tau_y} \cdot {{\rm \nabla} f_y} = 1.$$
 
{{\rm \nabla} \tau_y} \cdot {{\rm \nabla} f_y} = 1.$$
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Wir gehen von der obigen Grafik aus:  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; We start from the graph at the top of this section:  
*Die Kenngrößen des höherfrequenten Signals $x(t)$ sind $∇τ_x = 0.33\hspace{0.08cm} \rm &micro;s$ &nbsp;und&nbsp; $∇f_x = 3 \hspace{0.08cm} \rm MHz$.  
+
*The characteristics of the higher frequency signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; are&nbsp; $∇τ_x = 0.33\hspace{0.08cm} \rm &micro;s$&nbsp; &nbsp;and&nbsp; $∇f_x = 3 \hspace{0.08cm} \rm MHz$.  
*Die äquivalente AKF-Dauer des Signals $y(t)$ ist dreimal so groß: &nbsp; $∇τ_y = 1 \hspace{0.08cm} \rm &micro;s$.  
+
*The equivalent ACF duration of the signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; is three times: &nbsp; $∇τ_y = 1 \hspace{0.08cm} \rm &micro;s$.  
*Die äquivalente LDS-Bandbreite beträgt somit nur mehr $∇f_y = ∇f_x/3 = 1 \hspace{0.08cm} \rm MHz$. }}
+
*The equivalent PSD bandwidth  of the signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; is thus only&nbsp; $∇f_y = ∇f_x/3 = 1 \hspace{0.08cm} \rm MHz$. }}
  
  
{{BlaueBox|TEXT=
+
{{BlaueBox|TEXT=  
$\text{Allgemein gilt:}$&nbsp;  
+
$\text{General:}$&nbsp;  
Das Produkt aus äquivalenter AKF-Dauer ${ {\rm \nabla} \tau_x}$ und äquivalenter LDS-Bandbreite $ { {\rm \nabla} f_x}$ ist gleich $1$:  
+
'''The product of equivalent ACF duration&nbsp; ${ {\rm \nabla} \tau_x}$&nbsp; and equivalent PSD bandwidth&nbsp; $ { {\rm \nabla} f_x}$&nbsp; is always "one"''':  
:$${ {\rm \nabla} \tau_x} \cdot { {\rm \nabla} f_x} = 1.$$}}
+
:$${ {\rm \nabla} \tau_x} \cdot { {\rm \nabla} f_x} = 1.$$}}
  
  
{{BlaueBox|TEXT=
+
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Beweis:}$&nbsp; Entsprechend den obigen Definitionen gilt:
+
$\text{Proof:}$&nbsp; According to the above definitions:
:$${ {\rm \nabla} \tau_x} = \frac {\rm 1}{ \varphi_x(\tau = \rm 0)} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{ \varphi_x(\tau )} \hspace{0.1cm} {\rm d} \tau = \frac { {\it \Phi}_x(f = {\rm 0)} }{ \varphi_x(\tau = \rm 0)},$$
+
:$${ {\rm \nabla} \tau_x} = \frac {\rm 1}{ \varphi_x(\tau = \rm 0)} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{ \varphi_x(\tau )} \hspace{0.1cm} {\rm d} \tau = \frac { {\it \Phi}_x(f = {\rm 0)} }{ \varphi_x(\tau = \rm 0)},$$
:$${ {\rm \nabla} f_x} = \frac {1}{ {\it \Phi}_x(f = {\rm0})} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{ {\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f = \frac {\varphi_x(\tau = {\rm 0)} }{ {\it \Phi}_x(f = \rm 0)}.$$
+
:$${ {\rm \nabla} f_x} = \frac {1}{ {\it \Phi}_x(f = {\rm0})} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{ {\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f = \frac {\varphi_x(\tau = {\rm 0)} }{ {\it \Phi}_x(f = \rm 0)}.$$
  
Das Produkt ist somit gleich $1$: }}
+
Thus,&nbsp; the product is equal to&nbsp; $1$.
 +
<div align="right">'''q.e.d.'''</div> }}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp;   
+
$\text{Example 2:}$&nbsp;   
Ein Grenzfall des Reziprozitätsgesetzes stellt das so genannte '''Weiße Rauschen''' dar:  
+
A limiting case of the reciprocity theorem represents the so-called&nbsp; "White Noise":  
*Dieses beinhaltet alle Spektralanteile (bis ins Unendliche).
+
*This includes all spectral components&nbsp; (up to infinity).
*Die äquivalente LDS-Bandbreite $∇f$ ist unendlich groß.  
+
*The equivalent PSD bandwidth&nbsp; $∇f$&nbsp; is infinite.  
  
  
Das hier angegebene Gesetz besagt, dass damit für die äquivalente AKF-Dauer $∇τ = 0$ gelten muss &nbsp; &rArr; &nbsp; das  weiße Rauschen besitzt eine diracförmige AKF.  
+
The theorem given here states that for the equivalent ACF duration&nbsp; $∇τ = 0$&nbsp; must hold &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;'''white noise has a Dirac-shaped ACF'''&laquo;.  
  
Mehr zu dieser Thematik finden Sie im dreiteiligen Lernvideo [[Der_AWGN-Kanal_(Lernvideo)|Der AWGN-Kanal]], insbesondere im zweiten Teil.}}  
+
For more on this topic, see the three-part&nbsp; (German language)&nbsp; learning video&nbsp; [[Der_AWGN-Kanal_(Lernvideo)|"The AWGN channel"]],&nbsp; especially the second part.}}  
  
  
==Leistungsdichtespektrum mit Gleichsignalkomponente==
+
==Power-spectral density with DC component==
 
<br>
 
<br>
Wir gehen zunächst von einem gleichsignalfreien Zufallsprozess $\{x_i(t)\}$ aus. Weiterhin setzen wir voraus, dass der Prozess auch keine periodischen Anteile beinhaltet.  
+
We assume a DC&ndash;free random process&nbsp; $\{x_i(t)\}$.&nbsp; Further,&nbsp; we assume that the process also contains no periodic components.&nbsp; Then holds:  
 
+
*The auto-correlation function&nbsp; $φ_x(τ)$ vanishes&nbsp; for&nbsp; $τ → ∞$.  
Dann gilt:  
+
*The power-spectral density&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$ &nbsp;&ndash;&nbsp; computable as the Fourier transform of&nbsp; $φ_x(τ)$&nbsp; &ndash;&nbsp; is both continuous in value and continuous in time,&nbsp; i.e.,&nbsp; without discrete components.  
*Die Autokorrelationsfunktion $φ_x(τ)$ verschwindet für $τ → ∞$.  
 
*Das Leistungsdichtespektrum ${\it \Phi}_x(f)$ – berechenbar als die Fouriertransformierte von $φ_x(τ)$ – ist sowohl wert– als auch zeitkontinuierlich, also ohne diskrete Anteile.  
 
  
  
Wir betrachten nun einen zweiten Zufallsprozess $\{y_i(t)\}$, der sich vom Prozess $\{x_i(t)\}$ lediglich durch eine zusätzliche Gleichsignalkomponente $m_y$ unterscheidet:  
+
We now consider a second random process&nbsp; $\{y_i(t)\}$,&nbsp; which differs from the process&nbsp; $\{x_i(t)\}$&nbsp; only by an additional DC component&nbsp; $m_y$:  
:$$\left\{ y_i (t) \right\} = \left\{ x_i (t) + m_y \right\}.$$
+
:$$\left\{ y_i (t) \right\} = \left\{ x_i (t) + m_y \right\}.$$
  
Die statistischen Beschreibungsgrößen des mittelwertbehafteten Zufallsprozesses $\{y_i(t)\}$ weisen dann folgende Eigenschaften auf:  
+
The statistical descriptors of the mean-valued random process&nbsp; $\{y_i(t)\}$&nbsp; then have the following properties:  
*Der Grenzwert der AKF für $τ → ∞$ ist nun nicht mehr Null, sondern $m_y^2$. Im gesamten $τ$-Bereich von $–∞$ bis $+∞$ ist die AKF $φ_y(τ)$ um $m_y^2$ größer als $φ_x(τ)$:
+
*The limit of the ACF for&nbsp; $τ → ∞$&nbsp; is now no longer zero,&nbsp; but&nbsp; $m_y^2$. &nbsp; Throughout the&nbsp; $&ndash;range from&nbsp; $-$&nbsp; to&nbsp; $+∞$&nbsp; the ACF&nbsp; $φ_y(τ)$&nbsp; is larger than&nbsp; $φ_x(τ)$&nbsp; by&nbsp; $m_y^2$:
 
:$${\varphi_y ( \tau)} = {\varphi_x ( \tau)} + m_y^2 . $$
 
:$${\varphi_y ( \tau)} = {\varphi_x ( \tau)} + m_y^2 . $$
*Nach den elementaren Gesetzen der Fouriertransformation führt der konstante AKF-Beitrag im LDS zu einer Diracfunktion $δ(f)$ mit dem Gewicht $m_y^2$:
+
*According to the elementary laws of the Fourier transform,&nbsp; the constant ACF contribution in the PSD leads to a Dirac delta function&nbsp; $δ(f)$&nbsp; with weight&nbsp; $m_y^2$:
:$${{\it \Phi}_y ( f)} = {\Phi_x ( f)} + m_y^2 \cdot \delta (f). $$
+
:$${{\it \Phi}_y ( f)} = {\Phi_x ( f)} + m_y^2 \cdot \delta (f). $$
  
*Nähere Informationen zur Diracfunktion finden Sie im Kapitel [[Signaldarstellung/Allgemeine_Beschreibung/Gleichsignal_-_Grenzfall_eines_periodischen_Signals|Gleichsignal - Grenzfall eines periodischen Signals]]  des Buches „Signaldarstellung”.
+
*More information about the&nbsp; $\delta$&ndash;function can be found in the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal|"Direct current signal - Limit case of a periodic signal"]]&nbsp; of the book "Signal Representation".&nbsp;  Furthermore,&nbsp; we would like to refer you here to the&nbsp; (German language)&nbsp; learning video&nbsp; [[Herleitung_und_Visualisierung_der_Diracfunktion_(Lernvideo)|"Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Derivation and visualization of the Dirac delta function".
*Weiterhin möchten wir Sie auf das Lernvideo [[Herleitung_und_Visualisierung_der_Diracfunktion_(Lernvideo)|Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion]] hinweisen.
 
  
==Numerische LDS-Ermittlung==
+
==Numerical PSD determination==
 
<br>
 
<br>
Autokorrelationsfunktion und Leistungsdichtespektrum sind über die [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Fouriertransformation|Fouriertransformation]] streng miteinander verknüpft. Dieser Zusammenhang gilt auch bei zeitdiskreter AKF-Darstellung mit dem Abtastoperator ${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \} $, also für
+
Auto-correlation function and power-spectral density are strictly related via the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#Fourier_transform|$\text{Fourier transform}$]].&nbsp; This relationship also holds for discrete-time ACF representation with the sampling operator&nbsp; ${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \} $,&nbsp; thus for
 
:$${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \} = \varphi_x ( \tau ) \cdot \sum_{k= - \infty}^{\infty} T_{\rm A} \cdot \delta ( \tau - k \cdot T_{\rm A}).$$
 
:$${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \} = \varphi_x ( \tau ) \cdot \sum_{k= - \infty}^{\infty} T_{\rm A} \cdot \delta ( \tau - k \cdot T_{\rm A}).$$
  
Der Übergang vom Zeit&ndash; in den Spektralbereich kann mit folgenden Schritten hergeleitet werden:  
+
The transition from the time domain to the spectral domain can be derived with the following steps:  
*Der Abstand $T_{\rm A}$ zweier Abtastwerte ist durch die absolute Bandbreite $B_x$ (maximal auftretende Frequenz innerhalb des Prozesses) über das Abtasttheorem festgelegt:  
+
*The distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; of two samples is determined by the absolute bandwidth&nbsp; $B_x$&nbsp; $($maximum occurring frequency within the process$)$&nbsp; via the sampling theorem:  
 
:$$T_{\rm A}\le\frac{1}{2B_x}.$$
 
:$$T_{\rm A}\le\frac{1}{2B_x}.$$
*Die Fouriertransformierte der zeitdiskreten (abgetasteten) AKF ergibt ein mit ${\rm 1}/T_{\rm A}$ periodisches LDS:  
+
*The Fourier transform of the discrete-time&nbsp; (sampled)&nbsp; auto-correlation function yields an with&nbsp; ${\rm 1}/T_{\rm A}$&nbsp; periodic power-spectral density:  
 
:$${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \}  \hspace{0.3cm} \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.3cm} {\rm P} \{{{\it \Phi}_x} ( f) \} = \sum_{\mu = - \infty}^{\infty} {{\it \Phi}_x} ( f - \frac {\mu}{T_{\rm A}}).$$
 
:$${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \}  \hspace{0.3cm} \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.3cm} {\rm P} \{{{\it \Phi}_x} ( f) \} = \sum_{\mu = - \infty}^{\infty} {{\it \Phi}_x} ( f - \frac {\mu}{T_{\rm A}}).$$
  
{{BlaueBox|TEXT=
+
{{BlaueBox|TEXT=  
$\text{Fazit:}$&nbsp; Da sowohl $φ_x(τ)$ als auch ${\it \Phi}_x(f)$ gerade und reelle Funktionen sind, gilt der Zusammenhang:
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; Since both&nbsp; $φ_x(τ)$&nbsp; and&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$&nbsp; are even and real functions,&nbsp; the following relation holds:
:$${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \} = T_{\rm A} \cdot \varphi_x ( k = 0) +2 T_{\rm A} \cdot \sum_{k = 1}^{\infty} \varphi_x ( k T_{\rm A}) \cdot {\rm cos}(2{\rm \pi} k T_{\rm A}).$$  
+
:$${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \} = T_{\rm A} \cdot \varphi_x ( k = 0) +2 T_{\rm A} \cdot \sum_{k = 1}^{\infty} \varphi_x ( k T_{\rm A}) \cdot {\rm cos}(2{\rm \pi} f k T_{\rm A}).$$  
*Das Leistungsdichtespektrum (LDS) des zeitkontinuierlichen Prozesses erhält man aus ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$ durch Bandbegrenzung auf den Frequenzbereich $\vert f \vert ≤ 1/(2T_{\rm A})$.  
+
*The power-spectral density&nbsp; $\rm (PSD)$&nbsp; of the continuous-time process is obtained from&nbsp; ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$&nbsp; by bandlimiting to the range&nbsp; $\vert f \vert ≤ 1/(2T_{\rm A})$.  
*Im Zeitbereich bedeutet diese Operation eine Interpolation der einzelnen AKF-Abtastwerte mit der ${\rm si}$&ndash;Funktion, wobei ${\rm si}(x)$ für $\sin(x)/x$ steht. }}
+
*In the time domain,&nbsp; this operation means interpolating the individual ACF samples with the&nbsp; ${\rm sinc}$ function, where&nbsp; ${\rm sinc}(x)$&nbsp; stands for&nbsp; $\sin(\pi x)/(\pi x)$.}}
 +
 
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp; A Gaussian ACF&nbsp; $φ_x(τ)$&nbsp; is sampled at distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; where the sampling theorem is satisfied:
 +
[[File:EN_Sto_T_4_5_S5.png |right|frame| Discrete-time auto-correlation function,&nbsp; periodically continued power-spectral density]]
 +
*The Fourier transform of the discrete-time ACF &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm A} \{φ_x(τ) \}$&nbsp; be the periodically continued PSD &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$.&nbsp;
  
 +
 +
*This with&nbsp; ${\rm 1}/T_{\rm A}$&nbsp; periodic function&nbsp; ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$&nbsp; is accordingly infinitely extended&nbsp; (red curve).
  
[[File:P_ID425__Sto_T_4_5_S5_neu.png |right|frame| Zeitdiskrete AKF und periodisch fortgesetztes LDS]]
+
   
{{GraueBox|TEXT=  
+
*The PSD&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$&nbsp; of the continuous-time process&nbsp; $\{x_i(t)\}$&nbsp; is obtained by band-limiting to the frequency range&nbsp; $\vert f \cdot T_{\rm A} \vert ≤ 0.5$,&nbsp; highlighted in blue in the figure. }}
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Eine gaußförmige AKF $φ_x(τ)$ wird im Abstand $T_{\rm A}$ abgetastet, wobei das Abtasttheorem erfüllt ist:
 
*Die Fouriertransformierte der zeitdiskreten AKF ${\rm A} \{φ_x(τ) \}$ sei ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$. Diese mit ${\rm 1}/T_{\rm A}$ periodische Funktion  ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$ ist dementsprechend unendlich weit ausgedehnt ( roter Kurvenzug ).
 
*Das LDS ${\it \Phi}_x(f)$ des zeitkontinuierlichen Prozesses $\{x_i(t)\}$ erhält man durch Bandbegrenzung auf den im Bild blau hinterlegten Frequenzbereich $\vert f · T_{\rm A} \vert ≤ 0.5$. }}
 
  
==Genauigkeit der numerischen LDS-Berechnung==
+
==Accuracy of the numerical PSD calculation==
 
<br>
 
<br>
Für die nachfolgende Analyse gehen wir von folgenden Annahmen aus:  
+
For the following analysis,&nbsp; we make the following assumptions:  
*Die zeitdiskrete AKF $φ_x(k · T_{\rm A})$ wurde aus $N$ Abtastwerten numerisch ermittelt. Wie bereits auf der Seite [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Genauigkeit_der_numerischen_AKF-Berechnung_.281.29|Genauigkeit der numerischen AKF-Berechnung]] gezeigt wurde, sind diese Werte fehlerhaft und die Fehler korreliert, wenn $N$ zu klein gewählt wurde.
+
#The discrete-time ACF&nbsp; $φ_x(k \cdot T_{\rm A})$&nbsp; was determined numerically from&nbsp; $N$&nbsp; samples. &nbsp;
*Zur Berechnung des periodischen Leistungsdichtespektrums (LDS) verwenden wir nur die AKF-Werte $φ_x(0)$, ... , $φ_x(K · T_{\rm A})$:  
+
#As already shown in section&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Accuracy_of_the_numerical_ACF_calculation|"Accuracy of the numerical ACF calculation"]],&nbsp; these values are in error and the errors are correlated if&nbsp; $N$&nbsp; was chosen too small.
:$${\rm P} \{{{\it \Phi}_x} ( f) \} = T_{\rm A} \cdot \varphi_x ( k = 0) +2 T_{\rm A} \cdot  \sum_{k = 1}^{K} \varphi_x  ( k T_{\rm A})\cdot {\rm cos}(2{\rm \pi} k T_{\rm A}).$$
+
#To calculate the periodic power-spectral density&nbsp; $\rm (PSD)$,&nbsp; we use only the ACF values&nbsp; $φ_x(0)$, ... , $φ_x(K \cdot T_{\rm A})$:  
 +
::$${\rm P} \{{{\it \Phi}_x} ( f) \} = T_{\rm A} \cdot \varphi_x ( k = 0) +2 T_{\rm A} \cdot  \sum_{k = 1}^{K} \varphi_x  ( k T_{\rm A})\cdot {\rm cos}(2{\rm \pi} f k T_{\rm A}).$$
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;  
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;  
Die Genauigkeit der LDS-Berechnung wird im starken Maße durch den Parameter $K$ bestimmt:   
+
The accuracy of the power-spectral density calculation is determined to a strong extent by the parameter&nbsp; $K$:   
*Ist $K$ zu klein gewählt, so werden die eigrntlich vorhandenen AKF-Werte $φ_x(k · T_{\rm A})$ mit $k > K$ nicht berücksichtigt.  
+
*If&nbsp; $K$&nbsp; is chosen too small,&nbsp; the ACF values actually present&nbsp; $φ_x(k - T_{\rm A})$&nbsp; with&nbsp; $k > K$&nbsp; will not be taken into account.  
*Bei zu großem $K$ werden auch solche AKF-Werte berücksichtigt, die eigentlich Null sein sollten und nur wegen der numerischen AKF-Berechnung endlich sind.  
+
*If&nbsp; $K$&nbsp; is too large,&nbsp; also such ACF values are considered,&nbsp; which should actually be zero and are finite only because of the numerical ACF calculation.  
*Diese Werte sind allerdings – bedingt durch ein zu kleines $N$ bei der AKF–Ermittlung – nur Fehler, und beinträchtigen die LDS-Berechnung mehr als dass sie einen brauchbaren Beitrag zum Ergebnis liefern. }}
+
*These values are only errors&nbsp; $($due to a small&nbsp; $N$&nbsp; in the ACF calculation$)$  and impair the PSD calculation more than they provide a useful contribution to the result. }}
  
  
{{GraueBox|TEXT=
+
{{GraueBox|TEXT=  
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp; Wir betrachten hier einen mittelwertfreien Prozess mit statistisch unabhängigen Abtastwerten.  
+
$\text{Example 4:}$&nbsp; We consider here a zero mean process with statistically independent samples.&nbsp; Thus,&nbsp; only the ACF value&nbsp; $φ_x(0) = σ_x^2$&nbsp; should be different from zero.
*Deshalb sollte nur der AKF–Wert $φ_x(0) = σ_x^2$ von $0$ verschieden ist.  
+
[[File:EN_Sto_T_4_5_S5_b_neu_v2.png |450px|right|frame| Accuracy of numerical PSD calculation ]]
*Ermittelt man aber  die AKF numerisch aus lediglich $N = 1000$ Abtastwerten, so erhält man auch für $k ≠ 0$ endliche AKF–Werte.  
+
*But if one determines the ACF numerically from only&nbsp; $N = 1000$&nbsp; samples,&nbsp; one obtains finite ACF values even for&nbsp; $k ≠ 0$.
 +
 
 +
*The upper figure shows that these erroneous ACF values can be up to&nbsp; $6\%$&nbsp; of the maximum value.
 +
 
 +
*The numerically determined PSD is shown below.&nbsp; The theoretical&nbsp; (yellow) curve should be constant for&nbsp; $\vert f \cdot T_{\rm A} \vert ≤ 0.5$.  
  
[[File:P_ID643__Sto_T_4_5_S5_b.png |450px|center|frame| Genauigkeit der numerischen LDS-Berechnung]]
+
*The green and purple curves illustrate how by&nbsp; $K = 3$ &nbsp;resp.&nbsp; $K = 10$,&nbsp; the result is distorted compared to&nbsp; $K = 0$.  
  
*Das obere Bild zeigt, dass diese fehlerhaften AKF&ndash;Werte bis zu $6\%$ des Maximalwertes betragen können.
+
*In this case&nbsp; $($statistically independent random variables$)$&nbsp; the error grows monotonically with increasing $K$.&nbsp;  
*Unten ist das numerisch ermittelte LDS dargestellt. Gelb ist der theoretische Verlauf dargestellt, der für $\vert f · T_{\rm A} \vert  ≤ 0.5$ konstant sein sollte.
 
*Die grüne und die violette Kurve verdeutlichen, wie durch $K = 3$ &nbsp;bzw.&nbsp; $K = 10$ das Ergebnis gegenüber $K = 0$ verfälscht wird.
 
  
  
In diesem Fall (statistisch unabhängige Zufallsgrößen) wächst der Fehler monoton mit steigendem $K$. Bei einer Zufallsgröße mit statistischen Bindungen gibt es dagegen jeweils einen optimalen Wert für $K$.  
+
In contrast,&nbsp; for a random variable with statistical bindings,&nbsp; there is an optimal value for&nbsp; $K$&nbsp; in each case.  
*Wird dieser zu klein gewählt, so werden signifikante Bindungen nicht berücksichtigt.  
+
#If this is chosen too small,&nbsp; significant bindings are not considered.  
*Ein zu großer Wert führt dagegen zu Oszillationen, die nur auf fehlerhafte AKF–Werte zurückzuführen sind.}}  
+
#In contrast,&nbsp; a too large value  leads to oscillations that can only be attributed to erroneous ACF values.}}  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:4.12 LDS eines Binärsignals|Aufgabe 4.12: LDS eines Binärsignals]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.12:_Power-Spectral_Density_of_a_Binary_Signal|Exercise 4.12: Power-Spectral Density of a Binary Signal]]
  
[[Aufgaben:4.12Z Weißes Rauschen|Aufgabe 4.12Z: Weißes Rauschen]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.12Z:_White_Gaussian_Noise|Exercise 4.12Z: White Gaussian Noise]]
  
[[Aufgaben:4.13 Gaußförmige AKF|Aufgabe 4.13: Gaußförmige AKF]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.13:_Gaussian_ACF_and_PSD|Exercise 4.13: Gaussian ACF and PSD]]
  
[[Aufgaben:4.13Z AMI-Code|Aufgabe 4.13Z: AMI-Code]]
+
[[Aufgaben:Exercise_4.13Z:_AMI_Code|Exercise 4.13Z: AMI Code]]
  
  
 
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Latest revision as of 16:13, 22 December 2022

Wiener-Khintchine Theorem


In the remainder of this paper we restrict ourselves to ergodic processes.  As was shown in the  "last chapter"  the following statements then hold:

  • Each individual pattern function  $x_i(t)$  is representative of the entire random process  $\{x_i(t)\}$.
  • All time means are thus identical to the corresponding coulter means.
  • The auto-correlation function,  which is generally affected by the two time parameters  $t_1$  and  $t_2$,  now depends only on the time difference  $τ = t_2 - t_1$:
$$\varphi_x(t_1,t_2)={\rm E}\big[x(t_{\rm 1})\cdot x(t_{\rm 2})\big] = \varphi_x(\tau)= \int^{+\infty}_{-\infty}x(t)\cdot x(t+\tau)\,{\rm d}t.$$

The auto-correlation function provides quantitative information about the  (linear)  statistical bindings within the ergodic process  $\{x_i(t)\}$  in the time domain.  The equivalent descriptor in the frequency domain is the  "power-spectral density",  often also referred to as the  "power-spectral density".

$\text{Definition:}$  The  »power-spectral density«  $\rm (PSD)$  of an ergodic random process  $\{x_i(t)\}$  is the Fourier transform of the auto-correlation function  $\rm (ACF)$:

$${\it \Phi}_x(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_x(\tau) \cdot {\rm e}^{- {\rm j\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\tau} {\rm d} \tau. $$

This functional relationship is called the  "Theorem of  $\text{Wiener}$  and  $\text{Khinchin}$".


Similarly,  the auto-correlation function can be computed as the inverse Fourier transform of the power-spectral density  (see section  "Inverse Fourier transform"  in the book  "Signal Representation"):

$$ \varphi_x(\tau)=\int^{+\infty}_{-\infty} {\it \Phi}_x \cdot {\rm e}^{- {\rm j\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \pi}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\tau} {\rm d} f.$$
  • The two equations are directly applicable only if the random process contains neither a DC component nor periodic components.
  • Otherwise,  one must proceed according to the specifications given in section  "Power-spectral density with DC component".

Physical interpretation and measurement


The lower chart shows an arrangement for  (approximate)  metrological determination of the power-spectral density  ${\it \Phi}_x(f)$.  The following should be noted in this regard:

  • The random signal  $x(t)$  is applied to a  (preferably)  rectangular and  (preferably)  narrowband filter with center frequency  $f$  and bandwidth  $Δf$  where  $Δf$  must be chosen sufficiently small according to the desired frequency resolution.
  • The corresponding output signal  $x_f(t)$  is squared and then the mean value is formed over a sufficiently long measurement period  $T_{\rm M}$.  This gives the  "power of  $x_f(t)$"  or the  "power components of  $x(t)$  in the spectral range from  $f - Δf/2$  to  $f + Δf/2$":
To measure the power-spectral density
$$P_{x_f} =\overline{x_f(t)^2}=\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}}_{0}x_f^2(t) \hspace{0.1cm}\rm d \it t.$$
  • Division by  $Δf$  leads to the power-spectral density  $\rm (PSD)$:
$${{\it \Phi}_{x \rm +}}(f) =\frac{P_{x_f}}{{\rm \Delta} f} \hspace {0.5cm} \Rightarrow \hspace {0.5cm} {\it \Phi}_{x}(f) = \frac{P_{x_f}}{{\rm 2 \cdot \Delta} f}.$$
  • ${\it \Phi}_{x+}(f) = 2 \cdot {\it \Phi}_x(f)$  denotes the one-sided PSD defined only for positive frequencies.   For  $f<0$   ⇒   ${\it \Phi}_{x+}(f) = 0$.  In contrast,  for the commonly used two-sided power-spectral density:
$${\it \Phi}_x(-f) = {\it \Phi}_x(f).$$
  • While the power  $P_{x_f}$  tends to zero as the bandwidth  $Δf$  becomes smaller,  the power-spectral density remains nearly constant above a sufficiently small value of  $Δf$.  For the exact determination of  ${\it \Phi}_x(f)$  two boundary crossings are necessary:
$${{\it \Phi}_x(f)} = \lim_{{\rm \Delta}f\to 0} \hspace{0.2cm} \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\hspace{0.2cm} \frac{1}{{\rm 2 \cdot \Delta}f\cdot T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}}_{0}x_f^2(t) \hspace{0.1cm} \rm d \it t.$$

$\text{Conclusion:}$ 

  • From this physical interpretation it further follows that the power-spectral density is always real and can never become negative.  
  • The total power of the random signal  $x(t)$  is then obtained by integration over all spectral components:
$$P_x = \int^{\infty}_{0}{\it \Phi}_{x \rm +}(f) \hspace{0.1cm}{\rm d} f = \int^{+\infty}_{-\infty}{\it \Phi}_x(f)\hspace{0.1cm} {\rm d} f .$$

Reciprocity law of ACF duration and PSD bandwidth


All the  $\text{Fourier transform theorems}$  derived in the book  "Signal Representation"  for deterministic signals can also be applied to

On the  "Reciprocity Theorem"  of ACF and PSD
  • the  auto-correlation function  $\rm (ACF)$,  and
  • the  power-spectral density  $\rm (PSD)$. 


However,  not all laws yield meaningful results due to the specific properties

  • of auto-correlation function  (always real and even)
  • and power-spectral density  (always real, even, and non–negative).


We now consider as in the section  "Interpretation of the auto-correlation function"  two different ergodic random processes  $\{x_i(t)\}$  and  $\{y_i(t)\}$  based on

  1. two pattern signals  $x(t)$  and  $y(t)$   ⇒   upper sketch,
  2. two auto-correlation functions  $φ_x(τ)$  and  $φ_y(τ)$   ⇒   middle sketch,
  3. two power-spectral densities  ${\it \Phi}_x(f)$  and  ${\it \Phi}_y(f)$   ⇒   bottom sketch.


Based on these exemplary graphs,  the following statements can be made:

  • The areas under the PSD curves are equal   ⇒   the processes  $\{x_i(t)\}$  and  $\{y_i(t)\}$  have the same power:
$${\varphi_x({\rm 0})}\hspace{0.05cm} =\hspace{0.05cm} \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}{\varphi_y({\rm 0})} = \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_y(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f .$$
$${{\rm \nabla} f_x} = \frac {1}{{\it \Phi}_x(f = {\rm 0})} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{{\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f, $$
$${ {\rm \nabla} \tau_x} = \frac {\rm 1}{ \varphi_x(\tau = \rm 0)} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{\varphi_x(\tau )} \hspace{0.1cm} {\rm d} \tau.$$
  • With these definitions,  the following basic relationship holds:
$${{\rm \nabla} \tau_x} \cdot {{\rm \nabla} f_x} = 1\hspace{1cm}{\rm resp.}\hspace{1cm} {{\rm \nabla} \tau_y} \cdot {{\rm \nabla} f_y} = 1.$$

$\text{Example 1:}$  We start from the graph at the top of this section:

  • The characteristics of the higher frequency signal  $x(t)$  are  $∇τ_x = 0.33\hspace{0.08cm} \rm µs$   and  $∇f_x = 3 \hspace{0.08cm} \rm MHz$.
  • The equivalent ACF duration of the signal  $y(t)$  is three times:   $∇τ_y = 1 \hspace{0.08cm} \rm µs$.
  • The equivalent PSD bandwidth of the signal  $y(t)$  is thus only  $∇f_y = ∇f_x/3 = 1 \hspace{0.08cm} \rm MHz$.


$\text{General:}$  The product of equivalent ACF duration  ${ {\rm \nabla} \tau_x}$  and equivalent PSD bandwidth  $ { {\rm \nabla} f_x}$  is always "one":

$${ {\rm \nabla} \tau_x} \cdot { {\rm \nabla} f_x} = 1.$$


$\text{Proof:}$  According to the above definitions:

$${ {\rm \nabla} \tau_x} = \frac {\rm 1}{ \varphi_x(\tau = \rm 0)} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{ \varphi_x(\tau )} \hspace{0.1cm} {\rm d} \tau = \frac { {\it \Phi}_x(f = {\rm 0)} }{ \varphi_x(\tau = \rm 0)},$$
$${ {\rm \nabla} f_x} = \frac {1}{ {\it \Phi}_x(f = {\rm0})} \cdot \int^{+\infty}_{-\infty}{ {\it \Phi}_x(f)} \hspace{0.1cm} {\rm d} f = \frac {\varphi_x(\tau = {\rm 0)} }{ {\it \Phi}_x(f = \rm 0)}.$$

Thus,  the product is equal to  $1$.

q.e.d.


$\text{Example 2:}$  A limiting case of the reciprocity theorem represents the so-called  "White Noise":

  • This includes all spectral components  (up to infinity).
  • The equivalent PSD bandwidth  $∇f$  is infinite.


The theorem given here states that for the equivalent ACF duration  $∇τ = 0$  must hold   ⇒   »white noise has a Dirac-shaped ACF«.

For more on this topic, see the three-part  (German language)  learning video  "The AWGN channel",  especially the second part.


Power-spectral density with DC component


We assume a DC–free random process  $\{x_i(t)\}$.  Further,  we assume that the process also contains no periodic components.  Then holds:

  • The auto-correlation function  $φ_x(τ)$ vanishes  for  $τ → ∞$.
  • The power-spectral density  ${\it \Phi}_x(f)$  –  computable as the Fourier transform of  $φ_x(τ)$  –  is both continuous in value and continuous in time,  i.e.,  without discrete components.


We now consider a second random process  $\{y_i(t)\}$,  which differs from the process  $\{x_i(t)\}$  only by an additional DC component  $m_y$:

$$\left\{ y_i (t) \right\} = \left\{ x_i (t) + m_y \right\}.$$

The statistical descriptors of the mean-valued random process  $\{y_i(t)\}$  then have the following properties:

  • The limit of the ACF for  $τ → ∞$  is now no longer zero,  but  $m_y^2$.   Throughout the  $τ$–range from  $-∞$  to  $+∞$  the ACF  $φ_y(τ)$  is larger than  $φ_x(τ)$  by  $m_y^2$:
$${\varphi_y ( \tau)} = {\varphi_x ( \tau)} + m_y^2 . $$
  • According to the elementary laws of the Fourier transform,  the constant ACF contribution in the PSD leads to a Dirac delta function  $δ(f)$  with weight  $m_y^2$:
$${{\it \Phi}_y ( f)} = {\Phi_x ( f)} + m_y^2 \cdot \delta (f). $$

Numerical PSD determination


Auto-correlation function and power-spectral density are strictly related via the  $\text{Fourier transform}$.  This relationship also holds for discrete-time ACF representation with the sampling operator  ${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \} $,  thus for

$${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \} = \varphi_x ( \tau ) \cdot \sum_{k= - \infty}^{\infty} T_{\rm A} \cdot \delta ( \tau - k \cdot T_{\rm A}).$$

The transition from the time domain to the spectral domain can be derived with the following steps:

  • The distance  $T_{\rm A}$  of two samples is determined by the absolute bandwidth  $B_x$  $($maximum occurring frequency within the process$)$  via the sampling theorem:
$$T_{\rm A}\le\frac{1}{2B_x}.$$
  • The Fourier transform of the discrete-time  (sampled)  auto-correlation function yields an with  ${\rm 1}/T_{\rm A}$  periodic power-spectral density:
$${\rm A} \{ \varphi_x ( \tau ) \} \hspace{0.3cm} \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \hspace{0.3cm} {\rm P} \{{{\it \Phi}_x} ( f) \} = \sum_{\mu = - \infty}^{\infty} {{\it \Phi}_x} ( f - \frac {\mu}{T_{\rm A}}).$$

$\text{Conclusion:}$  Since both  $φ_x(τ)$  and  ${\it \Phi}_x(f)$  are even and real functions,  the following relation holds:

$${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \} = T_{\rm A} \cdot \varphi_x ( k = 0) +2 T_{\rm A} \cdot \sum_{k = 1}^{\infty} \varphi_x ( k T_{\rm A}) \cdot {\rm cos}(2{\rm \pi} f k T_{\rm A}).$$
  • The power-spectral density  $\rm (PSD)$  of the continuous-time process is obtained from  ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$  by bandlimiting to the range  $\vert f \vert ≤ 1/(2T_{\rm A})$.
  • In the time domain,  this operation means interpolating the individual ACF samples with the  ${\rm sinc}$ function, where  ${\rm sinc}(x)$  stands for  $\sin(\pi x)/(\pi x)$.


$\text{Example 3:}$  A Gaussian ACF  $φ_x(τ)$  is sampled at distance  $T_{\rm A}$  where the sampling theorem is satisfied:

Discrete-time auto-correlation function,  periodically continued power-spectral density
  • The Fourier transform of the discrete-time ACF   ⇒   ${\rm A} \{φ_x(τ) \}$  be the periodically continued PSD   ⇒   ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$. 


  • This with  ${\rm 1}/T_{\rm A}$  periodic function  ${\rm P} \{ { {\it \Phi}_x} ( f) \}$  is accordingly infinitely extended  (red curve).


  • The PSD  ${\it \Phi}_x(f)$  of the continuous-time process  $\{x_i(t)\}$  is obtained by band-limiting to the frequency range  $\vert f \cdot T_{\rm A} \vert ≤ 0.5$,  highlighted in blue in the figure.

Accuracy of the numerical PSD calculation


For the following analysis,  we make the following assumptions:

  1. The discrete-time ACF  $φ_x(k \cdot T_{\rm A})$  was determined numerically from  $N$  samples.  
  2. As already shown in section  "Accuracy of the numerical ACF calculation",  these values are in error and the errors are correlated if  $N$  was chosen too small.
  3. To calculate the periodic power-spectral density  $\rm (PSD)$,  we use only the ACF values  $φ_x(0)$, ... , $φ_x(K \cdot T_{\rm A})$:
$${\rm P} \{{{\it \Phi}_x} ( f) \} = T_{\rm A} \cdot \varphi_x ( k = 0) +2 T_{\rm A} \cdot \sum_{k = 1}^{K} \varphi_x ( k T_{\rm A})\cdot {\rm cos}(2{\rm \pi} f k T_{\rm A}).$$

$\text{Conclusion:}$  The accuracy of the power-spectral density calculation is determined to a strong extent by the parameter  $K$:

  • If  $K$  is chosen too small,  the ACF values actually present  $φ_x(k - T_{\rm A})$  with  $k > K$  will not be taken into account.
  • If  $K$  is too large,  also such ACF values are considered,  which should actually be zero and are finite only because of the numerical ACF calculation.
  • These values are only errors  $($due to a small  $N$  in the ACF calculation$)$ and impair the PSD calculation more than they provide a useful contribution to the result.


$\text{Example 4:}$  We consider here a zero mean process with statistically independent samples.  Thus,  only the ACF value  $φ_x(0) = σ_x^2$  should be different from zero.

Accuracy of numerical PSD calculation
  • But if one determines the ACF numerically from only  $N = 1000$  samples,  one obtains finite ACF values even for  $k ≠ 0$.
  • The upper figure shows that these erroneous ACF values can be up to  $6\%$  of the maximum value.
  • The numerically determined PSD is shown below.  The theoretical  (yellow) curve should be constant for  $\vert f \cdot T_{\rm A} \vert ≤ 0.5$.
  • The green and purple curves illustrate how by  $K = 3$  resp.  $K = 10$,  the result is distorted compared to  $K = 0$.
  • In this case  $($statistically independent random variables$)$  the error grows monotonically with increasing $K$. 


In contrast,  for a random variable with statistical bindings,  there is an optimal value for  $K$  in each case.

  1. If this is chosen too small,  significant bindings are not considered.
  2. In contrast,  a too large value leads to oscillations that can only be attributed to erroneous ACF values.

Exercises for the chapter


Exercise 4.12: Power-Spectral Density of a Binary Signal

Exercise 4.12Z: White Gaussian Noise

Exercise 4.13: Gaussian ACF and PSD

Exercise 4.13Z: AMI Code