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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.2: Multi-Level Signals"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Wahrscheinlichkeit und relative Häufigkeit
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/From_Random_Experiment_to_Random_Variable
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID85__Sto_A_2_2.png|right|frame|Zwei ähnliche Mehrstufensignale]]
 
Das Rechtecksignal  x(t)  sei dimensionslos und kann nur die Momentanwerte  0, 1, 2, ... , M2, M1  mit gleicher Wahrscheinlichkeit annehmen. Die obere Grafik zeigt dieses Signal für den Sonderfall  M=5.
 
  
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[[File:P_ID85__Sto_A_2_2.png|right|frame|Two similar multi-level signals]]
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Let the rectangular signal  x(t)  be dimensionless and can only have the current values  0, 1, 2, ... , M2, M1  with equal probability. The upper graph shows this signal for the special case  M=5.
  
Auch das Rechtecksignal&nbsp; y(t)&nbsp; ist&nbsp; M&ndash;stufig, aber mittelwertfrei und auf den Bereich von&nbsp; y>y0&nbsp; bis&nbsp; y<+y0&nbsp; beschr&auml;nkt.
 
  
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The rectangular zero mean signal&nbsp; y(t)&nbsp; can also assume&nbsp; M&nbsp; different values.&nbsp;
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*It is restricted to the range from&nbsp; y0y+y0.
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*In the graph below you can see the signal&nbsp; y(t), again for the level number&nbsp; M=5.
  
In der unteren Grafik sehen Sie das Signal&nbsp; y(t), wiederum f&uuml;r die Stufenzahl&nbsp; M=5.
 
  
  
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Momente_einer_diskreten_Zufallsgröße|Moments of a Discrete Random Variable]].
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*Fur numerical calculations,&nbsp; use&nbsp; y0=2V
 +
*The topic of this chapter is illustrated with examples in the&nbsp;  (German language)&nbsp;  learning video<br> &nbsp; &nbsp; [[Momentenberechnung_bei_diskreten_Zufallsgrößen_(Lernvideo)|"Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Calculating Moments for Discrete-Valued Random Variables"
  
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Momente_einer_diskreten_Zufallsgröße|Momente einer diskreten Zufallsgröße]].
 
 
*Eine Zusammenfassung der Theamatik bietet das Lernvideo&nbsp;<br> [[Momentenberechnung_bei_diskreten_Zufallsgrößen_(Lernvideo)|Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen]].
 
*Setzen Sie f&uuml;r numerische Berechnungen&nbsp; y0=2V.
 
  
  
  
  
 
+
===Questions===
===Fragebogen===
 
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie gro&szlig; ist der lineare Mittelwert&nbsp; mx&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; x&nbsp; für&nbsp; M=5?
+
{What is the linear mean&nbsp; mx&nbsp; of the random variable&nbsp; x&nbsp; for&nbsp; M=5?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
mx =  { 2 3% }
+
mx =  { 2 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Varianz&nbsp; σ2x&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; x&nbsp; allgemein und f&uuml;r&nbsp; M=5?
+
{What is the variance&nbsp; σ2x&nbsp; of the random variable&nbsp; x&nbsp; in general and for&nbsp; M=5?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
σ2x =  { 2 3% }
 
σ2x =  { 2 3% }
  
  
{Berechnen Sie den Mittelwert&nbsp; my&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; y&nbsp; f&uuml;r&nbsp; M=5.
+
{Calculate the mean&nbsp; my&nbsp; of the random variable&nbsp; y&nbsp; for&nbsp; M=5.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
my =  { 0. }  V
 
my =  { 0. }  V
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Varianz&nbsp; σ2y&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $y$?&nbsp; Ber&uuml;cksichtigen Sie dabei das Ergebnis aus&nbsp; '''(2)'''.&nbsp; Welcher Wert ergibt sich wiederum f&uuml;r&nbsp; M=5?
+
{What is the variance&nbsp; σ2y&nbsp; of the random variable&nbsp; y&nbsp; in general and for&nbsp; $M= 5$?&nbsp; Consider the result from&nbsp; '''(2)'''.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
σ2y =  { 2 3% }  V2
 
σ2y =  { 2 3% }  V2
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
 
 +
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Man erh&auml;lt durch Mittelung über alle möglichen Signalwerte für den linearen Mittelwert:
+
 
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'''(1)'''&nbsp; One obtains by averaging over all possible signal values for the linear mean:
 
:mx=M1μ=0pμxμ=1MM1μ=0μ=1M(M1)M2=M12.
 
:mx=M1μ=0pμxμ=1MM1μ=0μ=1M(M1)M2=M12.
  
*Im Sonderfall&nbsp; M=5&nbsp; ergibt sich der lineare Mittelwert zu&nbsp; mx=2_.
+
*In the special case&nbsp; M=5&nbsp; the linear mean results in&nbsp; mx=2_.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Analog gilt f&uuml;r den quadratischen Mittelwert:
+
'''(2)'''&nbsp; Analogously to&nbsp; '''(1)'''&nbsp; one obtains for the second moment&nbsp; (second order moment):
:$$m_{\rm 2\it x}= \rm \sum_{\mu=0}^{\it M -\rm 1}\it p_\mu\cdot x_{\mu}^{\rm 2}=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\rm M-1}\mu^{\rm 2} = \frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6} = \frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}.$$
+
: m2x=M1μ=0pμx2μ=1MM1μ=0μ2=1M(M1)M(2M1)6=(M1)(2M1)6.
  
*Im Sonderfall M=5&nbsp; ergibt sich der quadratische Mittelwert zu&nbsp; m2x=6.  
+
*In the special case M=5&nbsp; the second moment&nbsp; m2x=6.  
*Daraus kann die Varianz mit dem Satz von Steiner berechnet werden:
+
*From this, the variance can be calculated using Steiner's theorem:
 
:σ2x=m2xm2x=(M1)(2M1)6(M1)24=M2112.
 
:σ2x=m2xm2x=(M1)(2M1)6(M1)24=M2112.
  
*Im Sonderfall&nbsp; M=5&nbsp; ergibt sich für die Varianz&nbsp; σ2x=2_.
+
*In the special case&nbsp; M=5&nbsp; the result for the variance&nbsp; σ2x=2_.
 
 
  
  
'''(3)'''&nbsp; Aufgrund der Symmetrie von&nbsp; y&nbsp; gilt unabh&auml;ngig von&nbsp; M:
 
:mx=2_.
 
  
 +
'''(3)'''&nbsp; Because of the symmetry of&nbsp; y,&nbsp; it holds independently of&nbsp; M:
 +
:my=0_.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Zwischen&nbsp; x(t)&nbsp; und&nbsp; y(t)&nbsp; gilt folgender Zusammenhang:  
+
'''(4)'''&nbsp; The following relation holds between&nbsp; x(t)&nbsp; and&nbsp; y(t):  
:$$y(t)=\frac{2\cdot y_{\rm 0}}{M-\rm 1}\cdot \big[x(t)-m_x\big].$$
+
:y(t)=2y0M1[x(t)mx].
  
*Daraus folgt f&uuml;r die Varianzen:
+
*From this it follows for the variances:
:σ2y=4y20(M1)2σ2x=y20(M21)3(M1)2=y20(M+1)3(M1).
+
: σ2y=4y20(M1)2σ2x=y20(M21)3(M1)2=y20(M+1)3(M1).
  
*Im Sonderfall&nbsp; M=5&nbsp; ergibt sich hierfür:
+
*In the special case&nbsp; M=5&nbsp; this results in:
 
:σ2y=y20634=2V2_.
 
:σ2y=y20634=2V2_.
  
{{ML-Fuß}}
 
  
  
  
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^2.2 Momente diskreter Zufallsgrößen^]]
+
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^2.2 Moments of Discrete Random Variables^]]

Latest revision as of 14:20, 18 January 2023


Two similar multi-level signals

Let the rectangular signal  x(t)  be dimensionless and can only have the current values  0, 1, 2, ... , M2, M1  with equal probability. The upper graph shows this signal for the special case  M=5.


The rectangular zero mean signal  y(t)  can also assume  M  different values. 

  • It is restricted to the range from  y0y+y0.
  • In the graph below you can see the signal  y(t), again for the level number  M=5.




Hints:




Questions

1

What is the linear mean  mx  of the random variable  x  for  M=5?

mx = 

2

What is the variance  σ2x  of the random variable  x  in general and for  M=5?

σ2x = 

3

Calculate the mean  my  of the random variable  y  for  M=5.

my = 

 V

4

What is the variance  σ2y  of the random variable  y  in general and for  M=5?  Consider the result from  (2).

σ2y = 

 V2


Solution

(1)  One obtains by averaging over all possible signal values for the linear mean:

mx=M1μ=0pμxμ=1MM1μ=0μ=1M(M1)M2=M12.
  • In the special case  M=5  the linear mean results in  mx=2_.


(2)  Analogously to  (1)  one obtains for the second moment  (second order moment):

m2x=M1μ=0pμx2μ=1MM1μ=0μ2=1M(M1)M(2M1)6=(M1)(2M1)6.
  • In the special case M=5  the second moment  m2x=6.
  • From this, the variance can be calculated using Steiner's theorem:
σ2x=m2xm2x=(M1)(2M1)6(M1)24=M2112.
  • In the special case  M=5  the result for the variance  σ2x=2_.


(3)  Because of the symmetry of  y,  it holds independently of  M:

my=0_.


(4)  The following relation holds between  x(t)  and  y(t):

y(t)=2y0M1[x(t)mx].
  • From this it follows for the variances:
σ2y=4y20(M1)2σ2x=y20(M21)3(M1)2=y20(M+1)3(M1).
  • In the special case  M=5  this results in:
σ2y=y20634=2V2_.