Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 5.6: Filter Dimensioning"
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Die zeitdiskreten Gaußschen Eingangswerte $x_\nu$ seien jeweils gekennzeichnet durch | Die zeitdiskreten Gaußschen Eingangswerte $x_\nu$ seien jeweils gekennzeichnet durch | ||
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*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)|Autokorrelationsfunktion]]. | *Bezug genommen wird auch auf das Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)|Autokorrelationsfunktion]]. | ||
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+ Es eignet sich ein nichtrekursives Filter zweiter Ordnung. | + Es eignet sich ein nichtrekursives Filter zweiter Ordnung. | ||
- Die Ausgangswerte $y_\nu$ sind dreieckverteilt. | - Die Ausgangswerte $y_\nu$ sind dreieckverteilt. | ||
− | + Die Ausgangswerte $y_\nu$ sind mittelwertfrei ( | + | + Die Ausgangswerte $y_\nu$ sind mittelwertfrei $(m_y = 0)$. |
− | {Geben Sie die Gleichungen zur Bestimmung der Koeffizienten $a_0$, $a_1$ und $a_2$ an. Ersetzen Sie die drei Variablen durch $u = a_1^2$ und $w = (a_0 + a_2)^2$. Bestimmen Sie $u$ und $w$. <i>Hinweis:</i> Es gibt nur eine sinnvolle Lösung. | + | {Geben Sie die Gleichungen zur Bestimmung der Koeffizienten $a_0$, $a_1$ und $a_2$ an. Ersetzen Sie die drei Variablen durch $u = a_1^2$ und $w = (a_0 + a_2)^2$. <br>Bestimmen Sie $u$ und $w$. <i>Hinweis:</i> Es gibt nur eine sinnvolle Lösung. |
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− | $u \ = $ { 0.25 3% } | + | $u \ = \ $ { 0.25 3% } |
− | $w \ = $ { 4 3% } | + | $w \ = \ $ { 4 3% } |
{Bestimmen Sie die Filterkoeffizienten $a_0$, $a_1$ und $a_2$. Geben Sie die folgenden Quotienten ein: | {Bestimmen Sie die Filterkoeffizienten $a_0$, $a_1$ und $a_2$. Geben Sie die folgenden Quotienten ein: | ||
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− | $a_1/a_0 \ = $ { -0.515--0.485 } | + | $a_1/a_0 \ = \ $ { -0.515--0.485 } |
− | $a_2/a_0 \ = $ { 1 3% } | + | $a_2/a_0 \ = \ $ { 1 3% } |
− | {Wieviele verschiedene Parametersätze ( | + | {Wieviele verschiedene Parametersätze $(I)$ führen zur gewünschten AKF? |
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− | $I \ = $ { 2 } | + | $I \ = \ $ { 2 } |
Revision as of 16:45, 25 August 2018
Eine zeitdiskrete Zufallsgröße $\left\langle \hspace{0.05cm}{y_\nu } \hspace{0.05cm}\right\rangle$ mit der skizzierten AKF soll mit Hilfe eines digitalen Filters erzeugt werden.
Die zeitdiskreten Gaußschen Eingangswerte $x_\nu$ seien jeweils gekennzeichnet durch
- den Mittelwert $m_x = 0$,
- die Streuung $\sigma_x = 1$.
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Erzeugung vorgegebener AKF-Eigenschaften.
- Bezug genommen wird auch auf das Kapitel Autokorrelationsfunktion.
- Alle AKF-Werte $\varphi_y(k \cdot T_{\rm A})$ mit Index $|k| \gt 2$ seien $0$.
Fragebogen
Musterlösung
- Ein rekursives Filter würde stets eine unendlich weit ausgedehnte Impulsantwort $h(t)$ und damit auch eine unendlich ausgedehnte AKF bewirken. Deshalb ist hier eine nichtrekursive Filterstruktur zu wählen. Die angegebene AKF erfordert die Ordnung $M= 2$.
- Da die Eingangswerte gaußverteilt und mittelwertfrei sind, gilt dies auch für die Ausgangswerte. Bei der Filterung stochastischer Signale gilt stets: „Gauß bleibt Gauß und Nicht-Gauß wird nie (exakt) Gauß”.
(2) Das Gleichungssystem lautet:
- $$k = 2:\quad a_0 \cdot a_2 = 1$$
- $$k = 1:\quad a_0 \cdot a_1 + a_1 \cdot a_2 = - 1\quad \Rightarrow \quad \sqrt {u \cdot w} = - 1\quad \Rightarrow \quad u \cdot w = 1$$
- $$k = 0:\quad a_0 ^2 + a_1 ^2 + a_2 ^2 = 2.25\quad \;\;\, \Rightarrow \quad u + w = 2.25 + 2a_0 \cdot a_2 = 4.25.$$
Das Gleichungssystem bezüglich $u$ und $w$ hat zwei Lösungen:
- $u = 4, w = 0.25$: Wegen der Bedingung a2$a_2 = 1/a_0$ (siehe erste obere Gleichung) haben $a_0$ und $a_2$ gleiches Vorzeichen und es ist mindestens einer der beiden Koeffizienten größer/gleich 1. Somit ist die Bedingung $a_0+a_2= \sqrt{w} = 0.5$ nicht zu erfüllen.
- Die richtige Lösung lautet deshalb $\underline{u = 0.25}, \underline{w = 4}$.
(3) Das Ergebnis von (2) bedeutet, dass $a_1 = \pm \sqrt{0.25} \pm 0.5$ ist. Der positive Wert führt zu
- $$0.5 \cdot \left( {a_0 + a_2 } \right) = - 1\quad \Rightarrow \quad a_0 + a_2 = - 2,$$
- $$a_0 \cdot a_2 = 1.$$
Daraus folgt $a_0=a_2=-1$. Mit $a_1= 0.5$ erhält man als Ergebnis:
- $$a_1/a_0 \hspace{0.15 cm}\underline{= -0.5}, \hspace{0.5 cm} a_2/a_0 \hspace{0.15 cm}\underline{= 1}.$$
Die Lösung $a_1= 0.5$ führt zu $a_0=a_2=+1$ und damit zu den gleichen Quotienten.
(4) Allgemein hat dieses Problem $I = 4$ äquivalente Lösungen (Spiegelung/Verschiebung sowie jeweils die Multiplikation mit $-1$). Da hier die Impulsantwort symmetrisch ist, gibt es allerdings nur $\underline{I = 2}$ Lösungen:
- $$\text{Lösung 1:} \ \ a_0 = +1,\quad a_1 = - 0.5,\quad a_2 = +1; $$
- $$\text{Lösung 2:} \ \ a_0 = - 1,\quad a_1 = +0.5,\quad a_2 = - 1. $$