Zufallsprozesse (1)
Ein wichtiger Begriff der stochastischen Signaltheorie ist der Zufallsprozess. Nachfolgend sind einige Charakteristika eines solchen stochastischen Prozesses – diese Bezeichnungen werden sowohl in der Literatur als auch in unserem Tutorial synonym verwendet – zusammengestellt:
- Unter einem Zufallsprozess { $x_i(t)$} verstehen wir ein mathematisches Modell für ein Ensemble von (vielen) Zufallssignalen, die sich zwar im Detail durchaus voneinander unterscheiden können, trotzdem aber gewisse gemeinsame Eigenschaften aufweisen.
- Zur Beschreibung eines Zufallsprozesses { $x_i(t)$} gehen wir von der Vorstellung aus, dass beliebig viele, in ihren physikalischen und statistischen Eigenschaften völlig gleiche Zufallsgeneratoren vorhanden sind, von denen jeder ein Zufallssignal $x_i(t)$ liefert.
- Jeder Zufallsgenerator gibt trotz gleicher physikalischer Realisierung ein anderes Zeitsignal $x_i(t)$ ab, das für alle Zeiten von $–∞$ bis $+∞$ existiert. Man bezeichnet dieses spezifische Zufallssignal als das $i$-te Mustersignal.
- Jeder Zufallsprozess beinhaltet mindestens eine stochastische Komponente – zum Beispiel die Amplitude, Frequenz oder Phase eines Nachrichtensignals – und kann daher von einem Beobachter nicht exakt vorausgesagt werden.
- Der Zufallsprozess unterscheidet sich von den sonst in der Wahrscheinlichkeitsrechnung bzw. der Statistik üblichen Zufallsexperimenten dadurch, dass das Ergebnis kein Ereignis ist, sondern ein Funktionsverlauf (Zeitsignal).
- Betrachtet man den Zufallsprozess { $x_i(t)$} zu einem festen Zeitpunkt, so gelangt man wieder zu dem einfacheren Modell von Kapitel 2.1, nach dem das Versuchsergebnis ein Ereignis ist, das einer Zufallsgröße zugeordnet werden kann.
Zufallsprozesse (2)
Die Aussagen der vorherigen Seite werden nun am Beispiel eines binären Zufallsgenerators verdeutlicht, der – zumindest gedanklich – beliebig oft realisiert werden kann.
Die Grafik zeigt drei unterschiedliche Mustersignale mit folgenden Eigenschaften:
- Der hier vorliegende Zufallsprozess { $x_i(t)$} besteht aus einem Ensemble rechteckförmiger Musterfunktionen, die jeweils wie folgt beschrieben werden können:
$$x_i(t)=\sum^{+\infty}_{\nu=-\infty} (a_\nu)_i\cdot g(t-\nu \cdot T ).$$
- Der Grundimpuls $g(t)$ besitzt im Bereich von $–T/2$ bis $+T/2$ den Wert 2V; außerhalb ist er 0. Unter einem Impuls verstehen wir gemäß der Definition im Buch „Signaldarstellung” ein sowohl deterministisches als auch energiebegrenztes Signal.
- Die Statistik des hier betrachteten Zufallsprozesses ist aomit allein auf die dimensionslosen Amplitudenkoeffizienten $(a_ν)_i ∈$ {0, 1} zurückzuführen, die bei der $i$-ten Musterfunktion mit dem Zeitindex $ν$ versehen sind.
- Trotz der im Detail unterschiedlichen Signalverläufe weisen die skizzierten Mustersignale $x_1(t), x_2(t) , x_3(t)$ und auch alle weiteren Mustersignale $x_4(t), x_5(t), x_6(t),$ ... gewisse Gemeinsamkeiten auf, die nachfolgend herausgearbeitet werden sollen.
