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
 
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[[File:P_ID85__Sto_A_2_2.png|right|frame|Zwei ähnliche Mehrstufensignale]]
 
Das Rechtecksignal  $x(t)$  sei dimensionslos und kann nur die Momentanwerte  $0, \ 1,  \ 2, \ \text{...} \ , \ M-2, \ M-1$  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  $0, \ 1, \ 2, \ \text{...} \ , \ M-2, \ M-1$  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; $y > -y_0$&nbsp; bis&nbsp; $y < +y_0$&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; $ -y_0 \le y \le +y_0$.
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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; $y_0 = \rm 2\hspace{0.05cm}V$. 
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*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; [[Stochastische_Signaltheorie/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; $y_0 = 2\hspace{0.05cm}V$.
 
  
  
  
  
 
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===Questions===
===Fragebogen===
 
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie gro&szlig; ist der lineare Mittelwert&nbsp; $m_x$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $x$&nbsp; für&nbsp; $M= 5$?
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{What is the linear mean&nbsp; $m_x$&nbsp; of the random variable&nbsp; $x$&nbsp; for&nbsp; $M= 5$?
 
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|type="{}"}
$m_x \ = \ $ { 2 3% }
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$m_x \ = \ $ { 2 3% }
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Varianz&nbsp; $\sigma_x^2$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $x$&nbsp; allgemein und f&uuml;r&nbsp; $M= 5$?
+
{What is the variance&nbsp; $\sigma_x^2$&nbsp; of the random variable&nbsp; $x$&nbsp; in general and for&nbsp; $M= 5$?
 
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$\sigma_x^2\ = \ $ { 2 3% }
 
$\sigma_x^2\ = \ $ { 2 3% }
  
  
{Berechnen Sie den Mittelwert&nbsp; $m_y$&nbsp; der Zufallsgr&ouml;&szlig;e&nbsp; $y$&nbsp; f&uuml;r&nbsp; $M= 5$.
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{Calculate the mean&nbsp; $m_y$&nbsp; of the random variable&nbsp; $y$&nbsp; for&nbsp; $M= 5$.
 
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$m_y \ = \ $ { 0. } $\ \rm V$
 
$m_y \ = \ $ { 0. } $\ \rm V$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Varianz&nbsp; $\sigma_y^2$&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; $\sigma_y^2$&nbsp; of the random variable&nbsp; $y$&nbsp; in general and for&nbsp; $M= 5$?&nbsp; Consider the result from&nbsp; '''(2)'''.
 
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$\sigma_y^2\ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V^2$
 
$\sigma_y^2\ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V^2$
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===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:
 
:$$m_{\it x}=\rm \sum_{\mu=0}^{\it M-{\rm 1}} \it p_\mu\cdot x_{\mu}=\frac{\rm 1}{\it M} \cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\it M-\rm 1}\mu=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M}{\rm 2}=\frac{\it M-\rm 1}{\rm 2}.$$
 
:$$m_{\it x}=\rm \sum_{\mu=0}^{\it M-{\rm 1}} \it p_\mu\cdot x_{\mu}=\frac{\rm 1}{\it M} \cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\it M-\rm 1}\mu=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M}{\rm 2}=\frac{\it M-\rm 1}{\rm 2}.$$
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich der lineare Mittelwert zu&nbsp; $m_x \;\underline{= 2}$.
+
*In the special case&nbsp; $M= 5$&nbsp; the linear mean results in&nbsp; $m_x \;\underline{= 2}$.
  
  
'''(2)'''&nbsp; Analog gilt f&uuml;r den quadratischen Mittelwert:
 
:$$m_{\rm 2\it x}= \rm \sum_{\mu=0}^{\it M -\rm 1}\it p_\mu\cdot x_{\mu}^{\rm 2}=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\rm M-1}\mu^{\rm 2} =  \frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6} = \frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}.$$
 
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich der quadratische Mittelwert zu $m_{2x} {=6}$. Daraus kann die Varianz mit dem Satz von Steiner berechnet werden:
+
'''(2)'''&nbsp; Analogously to&nbsp; '''(1)'''&nbsp; one obtains for the second moment&nbsp; (second order moment):
 +
: $$m_{\rm 2\it x}= \rm \sum_{\mu=0}^{\it M -\rm 1}\it p_\mu\cdot x_{\mu}^{\rm 2}=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\rm M- 1}\mu^{\rm 2} = \frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6} = \frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}. $$
 +
 
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*In the special case $M= 5$&nbsp; the second moment&nbsp; $m_{2x} {=6}$.  
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*From this, the variance can be calculated using Steiner's theorem:
 
:$$\sigma_x^{\rm 2}=m_{\rm 2\it x}-m_x^{\rm 2}=\frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}-\frac{(\it M-\rm 1)^{\rm 2}}{\rm 4}=\frac{\it M^{\rm 2}-\rm 1}{\rm 12}.$$
 
:$$\sigma_x^{\rm 2}=m_{\rm 2\it x}-m_x^{\rm 2}=\frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}-\frac{(\it M-\rm 1)^{\rm 2}}{\rm 4}=\frac{\it M^{\rm 2}-\rm 1}{\rm 12}.$$
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich für die Varianz&nbsp; $\sigma_x^2 \;\underline{= 2}$.
+
*In the special case&nbsp; $M= 5$&nbsp; the result for the variance&nbsp; $\sigma_x^2 \;\underline{= 2}$.
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'''(3)'''&nbsp; Aufgrund der Symmetrie von $y$ gilt unabh&auml;ngig von $M$:  
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'''(3)'''&nbsp; Because of the symmetry of&nbsp; $y$,&nbsp; it holds independently of&nbsp; $M$:  
:$$m_x \;\underline{= 2}.$$
+
:$$m_y \;\underline{= 0}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Zwischen $x(t)$ und $y(t)$ gilt folgender Zusammenhang:  
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'''(4)'''&nbsp; The following relation holds between&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$:  
:$$y(t)=\frac{2\cdot y_{\rm 0}}{M-\rm 1}\cdot \big[x(t)-m_x\big].$$
+
:$$y(t)=\frac{2\cdot y_{\rm 0}}{M-\rm 1}\cdot \big[x(t)-m_x\big].$$
  
Daraus folgt f&uuml;r die Varianzen:
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*From this it follows for the variances:
:$$\sigma_y^{\rm 2}=\frac{4\cdot y_{\rm 0}^{\rm 2}}{( M - 1)^{\rm 2}}\cdot \sigma_x^{\rm 2}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot (M^{\rm 2}-1)}{3\cdot (M- 1)^{\rm 2}}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot ( M+ 1)}{ 3\cdot ( M- 1)}.$$
+
: $$\sigma_y^{\rm 2}=\frac{4\cdot y_{\rm 0}^{\rm 2}}{( M - 1)^{\rm 2}}\cdot \sigma_x^{\rm 2}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot (M^{\rm 2}- 1)}{3\cdot (M- 1)^{\rm 2}}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot ( M+ 1)}{ 3\cdot ( M- 1)}. $$
  
Im Sonderfall $M= 5$ ergibt sich hierfür:
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*In the special case&nbsp; $M= 5$&nbsp; this results in:
 
:$$\it \sigma_y^{\rm 2}= \frac {\it y_{\rm 0}^{\rm 2} \cdot {\rm 6}}{\rm 3 \cdot 4}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm2\,V^{2}}.$$
 
:$$\it \sigma_y^{\rm 2}= \frac {\it y_{\rm 0}^{\rm 2} \cdot {\rm 6}}{\rm 3 \cdot 4}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm2\,V^{2}}.$$
  
{{ML-Fuß}}
 
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^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  $0, \ 1, \ 2, \ \text{...} \ , \ M-2, \ M-1$  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  $ -y_0 \le y \le +y_0$.
  • 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  $m_x$  of the random variable  $x$  for  $M= 5$?

$m_x \ = \ $

2

What is the variance  $\sigma_x^2$  of the random variable  $x$  in general and for  $M= 5$?

$\sigma_x^2\ = \ $

3

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

$m_y \ = \ $

$\ \rm V$

4

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

$\sigma_y^2\ = \ $

$\ \rm V^2$


Solution

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

$$m_{\it x}=\rm \sum_{\mu=0}^{\it M-{\rm 1}} \it p_\mu\cdot x_{\mu}=\frac{\rm 1}{\it M} \cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\it M-\rm 1}\mu=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M}{\rm 2}=\frac{\it M-\rm 1}{\rm 2}.$$
  • In the special case  $M= 5$  the linear mean results in  $m_x \;\underline{= 2}$.


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

$$m_{\rm 2\it x}= \rm \sum_{\mu=0}^{\it M -\rm 1}\it p_\mu\cdot x_{\mu}^{\rm 2}=\frac{\rm 1}{\it M}\cdot \sum_{\mu=\rm 0}^{\rm M- 1}\mu^{\rm 2} = \frac{\rm 1}{\it M}\cdot\frac{(\it M-\rm 1)\cdot \it M\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6} = \frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}. $$
  • In the special case $M= 5$  the second moment  $m_{2x} {=6}$.
  • From this, the variance can be calculated using Steiner's theorem:
$$\sigma_x^{\rm 2}=m_{\rm 2\it x}-m_x^{\rm 2}=\frac{(\it M-\rm 1)\cdot(\rm 2\it M-\rm 1)}{\rm 6}-\frac{(\it M-\rm 1)^{\rm 2}}{\rm 4}=\frac{\it M^{\rm 2}-\rm 1}{\rm 12}.$$
  • In the special case  $M= 5$  the result for the variance  $\sigma_x^2 \;\underline{= 2}$.


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

$$m_y \;\underline{= 0}.$$


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

$$y(t)=\frac{2\cdot y_{\rm 0}}{M-\rm 1}\cdot \big[x(t)-m_x\big].$$
  • From this it follows for the variances:
$$\sigma_y^{\rm 2}=\frac{4\cdot y_{\rm 0}^{\rm 2}}{( M - 1)^{\rm 2}}\cdot \sigma_x^{\rm 2}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot (M^{\rm 2}- 1)}{3\cdot (M- 1)^{\rm 2}}=\frac{y_{\rm 0}^{\rm 2}\cdot ( M+ 1)}{ 3\cdot ( M- 1)}. $$
  • In the special case  $M= 5$  this results in:
$$\it \sigma_y^{\rm 2}= \frac {\it y_{\rm 0}^{\rm 2} \cdot {\rm 6}}{\rm 3 \cdot 4}\hspace{0.15cm} \underline{=\rm2\,V^{2}}.$$