Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.6: Noisy DC Signal"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Gaußverteilte Zufallsgröße
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables
 
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[[File:P_ID126__Sto_A_3_6.png|right|Verrauschtes Gleichsignal]]
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[[File:P_ID126__Sto_A_3_6.png|right|frame|Noisy DC signal and PDF]]
Ein Gleichsignal $s(t) = 2\hspace{0.05cm}\rm V$ wird durch ein Rauschsignal $n(t)$ additiv überlagert.  
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A DC signal  $s(t) = 2\hspace{0.05cm}\rm V$  is additively overlaid by a noise signal  $n(t)$.  
*Im oberen Bild sehen Sie  einen Ausschnitt des Summensignals   $x(t)=s(t)+n(t).$
+
*In the upper picture you can see a section of the sum signal   $x(t)=s(t)+n(t).$
*Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (kurz WDF) des Signals $x(t)$ ist im unteren Bild dargestellt.  
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*The probability density function  $\rm (PDF)$  of the signal  $x(t)$  is shown below.  
*Die (auf den Widerstand $1\hspace{0.05cm} \Omega$ bezogene) Gesamtleistung dieses Signals beträgt $P_x = 5\hspace{0.05cm}\rm V^2$.
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*The  $($related to the resistor  $1\hspace{0.05cm} \Omega)$  total power of this signal is  $P_x = 5\hspace{0.05cm}\rm V^2$.
  
Verwenden Sie zur Lösung das komplementäre Gaußsche Fehlerintegral ${\rm Q}(x)$. Nachfolgend finden Sie einige Werte dieser monoton abfallenden Funktion:
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables|Gaussian Distributed Random Variables]].
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*Use the  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables#Exceedance_probability|complementary Gaussian error integral]]  ${\rm Q}(x)$ to solve.  
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*The following are some values of this monotonically decreasing function:
 
:$$\rm Q(0) = 0.5,\hspace{0.5cm} Q(1) = 0.1587, \hspace{0.5cm}\rm Q(2) = 0.0227, \hspace{0.5cm} Q(3) = 0.0013. $$
 
:$$\rm Q(0) = 0.5,\hspace{0.5cm} Q(1) = 0.1587, \hspace{0.5cm}\rm Q(2) = 0.0227, \hspace{0.5cm} Q(3) = 0.0013. $$
 
+
   
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Gaußverteilte_Zufallsgröße|Gaußverteilte Zufallsgröße]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{ Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?  
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{ Which of the following statements are true?  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Das Nutzsignal $s(t)$ ist gleichverteilt.
+
- The signal $s(t)$&nbsp; is uniformly distributed.
+ Das Rauschsignal $n(t)$ ist gau&szlig;verteilt.
+
+ The noise signal&nbsp; $n(t)$&nbsp; is Gaussian distributed.
- Das Rauschsignal $n(t)$ hat einen Mittelwert $m_n \ne 0$.  
+
- The noise signal&nbsp; $n(t)$&nbsp; has a mean value&nbsp; $m_n \ne 0$.  
+ Das Gesamtsignal $x(t)$ ist gau&szlig;verteilt mit Mittelwert $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$.
+
+ The total signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is Gaussian distributed with mean&nbsp; $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$.
  
  
{Berechnen Sie die Standardabweichung (Streuung) des Signals $x(t)$.
+
{Calculate the standard deviation of the signal&nbsp; $x(t)$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_x \ = $ { 1 3% } $\ \rm V$
+
$\sigma_x \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm V$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass $x(t) < 0\hspace{0.05cm}\rm V$ ist?
+
{What is the probability that&nbsp; $x(t) < 0\hspace{0.05cm}\rm V$ ?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(x < 0\hspace{0.05cm}\rm V)\ = $ { 2.27 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(x < 0\hspace{0.05cm}\rm V)\ = \ $ { 2.27 3% } $\ \%$
  
  
{Wie gro&szlig; ist die Wahrscheinlichkeit, dass $x(t) > 4\hspace{0.05cm}\rm V$ ist?
+
{What is the probability that&nbsp; $x(t) > 4\hspace{0.05cm}\rm V$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(x > 4\hspace{0.05cm}\rm V)\ = $ { 2.27 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(x > 4\hspace{0.05cm}\rm V)\ = \ $ { 2.27 3% } $\ \%$
  
  
{Mit welcher Wahrscheinlichkeit liegt $x(t)$ zwischen $3\hspace{0.05cm}\rm V$ und $4\hspace{0.05cm}\rm V$?
+
{What is the probability that&nbsp; $x(t)$&nbsp; is between&nbsp; $3\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; and&nbsp; $4\hspace{0.05cm}\rm V$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(3\hspace{0.05cm}{\rm V} < x < 4\hspace{0.05cm}{\rm V}) \ = $ { 13.6 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(+3\hspace{0.05cm}{\rm V} < x < +4\hspace{0.05cm}{\rm V}) \ = \ $ { 13.6 3% } $\ \%$
  
 +
</quiz>
  
 +
===Solution===
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{{ML-Kopf}}
 +
'''(1)'''&nbsp; Correct are&nbsp; <u>solutions 2 and 4</u>:
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*The uniform signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is not uniformly distributed,&nbsp; rather its PDF consists of only one Dirac delta function at&nbsp; $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; with weight&nbsp; $1$.
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*The signal&nbsp; $n(t)$&nbsp; is Gaussian and mean-free &nbsp; &rArr; &nbsp; $m_n = 0$.
 +
*Therefore the sum signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is also Gaussian,&nbsp; but now with mean&nbsp; $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$.
 +
*This is due to the DC signal alone&nbsp; $s(t) = 2\hspace{0.05cm}\rm V$.
  
</quiz>
 
  
===Musterlösung===
 
{{ML-Kopf}}
 
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Das Gleichsignal <i>s</i>(<i>t</i>) ist nat&uuml;rlich nicht gleichverteilt, vielmehr besteht dessen WDF aus nur einer Diracfunktion bei 2 V mit Gewicht 1. Das Signal <i>n</i>(<i>t</i>) ist gau&szlig;verteilt und mittelwertfrei. Deshalb ist auch das Summensignal <i>x</i>(<i>t</i>) gau&szlig;verteilt, aber nun mit Mittelwert <i>m<sub>x</sub></i> = 2 V. Dieser r&uuml;hrt allein vom Gleichsignal <i>s</i>(<i>t</i>) = 2 V her. Richtig sind somit <u>die Lösungsvorschläge 2 und 4</u>.
 
  
:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Nach dem Satz von Steiner gilt:
+
'''(2)'''&nbsp; According to Steiner's theorem:
 
:$$\sigma_{x}^{\rm 2}=m_{\rm 2 \it x}-m_{x}^{\rm 2}. $$
 
:$$\sigma_{x}^{\rm 2}=m_{\rm 2 \it x}-m_{x}^{\rm 2}. $$
  
:Der quadratische Mittelwert ist gleich der (auf 1 &Omega; bezogenen) Gesamtleistung <i>P<sub>x</sub></i> = 5 V<sup>2</sup>. Mit dem Mittelwert <i>m<sub>x</sub></i> = 2 V folgt daraus für die Streuung: <i>&sigma;<sub>x</sub></i> <u>= 1 V</u>.
+
*The second order moment&nbsp; $m_{2x}$&nbsp; is equal to the&nbsp; $($referred to&nbsp; $1\hspace{0.05cm} \Omega)$&nbsp; total power&nbsp; $P_x = 5\hspace{0.05cm}\rm V^2$.  
 +
*With the mean&nbsp; $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; it follows for the standard deviation: &nbsp;  
 +
:$$\sigma_{x} = \sqrt{5\hspace{0.05cm}\rm V^2 - (2\hspace{0.05cm}\rm V)^2} \hspace{0.15cm}\underline{= 1\hspace{0.05cm}\rm V}.$$
 +
 
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Die Verteilungsfunktion (VTF) einer gau&szlig;verteilten Zufallsgr&ouml;&szlig;e mit Mittelwert <i>m<sub>x</sub></i> und Streuung <i>&sigma;<sub>x</sub></i> lautet mit dem Gau&szlig;schen Fehlerintegral:
 
:$$F_x(r)=\rm\phi(\it\frac{r-m_x}{\sigma_x}).$$
 
  
:Die Verteilungsfunktion an der Stelle <i>r</i> = 0 V ist gleich der Wahrscheinlichkeit, dass <i>x</i> kleiner oder gleich 0 V ist. Bei kontinuierlichen Zufallsgrößen gilt aber auch Pr(<i>x</i> &#8804; <i>r</i>) = Pr(<i>x</i> < <i>r</i>). Mit dem komplement&auml;ren Gau&szlig;schen Fehlerintegral erh&auml;lt man somit:
+
'''(3)'''&nbsp; The CDF of a Gaussian random variable&nbsp; $($mean&nbsp; $m_x$,&nbsp; standard deviation&nbsp; $\sigma_x)$&nbsp; is with the Gaussian error integral:
 +
:$$F_x(r)=\rm\phi(\it\frac{r-m_x}{\sigma_x}\rm ).$$
 +
 
 +
*The cumulative distribution function at the point&nbsp; $r = 0\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; is equal to the probability that&nbsp; $x$&nbsp; is less than or equal to&nbsp; $0\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp;.  
 +
*But for continuous random variables,&nbsp; ${\rm Pr}(x \le r) = {\rm Pr}(x < r)$&nbsp; also holds&nbsp;.
 +
*Using the complementary Gaussian error integral,&nbsp; we obtain:
 
:$$\rm Pr(\it x < \rm 0\,V)=\rm \phi(\rm \frac{-2\,V}{1\,V})=\rm Q(\rm 2)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 2.27\%}.$$
 
:$$\rm Pr(\it x < \rm 0\,V)=\rm \phi(\rm \frac{-2\,V}{1\,V})=\rm Q(\rm 2)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 2.27\%}.$$
  
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Wegen der Symmetrie um den Wert 2V ergibt sich hierf&uuml;r die gleiche Wahrscheinlichkeit, nämlich  <u>2.27%</u>.
 
  
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;Die Wahrscheinlichkeit, dass <i>x</i>(<i>t</i>) gr&ouml;&szlig;er ist als 3V, ergibt sich zu
 
:$$\rm Pr(\it x > \rm 3\,V) =\rm 1- \it F_x(\frac{\rm 3\,V-2\,V}{\rm 1V})=\rm Q(\rm 1)=\rm 0.1587.$$
 
  
:F&uuml;r die gesuchte Wahrscheinlichkeit erh&auml;lt man daraus:
+
'''(4)'''&nbsp; Because of the symmetry around the mean&nbsp; $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; this gives the same probability,&nbsp; viz. 
:$$\rm Pr(\rm 3\,V\le \it x \le \rm 4\,V)= \rm Pr(\it x > \rm 3\,V)- \rm Pr(\it x > \rm 4\,V).$$
+
:$$\rm Pr(\it x > \rm 4\,V)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 2.27\%}.$$
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(5)'''&nbsp; The probability that&nbsp; $x$&nbsp; is greater than&nbsp; $3\hspace{0.05cm}\rm V$ is given by.
 +
:$${\rm Pr}( x > 3\text{ V}) = 1- F_x(\frac{3\text{ V}-2\text{ V}}{1\text{ V}})=\rm Q(\rm 1)=\rm 0.1587.$$
  
:Dies liefert den Zahlenwert 0.1587 - 0.0227 <u>= 13.6%</u>.
+
*For the sought probability one obtains from it:
 +
:$$\rm Pr(3\,V\le \it x \le \rm 4\,V)= \rm Pr(\it x > \rm 3\,V)- \rm Pr(\it x > \rm 4\,V) = 0.1587 - 0.0227\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 13.6\%}. $$
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^3.5 Gaußverteilte Zufallsgröße^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^3.5 Gaussian Random Variable^]]

Latest revision as of 17:02, 17 February 2022

Noisy DC signal and PDF

A DC signal  $s(t) = 2\hspace{0.05cm}\rm V$  is additively overlaid by a noise signal  $n(t)$.

  • In the upper picture you can see a section of the sum signal   $x(t)=s(t)+n(t).$
  • The probability density function  $\rm (PDF)$  of the signal  $x(t)$  is shown below.
  • The  $($related to the resistor  $1\hspace{0.05cm} \Omega)$  total power of this signal is  $P_x = 5\hspace{0.05cm}\rm V^2$.




Hints:

$$\rm Q(0) = 0.5,\hspace{0.5cm} Q(1) = 0.1587, \hspace{0.5cm}\rm Q(2) = 0.0227, \hspace{0.5cm} Q(3) = 0.0013. $$



Questions

1

Which of the following statements are true?

The signal $s(t)$  is uniformly distributed.
The noise signal  $n(t)$  is Gaussian distributed.
The noise signal  $n(t)$  has a mean value  $m_n \ne 0$.
The total signal  $x(t)$  is Gaussian distributed with mean  $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$.

2

Calculate the standard deviation of the signal  $x(t)$.

$\sigma_x \ = \ $

$\ \rm V$

3

What is the probability that  $x(t) < 0\hspace{0.05cm}\rm V$ ?

${\rm Pr}(x < 0\hspace{0.05cm}\rm V)\ = \ $

$\ \%$

4

What is the probability that  $x(t) > 4\hspace{0.05cm}\rm V$?

${\rm Pr}(x > 4\hspace{0.05cm}\rm V)\ = \ $

$\ \%$

5

What is the probability that  $x(t)$  is between  $3\hspace{0.05cm}\rm V$  and  $4\hspace{0.05cm}\rm V$?

${\rm Pr}(+3\hspace{0.05cm}{\rm V} < x < +4\hspace{0.05cm}{\rm V}) \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  Correct are  solutions 2 and 4:

  • The uniform signal  $s(t)$  is not uniformly distributed,  rather its PDF consists of only one Dirac delta function at  $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$  with weight  $1$.
  • The signal  $n(t)$  is Gaussian and mean-free   ⇒   $m_n = 0$.
  • Therefore the sum signal  $x(t)$  is also Gaussian,  but now with mean  $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$.
  • This is due to the DC signal alone  $s(t) = 2\hspace{0.05cm}\rm V$.


(2)  According to Steiner's theorem:

$$\sigma_{x}^{\rm 2}=m_{\rm 2 \it x}-m_{x}^{\rm 2}. $$
  • The second order moment  $m_{2x}$  is equal to the  $($referred to  $1\hspace{0.05cm} \Omega)$  total power  $P_x = 5\hspace{0.05cm}\rm V^2$.
  • With the mean  $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$  it follows for the standard deviation:  
$$\sigma_{x} = \sqrt{5\hspace{0.05cm}\rm V^2 - (2\hspace{0.05cm}\rm V)^2} \hspace{0.15cm}\underline{= 1\hspace{0.05cm}\rm V}.$$


(3)  The CDF of a Gaussian random variable  $($mean  $m_x$,  standard deviation  $\sigma_x)$  is with the Gaussian error integral:

$$F_x(r)=\rm\phi(\it\frac{r-m_x}{\sigma_x}\rm ).$$
  • The cumulative distribution function at the point  $r = 0\hspace{0.05cm}\rm V$  is equal to the probability that  $x$  is less than or equal to  $0\hspace{0.05cm}\rm V$ .
  • But for continuous random variables,  ${\rm Pr}(x \le r) = {\rm Pr}(x < r)$  also holds .
  • Using the complementary Gaussian error integral,  we obtain:
$$\rm Pr(\it x < \rm 0\,V)=\rm \phi(\rm \frac{-2\,V}{1\,V})=\rm Q(\rm 2)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 2.27\%}.$$


(4)  Because of the symmetry around the mean  $m_x = 2\hspace{0.05cm}\rm V$  this gives the same probability,  viz.

$$\rm Pr(\it x > \rm 4\,V)\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 2.27\%}.$$


(5)  The probability that  $x$  is greater than  $3\hspace{0.05cm}\rm V$ is given by.

$${\rm Pr}( x > 3\text{ V}) = 1- F_x(\frac{3\text{ V}-2\text{ V}}{1\text{ V}})=\rm Q(\rm 1)=\rm 0.1587.$$
  • For the sought probability one obtains from it:
$$\rm Pr(3\,V\le \it x \le \rm 4\,V)= \rm Pr(\it x > \rm 3\,V)- \rm Pr(\it x > \rm 4\,V) = 0.1587 - 0.0227\hspace{0.15cm}\underline{=\rm 13.6\%}. $$