Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Cross-Correlation Function and Cross Power-Spectral Density"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü= Zufallsgrößen mit statistischen Bindungen
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|Untermenü= Random Variables with Statistical Dependence
|Vorherige Seite=Leistungsdichtespektrum (LDS)
+
|Vorherige Seite=Power-Spectral Density
|Nächste Seite=Verallgemeinerung auf N-dimensionale Zufallsgrößen
+
|Nächste Seite=Generalization to N-Dimensional Random Variables
 
}}
 
}}
==Definition der Kreuzkorrelationsfunktion==
+
==Definition of the cross-correlation function==
Bei vielen technischen Anwendungen interessiert man sich für ein quantitatives Maß zur Beschreibung der statistischen Verwandtschaft zwischen verschiedenen Prozessen bzw. zwischen deren Mustersignalen. Ein solches Maß ist die ''Kreuzkorrelationsfunktion'' (KKF), die hier unter den Voraussetzungen von ''Stationarität'' und ''Ergodizität'' hergeleitet wird.  
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<br>
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In many engineering applications,&nbsp; one is interested in a quantitative measure to describe the statistical relatedness between different processes or between their pattern signals.&nbsp; One such measure is the&nbsp; "cross-correlation function",&nbsp; which is given here under the assumptions of&nbsp; "stationarity"'&nbsp; and&nbsp; "ergodicity".  
  
{{Definition}}''':'''&nbsp; Für die '''Kreuzkorrelationsfunktion''' zweier stationärer und ergodischer Prozesse mit den Musterfunktionen $x(t)$ und $y(t)$ gilt:  
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{{BlaueBox|TEXT= 
:$$\varphi_{xy}(\tau)={\rm E} [{x(t)\cdot y(t+\tau)}]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}x(t)\cdot y(t+\tau)\,\rm d \it t.$$
+
$\text{Definition:}$&nbsp; For the&nbsp; &raquo;'''cross-correlation function'''&laquo;&nbsp; $\rm (CCF)$ of two stationary and ergodic processes with the pattern functions&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; holds:  
{{end}}
+
:$$\varphi_{xy}(\tau)={\rm E} \big[{x(t)\cdot y(t+\tau)}\big]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M} }\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2} }_{-T_{\rm M}/{\rm 2} }x(t)\cdot y(t+\tau)\,\rm d \it t.$$
  
 +
*The first defining equation characterizes the&nbsp; expected value formation&nbsp; ("ensemble averaging"),
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*while the second equation describes the&nbsp; "time averaging"&nbsp; over an&nbsp; (as large as possible)&nbsp; measurement period&nbsp; $T_{\rm M}$.}}
  
Die erste Definitionsgleichung kennzeichnet die Erwartungswertbildung (Scharmittelung), während die zweite Gleichung die Zeitmittelung über eine (möglichst große) Messdauer $T_{\rm M}$ beschreibt.
 
  
Ein Vergleich mit der  [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Autokorrelationsfunktion_bei_ergodischen_Prozessen_.282.29|AKF-Definition]] zeigt viele Gemeinsamkeiten mit dieser. Setzt man $y(t) = x(t)$, so erhält man $φ_{xy}(τ) = φ_{xx}(τ)$, also die Autokorrelationsfunktion, für die in unserem Tutorial meist  die vereinfachte Schreibweise $φ_x(τ)$verwendet wird.  
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A comparison with the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Auto-correlation_function_for_stationary_and_ergodic_processes|$\text{ACF definition}$]]&nbsp; shows many similarities. &nbsp;
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*Setting&nbsp; $y(t) = x(t)$,&nbsp; we get&nbsp; $φ_{xy}(τ) = φ_{xx}(τ)$, i.e., the auto-correlation function,
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*for which,&nbsp; however,&nbsp; in our tutorial we mostly use the simplified notation&nbsp; $φ_x(τ)$.  
  
  
{{Beispiel}}''':'''
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{{GraueBox|TEXT= 
[[File:P_ID434__Sto_T_4_6_S1neu.png |right|frame| Zur Definition der Kreuzkorrelationsfunktion]]
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
Wir betrachten ein Zufallssignal $x(t)$ mit dreieckförmiger AKF $φ_x(τ)$ ⇒  blaue Kurve. Diese AKF–Form ergibt sich zum Beispiel
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We consider a random signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with triangular auto-correlation function&nbsp; $φ_x(τ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; blue curve.&nbsp; This ACF shape results e.g. for
*für ein Binärsignal mit gleichwahrscheinlichen bipolaren Amplitudenkoeffizienten ($+1$ bzw. $–1$) und
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[[File:P_ID434__Sto_T_4_6_S1neu.png |right|frame|Cross-correlation function of a binary signal]]
*bei rechteckförmigem Grundimpuls.  
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*a binary signal with equally probable bipolar amplitude coefficients&nbsp; $(\pm1)$&nbsp;
 +
*and a rectangular basic pulse&nbsp; $g(t)$.  
  
  
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We consider a second signal&nbsp; $y(t) = \alpha \cdot x (t - t_{\rm 0})$,&nbsp; which differs from&nbsp; $x(t)$&nbsp; only by an attenuation factor&nbsp; $(α =0.5)$&nbsp; and a delay time&nbsp; $(t_0 = 3 \ \rm ms)$.
  
Wir betrachten dazu noch ein zweites Signal $y(t) = \alpha \cdot x (t - t_{\rm 0}),$ das sich von $x(t)$ nur durch einen Dämpfungsfaktor $α$ und eine Laufzeit $t_0$ unterscheidet, wobei dem obigen Bild $α =0.5$ und $t_0 = 3 \ \rm  ms$ zugrunde liegen. Dieses gedämpfte und verschobene Signal besitzt die rot gezeichnete AKF
+
This attenuated and shifted signal has the auto-correlation function drawn in red:
 
:$$\varphi_{y}(\tau) = \alpha^2 \cdot \varphi_{x}(\tau) .$$
 
:$$\varphi_{y}(\tau) = \alpha^2 \cdot \varphi_{x}(\tau) .$$
Die Verschiebung um $t_0$ ist in der AKF nicht zu erkennen im Gegensatz zur (grün dargestellten) KKF, für die folgende Beziehung gilt:  
+
The shift around&nbsp; $t_0$&nbsp; is not seen in this auto-correlation function in contrast to the&nbsp; (green)&nbsp;  cross-correlation function&nbsp; $\rm (CCF)$&nbsp; for which the following relation holds:  
:$$\varphi_{xy}(\tau) = \alpha \cdot \varphi_{x}(\tau- t_{\rm 0}) .$$
+
:$$\varphi_{xy}(\tau) = \alpha \cdot \varphi_{x}(\tau- t_{\rm 0}) .$$}}
{{end}}
 
  
==Eigenschaften der Kreuzkorrelationsfunktion==
+
==Properties of the cross-correlation function==
Im Folgenden  sind wesentliche Eigenschaften der Kreuzkorrelationsfunktion zusammengestellt und die wichtigsten Unterschiede zur AKF herausgearbeitet.  
+
<br>
*Die Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion ist ''nicht kommutativ''. Vielmehr gibt es stets zwei unterschiedliche Funktionen, nämlich
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In the following,&nbsp; essential properties of the cross-correlation function&nbsp; $\rm (CCF)$&nbsp; are composed.&nbsp; Important differences to the auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$&nbsp; are:
:$$\varphi_{xy}(\tau)={\rm E} [{x(t)\cdot y(t+\tau)}]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}x(t)\cdot y(t+\tau)\,\, \rm d \it t,$$
+
*The formation of the cross-correlation function is&nbsp; &raquo;not commutative&laquo;.&nbsp; Rather,&nbsp; there are always two distinct functions,&nbsp; viz.
:$$\varphi_{yx}(\tau)={\rm E} [{y(t)\cdot x(t+\tau)}]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}y(t)\cdot x(t+\tau)\,\, \rm d \it t .$$
+
:$$\varphi_{xy}(\tau)={\rm E} \big[{x(t)\cdot y(t+\tau)}\big]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}x(t)\cdot y(t+\tau)\,\, \rm d \it t,$$
*Zwischen den beiden Funktionen besteht der Zusammenhang $φ_{yx}(τ) = φ_{xy}(–τ)$. Im Beispiel des letzten Abschnitts hätte $φ_{yx}(τ)$ sein Maximum bei $τ = –3 \ \rm ms$.  
+
:$$\varphi_{yx}(\tau)={\rm E} \big[{y(t)\cdot x(t+\tau)}\big]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}y(t)\cdot x(t+\tau)\,\, \rm d \it t .$$
*Im Allgemeinen tritt das ''KKF-Maximum'' nicht bei $τ = 0$ auf (Ausnahme: $y = α · x$) und dem KKF-Wert $φ_{xy}(τ = 0)$ kommt keine besondere, physikalisch interpretierbare Bedeutung zu wie bei der AKF, bei der dieser Wert die Prozessleistung wiedergibt.  
+
*There is a relationship between the two functions: &nbsp; $φ_{yx}(τ) = φ_{xy}()$.&nbsp; In&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Cross-Correlation_Function_and_Cross_Power-Spectral_Density#Definition_of_the_cross-correlation_function|$\text{Example 1}$]]&nbsp; of the last section,&nbsp; the second cross-correlation function&nbsp; $φ_{yx}(τ)$&nbsp; would have its maximum at&nbsp; $τ = -3 \ \rm ms$.  
*Der Betrag der KKF ist nach der [https://de.wikipedia.org/wiki/Cauchy-Schwarzsche_Ungleichung Cauchy-Schwarzschen Ungleichung] für alle $τ$-Werte kleiner oder gleich dem geometrischen Mittel der beiden Signalleistungen:  
+
*In general,&nbsp; the&nbsp; &raquo;maximum CCF&laquo;&nbsp; does not occur at&nbsp; $τ = 0$&nbsp; $($exception: &nbsp; $y = α \cdot x)$&nbsp; and the CCF value&nbsp; $φ_{xy}(τ = 0)$&nbsp; does not have any special,&nbsp; physically interpretable meaning as in the ACF,&nbsp; where this value reflects the process power.  
:$$\varphi_{xy}( \tau) \le \sqrt {\varphi_{x}( \tau = 0) \cdot \varphi_{y}( \tau = 0)}.$$
+
* For all&nbsp; $τ$-values,&nbsp; the&nbsp; &raquo;CCF magnitude&laquo;&nbsp; is less than or equal to the geometric mean of the two signal powers according to the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Cauchy%E2%80%93Schwarz_inequality $\text{Cauchy-Schwarz inequality}$]:  
:Im Beispiel auf der letzten Seite gilt das Gleichheitszeichen:
+
:$$\varphi_{xy}( \tau) \le \sqrt {\varphi_{x}( \tau = 0) \cdot \varphi_{y}( \tau = 0)}.$$
:$$\varphi_{xy}( \tau = t_{\rm 0}) = \sqrt {\varphi_{x}( \tau = 0) \cdot \varphi_{y}( \tau = 0)} = \alpha \cdot \varphi_{x}( \tau = {\rm 0}) .$$
+
:In&nbsp; $\text{Example 1}$&nbsp; in the last section,&nbsp; the equal sign applies:&nbsp; $\varphi_{xy}( \tau = t_{\rm 0}) = \sqrt {\varphi_{x}( \tau = 0) \cdot \varphi_{y}( \tau = 0)} = \alpha \cdot \varphi_{x}( \tau = {\rm 0}) .$
*Beinhalten $x(t)$ und $y(t)$ keinen gemeinsamen periodischen Anteil, so zeigt der ''Grenzwert der KKF'' für $τ → ∞$ das Produkt der beiden Mittelwerte an:  
+
*If&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; do not contain a common periodic fraction,&nbsp; the&nbsp; &raquo;CCF limit&laquo;&nbsp; for&nbsp; $τ → ∞$&nbsp; gives the product of both means:  
 
:$$\lim_{\tau \rightarrow \infty} \varphi _{xy} ( \tau ) = m_x \cdot m_y .$$
 
:$$\lim_{\tau \rightarrow \infty} \varphi _{xy} ( \tau ) = m_x \cdot m_y .$$
*Sind zwei Signale $x(t)$ und $y(t)$ ''unkorreliert'', so gilt $φ_{xy}(τ) ≡$ 0, das heißt, es ist $φ_{xy}(τ) =$ 0 für alle Werte von $τ$. Diese Annahme ist beispielsweise bei der gemeinsamen Betrachtung eines Nutz- und eines Störsignals in den meisten Fällen gerechtfertigt.  
+
*If two signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; are&nbsp; &raquo;uncorrelated&laquo;,&nbsp; then&nbsp; $φ_{xy}(τ) ≡ 0$,&nbsp; that is,&nbsp; it is&nbsp; $φ_{xy}(τ) = 0$&nbsp; for all values of&nbsp; $τ$. &nbsp; For example,&nbsp; this assumption is justified in most cases when considering a useful signal and a noise signal together.  
*Es ist jedoch stets zu beachten, dass die KKF nur die ''linearen statistischen Bindungen'' zwischen den Signalen $x(t)$ und $y(t)$ beinhaltet. Bindungen anderer Art – wie beispielsweise für den Fall $y(t) = x(t)^2$ – werden dagegen bei der KKF-Bildung nicht berücksichtigt.  
+
*However,&nbsp; it should always be noted,&nbsp; that the CCF includes only the&nbsp; &raquo;linear statistical bindings&laquo;&nbsp; between the signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$.&nbsp; Bindings of other types&nbsp; &ndash; such as for the case&nbsp; $y(t) = x^2(t)$&nbsp; &ndash;&nbsp; are not taken into account in the CCF formation.  
  
==Anwendungen der Kreuzkorrelationsfunktion==
+
==Applications of the cross-correlation function==
Die Anwendungen der KKF in Nachrichtensystemen sind vielfältig. Hier einige Beispiele:
+
<br>
*Bei [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation|Amplitudenmodulation]], aber auch bei [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|BPSK-Systemen]] (''Binary Phase Shift Keying'') wird zur Demodulation (Rücksetzung des Signals in den ursprünglichen Frequenzbereich) sehr häufig der so genannte Synchrondemodulator verwendet, wobei auch beim Empfänger ein Trägersignal zugesetzt werden muss, und zwar frequenz– und phasensynchron zum Sender. Bildet man die KKF zwischen dem Empfangssignal und dem empfangsseitigen Trägersignal, so lässt sich anhand der Spitze der KKF die phasensynchrone Lage zwischen den beiden Signalen erkennen, und es kann bei Auseinanderdriften nachgeregelt werden.
+
The applications of the cross-correlation function in Communication systems are many.&nbsp; Here are some examples:
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; In&nbsp; [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation|$\text{amplitude modulation}$]],&nbsp; but also in&nbsp; [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|$\text{BPSK systems}$]]&nbsp; ("Binary Phase Shift Keying"),&nbsp; the so-called&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|$\text{Synchronous Demodulator}$]]&nbsp; is often used for demodulation&nbsp; (resetting the signal to the original frequency range),&nbsp; whereby a carrier signal must also be added at the receiver,&nbsp; and this must be frequency and phase synchronous to the transmitter.
  
*Das Mehrfachzugriffsverfahren [[Modulationsverfahren/Spreizfolgen_für_CDMA|CDMA]] (''Code Division Multiple Access'') wird zum Beispiel im Mobilfunkstandard [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS|UMTS]] angewendet. Es erfordert eine strenge Phasensynchronität, und zwar bezüglich der zugesetzten Pseudonoise-Folgen beim Sender (''Bandspreizung'') und beim Empfänger (''Bandstauchung''). Auch dieses Synchronisationsproblem löst man meist mittels der Kreuzkorrelationsfunktion.
+
&rArr; &nbsp; If one forms the CCF between the received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; and the carrier signal&nbsp; $z_{\rm E}(t)$&nbsp; on the receiver side,&nbsp; the phase synchronous position between the two signals can be recognized by means of the CCF peak,&nbsp; and it can be readjusted in case of drifting apart.}}
  
  
*Mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion kann festgestellt werden, ob ein bekanntes Signal $s(t)$ in einem verrauschten Empfangssignal $r(t) = α · s(t – t_0) + n(t)$ vorhanden ist oder nicht, und wenn ja, zu welchem Zeitpunkt $t_0$ es auftritt. Aus dem berechneten Wert für $t_0$ lässt sich dann beispielsweise eine Fahrgeschwindigkeit ermitteln (''Radartechnik''). Diese Aufgabenstellung kann auch mit dem so genannten Matched-Filter gelöst werden, das in einem [[Stochastische_Signaltheorie/Matched-Filter|späteren Kapitel]] noch eingehend beschrieben wird und das viele Gemeinsamkeiten mit der Kreuzkorrelationsfunktion aufweist.  
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp; 
 +
The multiple access method&nbsp; [[Modulation_Methods/Spreading_Sequences_for_CDMA|$\text{CDMA}$]]&nbsp; ("Code Division Multiple Access")&nbsp; is used,&nbsp; for example,&nbsp; in the mobile radio standard&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_UMTS|$\text{UMTS}$]].&nbsp;  It requires strict phase synchronism,&nbsp; with respect to the added&nbsp; "pseudonoise sequences"&nbsp; at the transmitter&nbsp; ("band spreading")&nbsp; and at the receiver&nbsp; ("band compression").&nbsp;
  
 +
&rArr; &nbsp; This synchronization problem is also usually solved using the cross-correlation function.}}
  
*Beim so genannten [[Digitalsignalübertragung/Optimale_Empfängerstrategien#Korrelationsempf.C3.A4nger|Korrelationsempfänger]]  verwendet man die KKF zur Signaldetektion. Hierbei bildet man die Kreuzkorrelation zwischen dem durch Rauschen und eventuell auch durch Verzerrungen verfälschten Empfangssignal $r(t)$ und allen möglichen Sendesignalen $s_i(t)$, wobei für den Laufindex $i = 1$, ... , $I$ gelten soll. Entscheidet man $N$ Binärsymbole gemeinsam, so ist $I = {\rm 2}^N$. Man entscheidet sich dann für die Symbolfolge mit dem größten KKF-Wert und erreicht so die minimale Fehlerwahrscheinlichkeit entsprechend der ''Maximum-Likelihood-Entscheidungsregel.''
 
  
==Kreuzleistungsdichtespektrum==
+
{{GraueBox|TEXT=
Für manche Anwendungen kann es durchaus vorteilhaft sein, die Korrelation zwischen zwei Zufallssignalen im Frequenzbereich zu beschreiben.  
+
$\text{Example 4:}$&nbsp; 
 +
The CCF can be used to determine whether or not a known signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is present in a noisy received signal &nbsp;$r(t) = α - s(t - t_0) + n(t)$&nbsp; and if so,&nbsp; at what time&nbsp; $t_0$&nbsp; it occurs.  
  
 +
*From the calculated&nbsp; $t_0$&nbsp; value,&nbsp; for example,&nbsp; a driving speed can be determined&nbsp; ("radar technique").&nbsp;
 +
*This task can also be solved with the "matched filter",&nbsp;  which has many similarities with the CCF and is described in a&nbsp; [https://en.lntwww.de/Theory_of_Stochastic_Signals/Matched_Filter $\text{later chapter}$].}}
  
{{Definition}}''':'''&nbsp; Die beiden '''Kreuzleistungsdichtespektren''' ${\it Φ}_{xy}(f)$ und ${\it Φ}_{yx}(f)$ ergeben sich aus den dazugehörigen Kreuzkorrelationsfunktionen durch die Fouriertransformation:
 
:$${\it \Phi}_{xy}(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_{xy}({\it \tau}) \cdot {\rm e}^{{\rm -j}\pi f \tau} \rm d \it \tau, $$
 
:$${\it \Phi}_{yx}(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_{yx}({\it \tau}) \cdot {\rm e}^{{\rm -j}\pi f \tau} \rm d \it \tau.$$
 
Manchmal wird hierfür auch der Begriff ''spektrale Kreuzleistungsdichte'' verwendet.
 
{{end}}
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 5:}$&nbsp; In the so-called&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Optimal_Receiver_Strategies#Matched_filter_receiver_vs._correlation_receiver|$\text{correlation receiver}$]],&nbsp; one uses the CCF for signal detection. &nbsp; Here one forms the cross-correlation function
 +
* between the received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; $($distorted by noise and possibly also by distortions$)$&nbsp;
 +
* and all possible transmitted signals&nbsp; $s_i(t)$,&nbsp; where for the control index&nbsp; $i = 1$, ... , $I$&nbsp; shall hold.&nbsp;
  
Es gilt hier der gleiche Zusammenhang wie zwischen einem deterministischen Signal $x(t)$ und seinem Spektrum $X(f)$ bzw. zwischen der Autokorrelationsfunktion ${\it φ}_x(τ)$ eines ergodischen Prozesses  $\{x_i(t)\}$ und dem dazugehörigen Leistungsdichtespektrum ${\it Φ}_x(f)$. Ebenso beschreibt bei diesen Beispielen die [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|Fourierrücktransformation]]  ⇒  „Zweites Fourierintegral” den Übergang vom Spektralbereich in den Zeitbereich.
 
  
 +
&rArr; &nbsp; Deciding&nbsp; $N$&nbsp; binary symbols together,&nbsp; then&nbsp; $I = {\rm 2}^N$.&nbsp; One then decides on the symbol sequence with the largest CCF value,&nbsp; achieving the minimum error probability according to the&nbsp; "maximum likelihood decision rule".}}
  
{{Beispiel}}''':'''&nbsp;
+
==Cross power-spectral density==
[[File:P_ID772__Sto_T_4_6_S1neu.png |right|frame| Zur Definition der Kreuzkorrelationsfunktion]]
+
<br>
Wir nehmen hier Bezug zum Beispiel auf der Seite [[Stochastische_Signaltheorie/Kreuzkorrelationsfunktion_und_Kreuzleistungsdichte#Definition_der_Kreuzkorrelationsfunktion|Definition der KKF]]  mit den beiden „rechteckförmigen Zufallsgrößen” $x(t)$ und $y(t) = α · x(t – t_0)$. Da die AKF ${\it φ}_x(τ)$ dreieckförmig verläuft, ist – wie im Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Leistungsdichtespektrum_(LDS)|Leistungsdichtespektrum]] beschrieben – hat das LDS ${\it Φ}_x(f)$ einen ${\rm si}^2$-förmigen Verlauf.
+
For some applications it can be quite advantageous to describe the correlation between two random signals in the frequency domain.  
  
Welche Aussagen können wir allgemein aus dieser Grafik für die Spektralfunktionen ableiten?
+
{{BlaueBox|TEXT=
*Im zitierten Beispiel haben wir festgestellt, dass sich die Autokorrelationsfunktion ${\it φ}_y(τ)$ von ${\it φ}_x(τ)$ nur um den konstanten Faktor $α^2$ unterscheidet.
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
*Damit ist klar, dass das Leistungsdichtespektrum ${\it Φ}_y(f)$ von ${\it \Phi}_x(f)$ ebenfalls nur um diesen konstanten Faktor $α^2$ abweicht. Beide Spektralfunktionen sind reell.
 
*Dagegen besitzt das Kreuzleistungsdichtespektrum einen komplexen Funktionsverlauf:
 
:$${\it \Phi}_{xy}(f) ={\it \Phi}^\star_{yx}(f)= \alpha \cdot {\it \Phi}_{x}(f) \hspace{0.05cm}\cdot {\rm e}^{- {\rm j } \hspace{0.02cm}\pi f t_0}.$$
 
  
{{end}}
+
The two&nbsp; &raquo;'''cross power-spectral densities'''&laquo;&nbsp; ${\it Φ}_{xy}(f)$&nbsp; and&nbsp; ${\it Φ}_{yx}(f)$&nbsp; result from the corresponding cross-correlation functions&nbsp; $\varphi_{xy}({\it \tau})$,&nbsp; resp.&nbsp; $\varphi_{yx}({\it \tau})$&nbsp; by Fourier transform:
 +
:$${\it \Phi}_{xy}(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_{xy}({\it \tau}) \cdot {\rm e}^{ {\rm -j}\pi f \tau} \rm d \it \tau, $$
 +
:$${\it \Phi}_{yx}(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_{yx}({\it \tau}) \cdot {\rm e}^{ {\rm -j}\pi f \tau} \rm d \it \tau.$$}}
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
  
[[Aufgaben:4.14 AKF/KKF bei Rechtecken|Aufgabe 4.14: &nbsp; AKF/KKF bei Rechtecken]]
+
The same relationship applies here as between
 +
*a deterministic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; and its spectrum&nbsp; $X(f)$,&nbsp;
 +
*the auto-correlation function&nbsp; ${\it φ}_x(τ)$&nbsp; of an ergodic process&nbsp; $\{x_i(t)\}$&nbsp; and the corresponding power-spectral density&nbsp; ${\it Φ}_x(f)$.
  
[[Aufgaben:4.14Z Auffinden von Echos|Zusatzaufgabe 4.14Z: &nbsp; Auffinden von Echos]]
+
 
 +
Similarly,&nbsp; the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_second_Fourier_integral|$\text{inverse Fourier transform}$]] &nbsp; ⇒ &nbsp; "Second Fourier integral"&nbsp; describes here  the transition from the frequency domain to the time domain.
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 6:}$&nbsp;
 +
We refer to&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Cross-Correlation_Function_and_Cross_Power_Density#Definition_of_the_cross-correlation_function|$\text{Example 1}$]]&nbsp;
 +
[[File:P_ID772__Sto_T_4_6_S1neu.png |right|frame| For the definition of the cross-correlation function]]   
 +
*with the rectangular random variable&nbsp; $x(t)$&nbsp; &nbsp;
 +
* and the attenuated and shifted signal&nbsp; $y(t) = α - x(t - t_0)$.
 +
 
 +
 
 +
&rArr; &nbsp; Since the auto-correlation function&nbsp; ${\it φ}_x(τ)$&nbsp; is triangular,&nbsp;  the power-spectral density&nbsp; ${\it Φ}_x(f)$&nbsp; has a&nbsp; ${\rm sinc}^2$-shaped profile.
 +
 
 +
 
 +
In general, what statements can we derive from this graph for the spectral functions?
 +
#In&nbsp; $\text{Example 1}$&nbsp; we found that the autocorrelation function&nbsp; ${\it φ}_y(τ)$&nbsp; differs from&nbsp; ${\it φ}_x(τ)$&nbsp; only by the constant factor&nbsp; $α^2$.
 +
#It is clear that the power-spectral density&nbsp; ${\it Φ}_y(f)$&nbsp; differs from&nbsp; ${\it \Phi}_x(f)$&nbsp; also only by this constant factor&nbsp; $α^2$.&nbsp; Both spectral functions are real.
 +
#In contrast,&nbsp; the cross power-spectral density has a complex functional:
 +
:$${\it \Phi}_{xy}(f) ={\it \Phi}^\star_{yx}(f)= \alpha \cdot {\it \Phi}_{x}(f) \hspace{0.05cm}\cdot {\rm e}^{- {\rm j } \hspace{0.02cm}\pi f t_0}.$$}}
 +
 
 +
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_4.14:_ACF_and_CCF_for_Square_Wave_Signals|Exercise 4.14: ACF and CCF for Square Wave Signals]]
 +
 
 +
[[Aufgaben:Exercise_4.14Z:_Echo_Detection|Exercise 4.14Z: Echo Detection]]
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 19:52, 21 December 2022

Definition of the cross-correlation function


In many engineering applications,  one is interested in a quantitative measure to describe the statistical relatedness between different processes or between their pattern signals.  One such measure is the  "cross-correlation function",  which is given here under the assumptions of  "stationarity"'  and  "ergodicity".

$\text{Definition:}$  For the  »cross-correlation function«  $\rm (CCF)$ of two stationary and ergodic processes with the pattern functions  $x(t)$  and  $y(t)$  holds:

$$\varphi_{xy}(\tau)={\rm E} \big[{x(t)\cdot y(t+\tau)}\big]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M} }\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2} }_{-T_{\rm M}/{\rm 2} }x(t)\cdot y(t+\tau)\,\rm d \it t.$$
  • The first defining equation characterizes the  expected value formation  ("ensemble averaging"),
  • while the second equation describes the  "time averaging"  over an  (as large as possible)  measurement period  $T_{\rm M}$.


A comparison with the  $\text{ACF definition}$  shows many similarities.  

  • Setting  $y(t) = x(t)$,  we get  $φ_{xy}(τ) = φ_{xx}(τ)$, i.e., the auto-correlation function,
  • for which,  however,  in our tutorial we mostly use the simplified notation  $φ_x(τ)$.


$\text{Example 1:}$  We consider a random signal  $x(t)$  with triangular auto-correlation function  $φ_x(τ)$   ⇒   blue curve.  This ACF shape results e.g. for

Cross-correlation function of a binary signal
  • a binary signal with equally probable bipolar amplitude coefficients  $(\pm1)$ 
  • and a rectangular basic pulse  $g(t)$.


We consider a second signal  $y(t) = \alpha \cdot x (t - t_{\rm 0})$,  which differs from  $x(t)$  only by an attenuation factor  $(α =0.5)$  and a delay time  $(t_0 = 3 \ \rm ms)$.

This attenuated and shifted signal has the auto-correlation function drawn in red:

$$\varphi_{y}(\tau) = \alpha^2 \cdot \varphi_{x}(\tau) .$$

The shift around  $t_0$  is not seen in this auto-correlation function in contrast to the  (green)  cross-correlation function  $\rm (CCF)$  for which the following relation holds:

$$\varphi_{xy}(\tau) = \alpha \cdot \varphi_{x}(\tau- t_{\rm 0}) .$$

Properties of the cross-correlation function


In the following,  essential properties of the cross-correlation function  $\rm (CCF)$  are composed.  Important differences to the auto-correlation function  $\rm (ACF)$  are:

  • The formation of the cross-correlation function is  »not commutative«.  Rather,  there are always two distinct functions,  viz.
$$\varphi_{xy}(\tau)={\rm E} \big[{x(t)\cdot y(t+\tau)}\big]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}x(t)\cdot y(t+\tau)\,\, \rm d \it t,$$
$$\varphi_{yx}(\tau)={\rm E} \big[{y(t)\cdot x(t+\tau)}\big]=\lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/{\rm 2}}_{-T_{\rm M}/{\rm 2}}y(t)\cdot x(t+\tau)\,\, \rm d \it t .$$
  • There is a relationship between the two functions:   $φ_{yx}(τ) = φ_{xy}(-τ)$.  In  $\text{Example 1}$  of the last section,  the second cross-correlation function  $φ_{yx}(τ)$  would have its maximum at  $τ = -3 \ \rm ms$.
  • In general,  the  »maximum CCF«  does not occur at  $τ = 0$  $($exception:   $y = α \cdot x)$  and the CCF value  $φ_{xy}(τ = 0)$  does not have any special,  physically interpretable meaning as in the ACF,  where this value reflects the process power.
  • For all  $τ$-values,  the  »CCF magnitude«  is less than or equal to the geometric mean of the two signal powers according to the  $\text{Cauchy-Schwarz inequality}$:
$$\varphi_{xy}( \tau) \le \sqrt {\varphi_{x}( \tau = 0) \cdot \varphi_{y}( \tau = 0)}.$$
In  $\text{Example 1}$  in the last section,  the equal sign applies:  $\varphi_{xy}( \tau = t_{\rm 0}) = \sqrt {\varphi_{x}( \tau = 0) \cdot \varphi_{y}( \tau = 0)} = \alpha \cdot \varphi_{x}( \tau = {\rm 0}) .$
  • If  $x(t)$  and  $y(t)$  do not contain a common periodic fraction,  the  »CCF limit«  for  $τ → ∞$  gives the product of both means:
$$\lim_{\tau \rightarrow \infty} \varphi _{xy} ( \tau ) = m_x \cdot m_y .$$
  • If two signals  $x(t)$  and  $y(t)$  are  »uncorrelated«,  then  $φ_{xy}(τ) ≡ 0$,  that is,  it is  $φ_{xy}(τ) = 0$  for all values of  $τ$.   For example,  this assumption is justified in most cases when considering a useful signal and a noise signal together.
  • However,  it should always be noted,  that the CCF includes only the  »linear statistical bindings«  between the signals  $x(t)$  and  $y(t)$.  Bindings of other types  – such as for the case  $y(t) = x^2(t)$  –  are not taken into account in the CCF formation.

Applications of the cross-correlation function


The applications of the cross-correlation function in Communication systems are many.  Here are some examples:

$\text{Example 2:}$  In  $\text{amplitude modulation}$,  but also in  $\text{BPSK systems}$  ("Binary Phase Shift Keying"),  the so-called  $\text{Synchronous Demodulator}$  is often used for demodulation  (resetting the signal to the original frequency range),  whereby a carrier signal must also be added at the receiver,  and this must be frequency and phase synchronous to the transmitter.

⇒   If one forms the CCF between the received signal  $r(t)$  and the carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  on the receiver side,  the phase synchronous position between the two signals can be recognized by means of the CCF peak,  and it can be readjusted in case of drifting apart.


$\text{Example 3:}$  The multiple access method  $\text{CDMA}$  ("Code Division Multiple Access")  is used,  for example,  in the mobile radio standard  $\text{UMTS}$.  It requires strict phase synchronism,  with respect to the added  "pseudonoise sequences"  at the transmitter  ("band spreading")  and at the receiver  ("band compression"). 

⇒   This synchronization problem is also usually solved using the cross-correlation function.


$\text{Example 4:}$  The CCF can be used to determine whether or not a known signal  $s(t)$  is present in a noisy received signal  $r(t) = α - s(t - t_0) + n(t)$  and if so,  at what time  $t_0$  it occurs.

  • From the calculated  $t_0$  value,  for example,  a driving speed can be determined  ("radar technique"). 
  • This task can also be solved with the "matched filter",  which has many similarities with the CCF and is described in a  $\text{later chapter}$.


$\text{Example 5:}$  In the so-called  $\text{correlation receiver}$,  one uses the CCF for signal detection.   Here one forms the cross-correlation function

  • between the received signal  $r(t)$  $($distorted by noise and possibly also by distortions$)$ 
  • and all possible transmitted signals  $s_i(t)$,  where for the control index  $i = 1$, ... , $I$  shall hold. 


⇒   Deciding  $N$  binary symbols together,  then  $I = {\rm 2}^N$.  One then decides on the symbol sequence with the largest CCF value,  achieving the minimum error probability according to the  "maximum likelihood decision rule".

Cross power-spectral density


For some applications it can be quite advantageous to describe the correlation between two random signals in the frequency domain.

$\text{Definition:}$ 

The two  »cross power-spectral densities«  ${\it Φ}_{xy}(f)$  and  ${\it Φ}_{yx}(f)$  result from the corresponding cross-correlation functions  $\varphi_{xy}({\it \tau})$,  resp.  $\varphi_{yx}({\it \tau})$  by Fourier transform:

$${\it \Phi}_{xy}(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_{xy}({\it \tau}) \cdot {\rm e}^{ {\rm -j}\pi f \tau} \rm d \it \tau, $$
$${\it \Phi}_{yx}(f)=\int^{+\infty}_{-\infty}\varphi_{yx}({\it \tau}) \cdot {\rm e}^{ {\rm -j}\pi f \tau} \rm d \it \tau.$$


The same relationship applies here as between

  • a deterministic signal  $x(t)$  and its spectrum  $X(f)$, 
  • the auto-correlation function  ${\it φ}_x(τ)$  of an ergodic process  $\{x_i(t)\}$  and the corresponding power-spectral density  ${\it Φ}_x(f)$.


Similarly,  the  $\text{inverse Fourier transform}$   ⇒   "Second Fourier integral"  describes here the transition from the frequency domain to the time domain.

$\text{Example 6:}$  We refer to  $\text{Example 1}$ 

For the definition of the cross-correlation function
  • with the rectangular random variable  $x(t)$   
  • and the attenuated and shifted signal  $y(t) = α - x(t - t_0)$.


⇒   Since the auto-correlation function  ${\it φ}_x(τ)$  is triangular,  the power-spectral density  ${\it Φ}_x(f)$  has a  ${\rm sinc}^2$-shaped profile.


In general, what statements can we derive from this graph for the spectral functions?

  1. In  $\text{Example 1}$  we found that the autocorrelation function  ${\it φ}_y(τ)$  differs from  ${\it φ}_x(τ)$  only by the constant factor  $α^2$.
  2. It is clear that the power-spectral density  ${\it Φ}_y(f)$  differs from  ${\it \Phi}_x(f)$  also only by this constant factor  $α^2$.  Both spectral functions are real.
  3. In contrast,  the cross power-spectral density has a complex functional:
$${\it \Phi}_{xy}(f) ={\it \Phi}^\star_{yx}(f)= \alpha \cdot {\it \Phi}_{x}(f) \hspace{0.05cm}\cdot {\rm e}^{- {\rm j } \hspace{0.02cm}\pi f t_0}.$$

Exercises for the chapter


Exercise 4.14: ACF and CCF for Square Wave Signals

Exercise 4.14Z: Echo Detection