Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Moments of a Discrete Random Variable"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Diskrete Zufallsgrößen
+
|Untermenü=Discrete Random Variables
|Vorherige Seite=Wahrscheinlichkeit und relative Häufigkeit
+
|Vorherige Seite=From Random Experiment to Random Variable
|Nächste Seite=Binomialverteilung
+
|Nächste Seite=Binomial Distribution
 
}}
 
}}
==Berechnung als Schar- bzw. Zeitmittelwert==
+
==Calculation as ensemble average or time average==
Die Wahrscheinlichkeiten bzw. die relativen Häufigkeiten liefern weitreichende Informationen über eine diskrete Zufallsgröße. Reduzierte Informationen erhält man durch die so genannten Momente $m_k$, wobei $k$ eine natürliche Zahl darstellt.  
+
<br>
 +
The probabilities and the relative frequencies provide extensive information about a discrete random variable.&nbsp; Reduced information is obtained by the so-called&nbsp; &raquo;'''moments'''&laquo; &nbsp; $m_k$,&nbsp; where&nbsp; $k$&nbsp; represents a natural number.  
  
Unter der hier stillschweigend vorausgesetzten [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Ergodische_Zufallsprozesse|Ergodizität]]  gibt es für das Moment $k$-ter Ordnung zwei unterschiedliche Berechnungsmöglichkeiten:
+
{{BlueBox|TEXT=
*die Scharmittelung bzw. ''Erwartungswertbildung'' (Mittelung über alle möglichen Werte):
+
$\text{Two alternative ways of calculation:}$&nbsp;
$$m_k = \rm E \it \rm {[}z^k \rm{]} = \sum_{\mu = \rm 1}^{\it M}p_\mu \cdot z_\mu^k \hspace{2cm} \rm mit \hspace{0.1cm} {\rm E[...]:} \hspace{0.1cm} \rm Erwartungswert ,$$
 
*die Zeitmittelung über die Zufallsfolge 〈 $z_ν$〉 mit der Laufvariablen $ν =$ 1 , ... , $N$:
 
$$m_k=\overline{z_\nu^k}=\hspace{0.01cm}\lim_{N\to\infty}\frac{1}{N}\sum_{\nu=\rm 1}^{\it N}z_\nu^k\hspace{1.7cm}\rm mit\hspace{0.1cm}\ddot{u}berstreichender\hspace{0.1cm}Linie:\hspace{0.1cm}Zeitmittelwert.$$
 
  
 +
Under the  condition&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Ergodic_random_processes|&raquo;$\text{ergodicity}$&laquo;]]&nbsp; implicitly assumed here,&nbsp; there are two different calculation possibilities for the&nbsp; $k$-th order moment:
 +
 +
$\rm (A)$&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''ensemble averaging'''&laquo;&nbsp; or&nbsp; &raquo;expected value formation&laquo; &nbsp; &rArr; &nbsp;averaging over all possible values&nbsp; $\{ z_\mu\}$&nbsp; with index&nbsp; $\mu = 1 , \hspace{0.1cm}\text{ ...}  \hspace{0.1cm} , M$:
 +
:$$m_k = {\rm E} \big[z^k \big] = \sum_{\mu = 1}^{M}p_\mu \cdot z_\mu^k \hspace{2cm} \rm with \hspace{0.1cm} {\rm E\big[\text{ ...} \big]\hspace{-0.1cm}:} \hspace{0.3cm} \rm expected\hspace{0.1cm}value ;$$
 +
$\rm (B)$&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''time averaging'''&laquo;&nbsp; over the random sequence&nbsp; $\langle z_ν\rangle$&nbsp; with index&nbsp; $ν = 1 , \hspace{0.1cm}\text{ ...}  \hspace{0.1cm} , N$:
 +
:$$m_k=\overline{z_\nu^k}=\hspace{0.01cm}\lim_{N\to\infty}\frac{1}{N}\sum_{\nu=\rm 1}^{\it N}z_\nu^k\hspace{1.7cm}\rm with\hspace{0.1cm}horizontal\hspace{0.1cm}line\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.1cm}time\hspace{0.1cm}average.$$}}
  
Beide Berechnungsarten führen für genügend große Werte von $N$ zum gleichen asymptotischen Ergebnis. Bei endlichem $N$ ergibt sich ein vergleichbarer Fehler, als wenn die Wahrscheinlichkeit durch die relative Häufigkeit angenähert wird.
 
  
==Linearer Mittelwert - Gleichanteil==
+
<u>Note:</u>
Mit $k =$ 1 erhält man aus der allgemeinen Gleichung für die Momente den linearen Mittelwert:
+
#Both types of calculations lead to the same asymptotic result for sufficiently large values of&nbsp; $N$.
$$m_1 =\sum_{\mu=1}^{M}p_\mu\cdot z_\mu =\lim_{N\to\infty}\frac{1}{N}\sum_{\nu=1}^{N}z_\nu.$$
+
#For finite&nbsp; $N$,&nbsp; a comparable error results as when the probability is approximated by the relative frequency.  
Der linke Teil dieser Gleichung beschreibt die Scharmittelung (über alle möglichen Werte), während die rechte Gleichung die Bestimmung als Zeitmittelwert angibt. In Zusammenhang mit Signalen wird diese Größe auch als der Gleichanteil bezeichnet.
 
  
{{Beispiel}}
+
==First order moment &ndash; linear mean &ndash; DC component==
Ein Binärsignal mit den beiden Amplitudenwerten 1V (für das Symbol '''L''') und 3V (für das Symbol '''H''') sowie den Auftrittswahrscheinlichkeiten $p_{\rm L} =$ 0.2 bzw. $p_{\rm H} =$ 0.8 besitzt den linearen Mittelwert
+
<br>
$$m_1 = 0.2 \cdot 1\,{\rm V}+ 0.8 \cdot 3\,{\rm V}= 2.6 \,{\rm V}. $$
+
{{BlueBox|TEXT=
Dieser Gleichanteil ist in der Grafik als rote Linie eingezeichnet.
+
$\text{Definition:}$&nbsp; With&nbsp; $k = 1$&nbsp; we obtain from the general equation the first order moment &nbsp; &rArr; &nbsp; the&nbsp; &raquo;'''linear mean'''&laquo;:
 +
:$$m_1 =\sum_{\mu=1}^{M}p_\mu\cdot z_\mu =\lim_{N\to\infty}\frac{1}{N}\sum_{\nu=1}^{N}z_\nu.$$
 +
*The left part of this equation describes the ensemble averaging&nbsp; $($over all possible values$)$.
 +
 +
* The right equation gives the determination as time average.
 +
 +
*In the context of signals,&nbsp; this quantity is also referred to as the&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal|&raquo;$\text{direct current}$&laquo;]]&nbsp; $\rm (DC)$&nbsp; component.}}
  
[[File:P_ID49__Sto_T_2_2_S2_neu.png | Gleichanteil eines Binärsignals]]
 
  
Bestimmt man diese Kenngröße durch Zeitmittelung über die dargestellten $N =$ 12 Signalwerte, so wird man einen etwas kleineren Wert erhalten:
+
{{GraueBox|TEXT=
$$m_1' = 1/3 \cdot 1\,{\rm V}+ 2/3 \cdot 3\,{\rm V}= 2.33 \,{\rm V}. $$
+
[[File:P_ID49__Sto_T_2_2_S2_neu.png|right|frame|DC component&nbsp; $m_1$&nbsp; of a binary signal]]
Hier wurden die Auftrittswahrscheinlichkeiten $p_{\rm L} =$ 0.2 bzw. $p_{\rm H} =$ 0.8 durch die entsprechenden Häufigkeiten $h_{\rm L} =$ 4/12 und $h_{\rm H} =$ 8/12 ersetzt. Der relative Fehler aufgrund der unzureichenden Folgenlänge $N$ ist im Beispiel größer als 10%.
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; A binary signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with the two possible values
{{end}}
+
*$1\hspace{0.03cm}\rm V$&nbsp; $($for symbol&nbsp; $\rm L)$,
 +
*$3\hspace{0.03cm}\rm V$&nbsp; $($for symbol&nbsp; $\rm H)$  
  
==Quadratischer Mittelwert – Varianz – Streuung==
 
Analog zum linearen Mittelwert erhält man mit $k =$ 2 für den quadratischen Mittelwert:
 
$$m_2 =\sum_{\mu=\rm 1}^{\it M}p_\mu\cdot z_\mu^2 =\lim_{N\to\infty}\frac{\rm 1}{\it N}\sum_{\nu=\rm 1}^{\it N}z_\nu^2.$$
 
  
Bei Nachrichtensignalen gibt $m_2$ die (mittlere) ''Leistung'' an, bezogen auf den Widerstand 1 Ω. Beschreibt $z$ eine Spannung, so besitzt $m_2$ die Einheit $„{\rm V}^2”$. Zusammen mit dem Gleichanteil $m_1$ kann daraus als weitere Kenngröße die Varianz $σ^2$ bestimmt werden (''Satz von Steiner''):  
+
as well as the occurrence probabilities&nbsp; $p_{\rm L} = 0.2$&nbsp; and&nbsp; $p_{\rm H} = 0.8$&nbsp; has the linear mean&nbsp; $($&raquo;DC component&laquo;$)$
$$\sigma^2=m_2-m_1^2.$$
+
:$$m_1 = 0.2 \cdot 1\,{\rm V}+ 0.8 \cdot 3\,{\rm V}= 2.6 \,{\rm V}. $$
Als Streuung $σ$ bezeichnet man in der Statistik die Quadratwurzel der Varianz; manchmal wird diese Größe auch ''Standardabweichung'' genannt.  
+
This is drawn as a red line in the graph.
  
Die Varianz $σ^2$ eines Zufallssignals entspricht physikalisch der ''Wechselleistung'' und die Streuung $σ$ dem ''Effektivwert.'' Dieser Definition liegt wiederum der Bezugswiderstand 1 Ω zugrunde.  
+
If we determine this parameter by time averaging over the displayed&nbsp; $N = 12$&nbsp; signal values,&nbsp; we obtain a slightly smaller value:
 +
:$$m_1\hspace{0.01cm}' = 4/12 \cdot 1\,{\rm V}+ 8/12 \cdot 3\,{\rm V}= 2.33 \,{\rm V}. $$
 +
#Here,&nbsp; the probabilities&nbsp; $p_{\rm L} = 0.2$&nbsp; and&nbsp; $p_{\rm H} = 0.8$&nbsp; were replaced by the corresponding frequencies&nbsp; $h_{\rm L} = 4/12$&nbsp; and&nbsp; $h_{\rm H} = 8/12$&nbsp; respectively.
 +
#In this example the relative error due to insufficient sequence length&nbsp; $N$&nbsp; is greater than&nbsp; $10\%$.  
  
Nachfolgendes Lernvideo verdeutlicht die definierten Größen am Beispiel eines Digitalsignals:
 
Bedeutung und Berechnung der Momente bei diskreten Zufallsgrößen  (Dauer 6:30)
 
  
 +
$\text{Note about our (admittedly somewhat unusual) nomenclature:}$
  
{{Beispiel}}
+
We denote binary symbols here as in circuit theory with&nbsp; $\rm L$&nbsp; $($Low$)$&nbsp; and&nbsp; $\rm H$&nbsp; $($High$)$&nbsp; to avoid confusion.  
Ein Binärsignal mit den Amplitudenwerten 1 V (Symbol '''L''') und 3 V (Symbol '''H''') sowie den Auftrittswahrscheinlichkeiten $p_{\rm L} =$ 0.2 bzw. $p_{\rm H} =$ 0.8 hat eine Signalleistung von 7.4 ${\rm V}^2$. Mit $m_1 =$ 2.6 V (siehe vorherige Seite) folgt daraus $σ^2 =$ 0.64 ${\rm V}^2$ bzw. $σ =$ 0.8 V.  
+
*In coding theory,&nbsp; it is useful to map&nbsp; $\{ \text{L,  H}\}$&nbsp; to&nbsp; $\{0, 1\}$&nbsp; to take advantage of the possibilities of modulo algebra.  
  
''Hinweis:'' Bei anderem Bezugswiderstand  ⇒  $R ≠$ 1 Ω gelten obige Bezeichnungen nur bedingt. Beispielsweise haben die Leistung $P$, die Wechselleistung $P_{\rm W}$ und der Effektivwert $s_{\rm eff}$ mit $R =$ 50 Ω folgende Werte:  
+
*In contrast,&nbsp; to describe modulation with bipolar&nbsp; $($antipodal$)$&nbsp; signals,&nbsp; one better chooses the mapping&nbsp; $\{ \text{L, H}\}$ ⇔ $ \{-1, +1\}$.
$$P \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm} \frac{m_2}{R} \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm} \frac{7.4\,{\rm V}^2}{50\,{\rm \Omega}} \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}0.148\,{\rm W},\hspace{0.15cm}
+
}}
P_{\rm W} \hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm} \frac{\sigma^2}{R} \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm}12.8\,{\rm mW} \hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}
+
 
s_{\rm eff} \hspace{-0.05cm} \hspace{-0.05cm}\sqrt{R \cdot P_{\rm W}} \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm} \sigma \hspace{-0.05cm}= \hspace{-0.05cm} 0.8\,{\rm V}.$$
+
 
 +
==Second order moment &ndash; power  &ndash; variance &ndash; standard deviation ==
 +
<br>
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{{BlaueBox|TEXT=
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$\text{Definitions:}$&nbsp;
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$\rm (A)$&nbsp; Analogous to the linear mean, &nbsp; $k = 2$&nbsp; obtains the&nbsp; &raquo;'''second order moment'''&laquo;:
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:$$m_2 =\sum_{\mu=\rm 1}^{\it M}p_\mu\cdot z_\mu^2 =\lim_{N\to\infty}\frac{\rm 1}{\it N}\sum_{\nu=\rm 1}^{\it N}z_\nu^2.$$
 +
 
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$\rm (B)$&nbsp; Together with the DC component&nbsp; $m_1$&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''variance'''&laquo;&nbsp; $σ^2$&nbsp; can be determined from this as a further parameter&nbsp; $($&raquo;Steiner's theorem&laquo;$)$:
 +
:$$\sigma^2=m_2-m_1^2.$$
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$\rm (C)$&nbsp; The&nbsp; &raquo;'''standard deviation'''&laquo;&nbsp; $σ$&nbsp; is the square root of the variance:
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:$$\sigma=\sqrt{m_2-m_1^2}.$$}}
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$\text{Notes on units:}$
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#For a random signal&nbsp; $x(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the second moment&nbsp; $m_2$&nbsp; gives the total power&nbsp; $($DC power plus AC power$)$&nbsp; related to the resistance&nbsp; $1 \hspace{0.03cm} Ω$.  
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#If&nbsp; $x(t)$&nbsp; describes a voltage,&nbsp; accordingly&nbsp; $m_2$&nbsp; has the unit&nbsp; ${\rm V}^2$&nbsp; and the rms value&nbsp; $($&raquo;root mean square&laquo;$)$&nbsp; $x_{\rm eff}=\sqrt{m_2}$ &nbsp; has the unit&nbsp; ${\rm V}$.&nbsp;
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#The total power for any reference resistance&nbsp; $R$&nbsp; is calculated to &nbsp; $P=m_2/R$&nbsp; and accordingly&nbsp; has the unit&nbsp; $\rm V^2/(V/A) = W$.
 +
#If&nbsp; $x(t)$&nbsp; describes a current waveform,&nbsp; then&nbsp; $m_2$&nbsp; has the unit&nbsp; ${\rm A}^2$&nbsp; and the rms value&nbsp; $x_{\rm eff}=\sqrt{m_2}$&nbsp; has the unit&nbsp; ${\rm A}$. &nbsp;
 +
#The total power for any reference resistance&nbsp; $R$&nbsp; is calculated to &nbsp; $P=m_2\cdot R$&nbsp; and accordingly&nbsp; has the unit&nbsp; $\rm A^2 \cdot(V/A) = W$.
 +
#Only in the special case&nbsp; $m_1=0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the variance is&nbsp; $σ^2=m_2$.&nbsp; Then the standard deviation &nbsp; $σ$&nbsp; coincides also with the rms value&nbsp; $x_{\rm eff}$&nbsp;.
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&rArr; &nbsp; The following&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video illustrates the defined quantities using the example of a digital signal: <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; [[Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen (Lernvideo)|&raquo;Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen&raquo;]] &nbsp; &rArr;  &nbsp; &raquo;Moment Calculation for Discrete Random Variables&raquo;.
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{{GraueBox|TEXT=
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[[File:P_ID456__Sto_T_2_2_S3_neu.png | right|frame|"Standard deviation"&nbsp; of a binary signal]]
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$\text{Example 2:}$&nbsp;
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For a binary signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with the amplitude values
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*$1\hspace{0.03cm}\rm V$&nbsp; $($for symbol&nbsp; $\rm L)$,
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*$3\hspace{0.03cm}\rm V$&nbsp; $($for symbol&nbsp; $\rm H)$
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and the probabilities of occurrence&nbsp; $p_{\rm L} = 0.2$&nbsp; resp.&nbsp; $p_{\rm H} = 0.8$&nbsp; results for the second moment: 
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:$$m_2 = 0.2 \cdot (1\,{\rm V})^2+ 0.8 \cdot (3\,{\rm V})^2 = 7.4 \hspace{0.1cm}{\rm V}^2,$$
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#The rms value&nbsp; $x_{\rm eff}=\sqrt{m_2}=2.72\,{\rm V}$&nbsp; is independent of the reference resistance&nbsp; $R$&nbsp; unlike the total power.
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#For the latter, with&nbsp; $R=1 \hspace{0.1cm} Ω$&nbsp; the value&nbsp; $P=m_2/R=7.4 \hspace{0.1cm}{\rm W}$,&nbsp; with&nbsp; $R=50 \hspace{0.1cm} Ω$&nbsp; on the other hand, only&nbsp; $P=0.148 \hspace{0.1cm}{\rm W}$.
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With the DC component&nbsp; $m_1 = 2.6 \hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; $($see&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Moments_of_a_Discrete_Random_Variable#First_order_moment_.E2.80.93_linear_mean_.E2.80.93_DC_component|$\text{Example 1})$]]&nbsp; it follows for
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*the variance&nbsp; $ σ^2 = 7.4 \hspace{0.05cm}{\rm V}^2 - \big [2.6 \hspace{0.05cm}\rm V\big ]^2 = 0.64\hspace{0.05cm} {\rm V}^2$,
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*the standard deviation&nbsp; $σ = 0.8 \hspace{0.05cm} \rm V$.
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The same variance&nbsp; $ σ^2 = 0.64\hspace{0.05cm} {\rm V}^2$ and the same standard deviation&nbsp; $σ = 0.8 \hspace{0.05cm} \rm V$&nbsp; result for the amplitudes&nbsp; $0\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; $($for symbol&nbsp; $\rm L)$&nbsp; and $2\hspace{0.05cm}\rm V$&nbsp; $($for  symbol&nbsp; $\rm H)$,&nbsp; provided the occurrence probabilities&nbsp; $p_{\rm L} = 0.2$&nbsp; and&nbsp; $p_{\rm H} = 0.8$&nbsp; remain the same.&nbsp; Only the DC component and the total power change:
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:$$m_1 = 1.6 \hspace{0.05cm}{\rm V}, $$
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:$$P = {m_1}^2 +\sigma^2 = 3.2 \hspace{0.05cm}{\rm V}^2.$$}}
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 +
 
 +
==Exercises for the chapter==
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<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.2:_Multi-Level_Signals|Exercise 2.2: Multi-Level Signals]]
  
[[File:P_ID456__Sto_T_2_2_S3_neu.png | Standardabweichung eines Binärsignals]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.2Z:_Discrete_Random_Variables|Exercise 2.2Z: Discrete Random Variables]]
  
Die gleiche Varianz und der gleiche Effektivwert ergeben sich für die Amplitudenwerte 0 V (für das Symbol '''L''') und 2 V (für das Symbol '''H'''), vorausgesetzt, die Auftrittswahrscheinlichkeiten $p_{\rm L} =$ 0.2 und $p_{\rm H} =$ 0.8 bleiben gleich. Dagegen stimmen die Momente – zum Beispiel der lineare Mittelwert $m_1$ und der quadratische Mittelwert $m_2$ – dann nicht mehr überein.
 
{{end}}
 
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 19:40, 6 February 2024

Calculation as ensemble average or time average


The probabilities and the relative frequencies provide extensive information about a discrete random variable.  Reduced information is obtained by the so-called  »moments«   $m_k$,  where  $k$  represents a natural number.

$\text{Two alternative ways of calculation:}$ 

Under the condition  »$\text{ergodicity}$«  implicitly assumed here,  there are two different calculation possibilities for the  $k$-th order moment:

$\rm (A)$  the  »ensemble averaging«  or  »expected value formation«   ⇒  averaging over all possible values  $\{ z_\mu\}$  with index  $\mu = 1 , \hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm} , M$:

$$m_k = {\rm E} \big[z^k \big] = \sum_{\mu = 1}^{M}p_\mu \cdot z_\mu^k \hspace{2cm} \rm with \hspace{0.1cm} {\rm E\big[\text{ ...} \big]\hspace{-0.1cm}:} \hspace{0.3cm} \rm expected\hspace{0.1cm}value ;$$

$\rm (B)$  the  »time averaging«  over the random sequence  $\langle z_ν\rangle$  with index  $ν = 1 , \hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm} , N$:

$$m_k=\overline{z_\nu^k}=\hspace{0.01cm}\lim_{N\to\infty}\frac{1}{N}\sum_{\nu=\rm 1}^{\it N}z_\nu^k\hspace{1.7cm}\rm with\hspace{0.1cm}horizontal\hspace{0.1cm}line\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.1cm}time\hspace{0.1cm}average.$$


Note:

  1. Both types of calculations lead to the same asymptotic result for sufficiently large values of  $N$.
  2. For finite  $N$,  a comparable error results as when the probability is approximated by the relative frequency.

First order moment – linear mean – DC component


$\text{Definition:}$  With  $k = 1$  we obtain from the general equation the first order moment   ⇒   the  »linear mean«:

$$m_1 =\sum_{\mu=1}^{M}p_\mu\cdot z_\mu =\lim_{N\to\infty}\frac{1}{N}\sum_{\nu=1}^{N}z_\nu.$$
  • The left part of this equation describes the ensemble averaging  $($over all possible values$)$.
  • The right equation gives the determination as time average.


DC component  $m_1$  of a binary signal

$\text{Example 1:}$  A binary signal  $x(t)$  with the two possible values

  • $1\hspace{0.03cm}\rm V$  $($for symbol  $\rm L)$,
  • $3\hspace{0.03cm}\rm V$  $($for symbol  $\rm H)$


as well as the occurrence probabilities  $p_{\rm L} = 0.2$  and  $p_{\rm H} = 0.8$  has the linear mean  $($»DC component«$)$

$$m_1 = 0.2 \cdot 1\,{\rm V}+ 0.8 \cdot 3\,{\rm V}= 2.6 \,{\rm V}. $$

This is drawn as a red line in the graph.

If we determine this parameter by time averaging over the displayed  $N = 12$  signal values,  we obtain a slightly smaller value:

$$m_1\hspace{0.01cm}' = 4/12 \cdot 1\,{\rm V}+ 8/12 \cdot 3\,{\rm V}= 2.33 \,{\rm V}. $$
  1. Here,  the probabilities  $p_{\rm L} = 0.2$  and  $p_{\rm H} = 0.8$  were replaced by the corresponding frequencies  $h_{\rm L} = 4/12$  and  $h_{\rm H} = 8/12$  respectively.
  2. In this example the relative error due to insufficient sequence length  $N$  is greater than  $10\%$.


$\text{Note about our (admittedly somewhat unusual) nomenclature:}$

We denote binary symbols here as in circuit theory with  $\rm L$  $($Low$)$  and  $\rm H$  $($High$)$  to avoid confusion.

  • In coding theory,  it is useful to map  $\{ \text{L, H}\}$  to  $\{0, 1\}$  to take advantage of the possibilities of modulo algebra.
  • In contrast,  to describe modulation with bipolar  $($antipodal$)$  signals,  one better chooses the mapping  $\{ \text{L, H}\}$ ⇔ $ \{-1, +1\}$.


Second order moment – power – variance – standard deviation


$\text{Definitions:}$ 

$\rm (A)$  Analogous to the linear mean,   $k = 2$  obtains the  »second order moment«:

$$m_2 =\sum_{\mu=\rm 1}^{\it M}p_\mu\cdot z_\mu^2 =\lim_{N\to\infty}\frac{\rm 1}{\it N}\sum_{\nu=\rm 1}^{\it N}z_\nu^2.$$

$\rm (B)$  Together with the DC component  $m_1$  the  »variance«  $σ^2$  can be determined from this as a further parameter  $($»Steiner's theorem«$)$:

$$\sigma^2=m_2-m_1^2.$$

$\rm (C)$  The  »standard deviation«  $σ$  is the square root of the variance:

$$\sigma=\sqrt{m_2-m_1^2}.$$


$\text{Notes on units:}$

  1. For a random signal  $x(t)$   ⇒   the second moment  $m_2$  gives the total power  $($DC power plus AC power$)$  related to the resistance  $1 \hspace{0.03cm} Ω$.
  2. If  $x(t)$  describes a voltage,  accordingly  $m_2$  has the unit  ${\rm V}^2$  and the rms value  $($»root mean square«$)$  $x_{\rm eff}=\sqrt{m_2}$   has the unit  ${\rm V}$. 
  3. The total power for any reference resistance  $R$  is calculated to   $P=m_2/R$  and accordingly  has the unit  $\rm V^2/(V/A) = W$.
  4. If  $x(t)$  describes a current waveform,  then  $m_2$  has the unit  ${\rm A}^2$  and the rms value  $x_{\rm eff}=\sqrt{m_2}$  has the unit  ${\rm A}$.  
  5. The total power for any reference resistance  $R$  is calculated to   $P=m_2\cdot R$  and accordingly  has the unit  $\rm A^2 \cdot(V/A) = W$.
  6. Only in the special case  $m_1=0$   ⇒   the variance is  $σ^2=m_2$.  Then the standard deviation   $σ$  coincides also with the rms value  $x_{\rm eff}$ .


⇒   The following  $($German language$)$  learning video illustrates the defined quantities using the example of a digital signal:
            »Momentenberechnung bei diskreten Zufallsgrößen»   ⇒   »Moment Calculation for Discrete Random Variables».

"Standard deviation"  of a binary signal

$\text{Example 2:}$  For a binary signal  $x(t)$  with the amplitude values

  • $1\hspace{0.03cm}\rm V$  $($for symbol  $\rm L)$,
  • $3\hspace{0.03cm}\rm V$  $($for symbol  $\rm H)$


and the probabilities of occurrence  $p_{\rm L} = 0.2$  resp.  $p_{\rm H} = 0.8$  results for the second moment:

$$m_2 = 0.2 \cdot (1\,{\rm V})^2+ 0.8 \cdot (3\,{\rm V})^2 = 7.4 \hspace{0.1cm}{\rm V}^2,$$
  1. The rms value  $x_{\rm eff}=\sqrt{m_2}=2.72\,{\rm V}$  is independent of the reference resistance  $R$  unlike the total power.
  2. For the latter, with  $R=1 \hspace{0.1cm} Ω$  the value  $P=m_2/R=7.4 \hspace{0.1cm}{\rm W}$,  with  $R=50 \hspace{0.1cm} Ω$  on the other hand, only  $P=0.148 \hspace{0.1cm}{\rm W}$.


With the DC component  $m_1 = 2.6 \hspace{0.05cm}\rm V$  $($see  $\text{Example 1})$  it follows for

  • the variance  $ σ^2 = 7.4 \hspace{0.05cm}{\rm V}^2 - \big [2.6 \hspace{0.05cm}\rm V\big ]^2 = 0.64\hspace{0.05cm} {\rm V}^2$,
  • the standard deviation  $σ = 0.8 \hspace{0.05cm} \rm V$.


The same variance  $ σ^2 = 0.64\hspace{0.05cm} {\rm V}^2$ and the same standard deviation  $σ = 0.8 \hspace{0.05cm} \rm V$  result for the amplitudes  $0\hspace{0.05cm}\rm V$  $($for symbol  $\rm L)$  and $2\hspace{0.05cm}\rm V$  $($for symbol  $\rm H)$,  provided the occurrence probabilities  $p_{\rm L} = 0.2$  and  $p_{\rm H} = 0.8$  remain the same.  Only the DC component and the total power change:

$$m_1 = 1.6 \hspace{0.05cm}{\rm V}, $$
$$P = {m_1}^2 +\sigma^2 = 3.2 \hspace{0.05cm}{\rm V}^2.$$


Exercises for the chapter


Exercise 2.2: Multi-Level Signals

Exercise 2.2Z: Discrete Random Variables