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3.4 复随机过程

杨鸿文 主编(北京邮电大学通信原理课程组)北京邮电大学出版社《通信原理(第5版)》大学本科 · 教材与微课双语助读 (Alt+Y)

复随机变量 Z(e) 是从样本 e 到复数的映射。复数由两个实数构成,复随机变量也由两个实随机变量构成:

Z = X + jY

其中 X = operatornameRe{Z}, Y = operatornameIm{Z} 分别是 Z 的实部和虚部。复随机变量的概率密度 p_Z(z) 就是实部、虚部这两个实随机变量的联合概率密度 p_(X,Y)(x,y)。

复随机变量的数字特征与实随机变量类似,差别主要在涉及共轭的地方:

  1. 数学期望:是实部和虚部分别做数学期望:

    mathbbE[Z] = mathbbE[X] + jmathbbE[Y] (3.4.1)

    共轭后的数学期望是数学期望的共轭:

    mathbbE[Z^*] = mathbbE[X] - jmathbbE[Y] = (mathbbE[Z])^* (3.4.2)
  2. 内积(相关):类似于复信号的内积,两个复随机变量 Z₁, Z₂ 的内积定义为共轭乘积的数学期望:

    langle Z₁, Z₂ rangle = mathbbE[Z₁ Z₂^*] (3.4.3)

    一般称上式为 Z₁, Z₂ 的相关。实随机变量内积是上式的特例。

  3. 平均功率与许瓦兹不等式:如果复随机变量 Z 的实部 X、虚部 Y 代表电压,可称 Z 为复电压。Z 的瞬时功率是 X² + Y² = |Z|²,平均功率为 mathbbE[|Z|²] = mathbbE[Z Z^*],即平均功率是 Z 与其自身的内积。若 Z₁, Z₂ 均为电压信号,则其内积就是平均互功率。 复随机变量内积满足许瓦兹不等式:

    |mathbbE[Z₁ Z₂^*]| ≤ sqrtmathbbE[|Z₁|²] · mathbbE[|Z₂|²] (3.4.4)

    即互功率的模值不超过自功率的几何平均。

  4. 协方差与方差:两个复随机变量 Z₁, Z₂ 扣除均值后的内积是协方差:

    Cov(Z₁, Z₂) = mathbbE[(Z₁ - mathbbE[Z₁])(Z₂ - mathbbE[Z₂])^*] = mathbbE[Z₁ Z₂^*] - mathbbE[Z₁]mathbbE[Z₂^*] (3.4.5)

    若 Z₁ = Z₂ = Z,则协方差变成方差:

    σ_Z² = mathbbE[|Z - mathbbE[Z]|²] = mathbbE[|Z|²] - |mathbbE[Z]|² (3.4.6)

说明(伪协方差):若 Z₁, Z₂ 是零均值实随机变量,则 mathbbE[Z₁ Z₂] 与 mathbbE[Z₁ Z₂^*] 相等,都是协方差。但若 Z₁, Z₂ 是零均值复随机变量,则 mathbbE[Z₁ Z₂] 与 mathbbE[Z₁ Z₂^*] 并不相等,mathbbE[Z₁ Z₂^*] 是协方差,mathbbE[Z₁ Z₂] = mathbbE[Z₁ (Z₂^*)^*] 是 Z₁ 与 Z₂^* 的协方差,对 Z₁, Z₂ 来说叫伪协方差(Pseudo-covariance)或共轭相关值。若 Z 是零均值复随机变量,mathbbE[|Z|²] 是方差,mathbbE[Z²] 是 Z 与其共轭 Z^* 的互相关,叫伪方差。

圆对称复随机变量(Circularly Symmetric Complex RV)

将复随机变量 Z 相位旋转 φ 后得到 Z' = Ze^(jφ)。若对任意确定的 φ,Z 与 Z' 的概率分布完全相同,即:

p_Z(z) = p_Z(ze^(jφ))

则称 Z 为圆对称复随机变量(Circularly Symmetric Complex Random Variable)或循环对称复随机变量。

圆对称复随机变量具有以下核心特性:

  1. 概率密度函数圆对称:p_Z(z) = p_Z(|z|),概率密度等高线是以原点为中心的同心圆。
  2. 相位均匀分布且与幅度独立:相位 θ = angle Z 在 [0, 2π] 上均匀分布,且与模值 |Z| 相互独立。
  3. 均值为零:mathbbE[Z] = mathbbE[Ze^(jφ)] = e^(jφ)mathbbE[Z] implies mathbbE[Z] = 0。
  4. 与共轭不相关(伪方差为零):mathbbE[Z²] = mathbbE[(Ze^(jφ))²] = e^(j2φ)mathbbE[Z²] implies mathbbE[Z²] = 0。
  5. 实部与虚部互不相关且同分布:设 Z = Ae^(jθ),其实部 X = Acosθ,虚部 Y = Asinθ: mathbbE[XY] = mathbbE[1/2A² sin(2θ)] = 0 因此 X, Y 不相关且同分布,方差各占复随机变量方差的一半:σ_X² = σ_Y² = 1/2σ_Z²。
高斯复随机变量的等高线形状

设有复随机变量 Z = X + jY,其实部 X 与虚部 Y 的联合概率密度函数为二维高斯分布:

p_(XY)(x,y) = (1)/(2πσ₁σ₂√(1-ρ²))exp{-(1)/(2(1-ρ²))((x²)/(σ₁²) - (2ρ xy)/(σ₁σ₂) + (y²)/(σ₂²))} (3.4.7)
  • 当 σ₁ = σ₂ = 1, ρ = 0 时,其等高线 p_(XY)(x,y) = c 对应 x² + y² = 常数,等高线是同心圆,对应圆对称复随机变量;
  • 当 σ₁² = 1/2, σ₂² = 2, ρ = 0 时,等高线是主轴与坐标轴重合的椭圆;
  • 当 σ₁ = σ₂ = 1, ρ = 1/2 时,等高线是倾斜的椭圆。

概率密度函数的等高线图

图 3.4.1 概率密度函数的等高线图

复随机过程 Z(e,t) 是从样本 e 到复信号的映射。给定 e 时,Z(e,t) 是确定复信号;给定 t 时,Z(e,t) 是复随机变量。

  • 自相关函数: R_Z(t₁, t₂) = mathbbE[Z(t₁)Z^*(t₂)] (3.4.8)
  • 互相关函数: R_(Z₁ Z₂(t₁, t₂) = mathbbE)[Z₁(t₁)Z₂^*(t₂)] (3.4.9)
  • 共轭相关函数: R_(ZZ^*)(t₁, t₂) = mathbbE[Z(t₁)Z(t₂)] (3.4.10)

复随机过程 Z(t) = X(t) + jY(t) 由实部 X(t) 和虚部 Y(t) 两个实随机过程组成。若 X(t) 与 Y(t) 联合平稳,则称 Z(t) 为复平稳过程。具体来说,Z(t) 复平稳意味着以下 5 个实数学期望均与绝对时间 t 无关:

mathbbE[X(t)] &= m_X mathbbE[Y(t)] &= m_Y mathbbE[X(t+τ)X(t)] &= R_X(τ) mathbbE[Y(t+τ)Y(t)] &= R_Y(τ) mathbbE[Y(t+τ)X(t)] &= R_(YX)(τ) (3.4.11)
复平稳过程的充分必要条件

复随机过程 Z(t) 平稳等价于以下 3 个复数学期望均与绝对时间 t 无关:

mathbbE[Z(t)] &= m_Z mathbbE[Z(t+τ)Z^*(t)] &= R_Z(τ) mathbbE[Z(t+τ)Z(t)] &= R_(ZZ^*)(τ) (3.4.12)

即 Z(t) 的均值、自相关函数、共轭相关函数都与绝对时间 t 无关。与实平稳过程相比,多出一个共轭相关函数与绝对时间无关的约束条件。

由式 (3.4.12) 可以导出,复平稳过程的自相关函数具有共轭对称性:

R_Z(τ) = R_Z^*(-τ) (3.4.18)
共轭相关函数含时变项的非平稳反例

设 Z(t) = m(t)e^(j2π f_c t),其中 m(t) 是自相关函数为 Rₘ(τ) 的零均值实平稳过程。试检验 Z(t) 是否为复平稳过程。

查看解析与步骤

Z(t) 的均值为:

mathbbE[Z(t)] = mathbbE[m(t)]e^(j2π f_c t) = 0

自相关函数为:

mathbbE[Z(t+τ)Z^*(t)] = mathbbE[m(t+τ)e^(j2π f_c(t+τ)) · m(t)e⁻j2π f_c t] = Rₘ(τ)e^(j2π f_c τ)

均值和自相关函数确实与绝对时间 t 无关。然而,共轭相关函数为:

mathbbE[Z(t+τ)Z(t)] &= mathbbE[m(t+τ)e^(j2π f_c(t+τ)) · m(t)e^(j2π f_c t)] &= Rₘ(τ)e^(j2π f_c(2t+τ)) (3.4.20)

上式强烈依赖于绝对时间 t(包含 e^(j4π f_c t) 因子),因此 Z(t) 不是复平稳过程。实际上,Z(t) 的实部 m(t)cos(2π f_c t) 与虚部 m(t)sin(2π f_c t) 都不是平稳过程,而是循环平稳过程。

设线性时不变滤波器的冲激响应为 h(t),输入 X(t) 是零均值复平稳过程,自相关函数为 R_X(τ),共轭相关函数为 R_(XX^*)(τ)。

输出 Y(t) 的均值为零,自相关函数与互相关函数分别为:

R_Y(τ) = iint_(-∞)^∞ h(u)h^*(v) R_X(τ + v - u) dudv (3.4.21) R_(XY)(τ) = ∫_(-∞)^∞ h^*(v) R_X(τ + v) dv (3.4.22)

共轭相关函数为:

mathbbE[Y(t₁)Y(t₂)] = iint_(-∞)^∞ h(u)h(v) R_(XX^*)(t₁ - t₂ + v - u) dudv (3.4.23)

以上结果证明:滤波器输出 Y(t) 是复平稳过程且 Y(t) 与 X(t) 联合平稳。

通信系统中实际发送的带通信号 x(t) 是实信号,其等效基带分析涉及复信号。带通信号等效基带分析中的相关信号关系如下图所示:

flowchart LR
    x["$$x(t)$$"] --> add(("+"))
    x --> hilbert["希尔伯特\n变换"]
    hilbert -->|"$$ \\hat{x}(t)$$"| mul_j(("× $$\\mathrm{j}$$"))
    mul_j --> add
    add -->|"$$z(t)$$"| mix(("×"))
    osc["$$\\mathrm{e}^{-\\mathrm{j}2\\pi f_c t}$$"] --> mix
    mix -->|"$$x_L(t)$$"| split{"分解"}
    split -->|"$$\\operatorname{Re}\\{\\cdot\\}$$"| xc["$$x_c(t)$$"]
    split -->|"$$\\operatorname{Im}\\{\\cdot\\}$$"| xs["$$x_s(t)$$"]
图 3.4.2 带通随机信号的解析信号与复包络分解

假设 x(t) 是平稳带通信号,平稳说明均值是常数;带通信号是高频信号,不包含直流,因此 mathbbE[x(t)] = 0。从 x(t) 到 hatx(t), z(t) 的过程是线性时不变系统,故 hatx(t) 是零均值平稳过程,z(t) 是零均值复平稳过程。

根据希尔伯特变换性质,x(t) 与 hatx(t) 分别是解析信号 z(t) 的实部与虚部。z(t) 的自相关函数与共轭相关函数分别为:

R_z(τ) = mathbbE[z(t+τ)z^*(t)] = 2[Rₓ(τ) + jwidehatRₓ(τ)] (3.4.24) R_(zz^*)(τ) = mathbbE[z(t+τ)z(t)] = 0 (3.4.25)

式 (3.4.24) 中的 widehatRₓ(τ) 是 Rₓ(τ) 的希尔伯特变换,Rₓ(τ) + jwidehatRₓ(τ) 是解析信号,其傅氏变换是 Rₓ(τ) 傅氏变换正频率部分的 2 倍。因此 z(t) 的功率谱密度为单边谱:

P_z(f) = 4Pₓ(f), & f > 0 0, & f < 0 (3.4.26)

复包络 x_L(t) = z(t)e⁻j2π f_c t 的均值为零,其自相关函数与共轭相关函数分别为:

Rₓ_L(τ) = mathbbE[x_L(t+τ)x_L^*(t)] = R_z(τ)e⁻j2π f_c τ = 2[Rₓ(τ) + jwidehatRₓ(τ)]e⁻j2π f_c τ (3.4.27) Rₓ_L x_L^*(τ) = mathbbE[x_L(t+τ)x_L(t)] = R_(zz^*)(τ)e⁻j2π f_c (2t+τ) = 0 (3.4.28)

结果均与 t 无关,说明 x_L(t) 是复平稳过程。

对式 (3.4.27) 做傅氏变换,得到 x(t) 复包络的功率谱密度是 x(t) 功率谱密度正频部分左移后的 4 倍:

Pₓ_L(f) = 4Pₓ(f + f_c), & |f| ≤ f_c 0, & 其他 f (3.4.29)

3. 同相分量与正交分量的统计特性

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x_L(t) 的均值为零,其实部 x_c(t)、虚部 xₛ(t) 均值也为零。x_L(t) 平稳且共轭相关函数为零,代入复变量分解公式可得到 x_c(t) 与 xₛ(t) 的自相关函数和互相关函数:

Rₓ_c(τ) = Rₓₛ(τ) = 1/2operatornameRe{Rₓ_L(τ)} = 1/4[Rₓ_L(τ) + Rₓ_L^*(τ)] (3.4.30) Rₓ_c xₛ(τ) = 1/2operatornameIm{Rₓ_L(τ)} = (1)/(4j)[Rₓ_L(τ) - Rₓ_L^*(τ)] (3.4.31)

式 (3.4.30) 说明:x(t) 复包络自相关函数的实部的一半是同相分量/正交分量的自相关函数,虚部的一半是两者的互相关函数。

对式 (3.4.30) 两边做傅氏变换:

Pₓ_c(f) = Pₓₛ(f) = 1/4[Pₓ_L(f) + Pₓ_L(-f)] (3.4.32)

代入式 (3.4.29) 以及 Pₓ(-f + f_c) = Pₓ(f - f_c),得到:

Pₓ_c(f) = Pₓₛ(f) = Pₓ(f + f_c) + Pₓ(f - f_c), & |f| ≤ f_c 0, & 其他 f (3.4.33)

说明平稳带通信号同相/正交分量的功率谱密度等于带通功率谱密度正频部分左移、负频部分右移后叠加。

带通随机信号分解的三个经典性质
  1. 同一时刻正交不相关:由于复信号自相关函数共轭对称,τ = 0 时 Rₓ_L(0) = Rₓ_L^*(0) 为纯实数,代入式 (3.4.31) 得: Rₓ_c xₛ(0) = 0 implies mathbbE[x_c(t)xₛ(t)] = 0 即同相分量与正交分量在同一时刻互不相关。
  2. 包络功率倍增:将 τ = 0 代入式 (3.4.27) 得: Rₓ_L(0) = R_z(0) = 2Rₓ(0) implies Pₓ_L = P_z = 2Pₓ 解析信号与复包络的平均功率相等,等于带通信号功率的 2 倍。
  3. 同相与正交分量功率均分:将 τ = 0 代入式 (3.4.30) 得: Rₓ_c(0) = Rₓₛ(0) = 1/2Rₓ_L(0) = Rₓ(0) implies Pₓ_c = Pₓₛ = Pₓ 同相分量、正交分量各自的平均功率等于带通信号的平均功率。
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