现代信号处理——高阶统计分析(矩与累积量的性质)

讨论矩和累积量的重要性质,进一步揭示矩与累积量之间的区别。特别地,累积量的性质在后面将经常被引用。为了叙述的方便,用mom(x1,…,xk)和cum(x1,…,xk)分别表示k个随机变量x1,…,xk的矩和累积量。

性质1:令\lambda _{i}为常数,x_{i}为随机变量,其中i=1,…,k,则

性质2:矩和累积量关于它们的变元是对称的,即 

其中(i1,…,ik)是(1,…,k)的一个排列。 

性质3:矩和累积量相对其变元具有可加性,即

这一性质意味着,和的累积量等于累积量之和,术语“累积量”(cumulant)因此而得名。

性质4:若随机变量{xi}和{yi}统计独立,则累积量具有“半不变性”,即

但高阶矩一般没有半不变性,即

 

这一性质给出了累积量的另一个名称—半不变量(semi-invariant)。 

性质5:如果k个随机变量{x1,…,xk}的一个子集同其他部分独立,则

性质6:若α为一常数,则 

累积量的上述性质在后面各节将经常用到。这里先举三个重要例子,说明累积量性质的重要应用。

1、三阶累积量的对称形式

性质2表明,k阶累积量具有k!种对称形式。以三阶累积量为例,共有3!=6种对称形式,因此可得:

Cum{x(t)x(t+m)x(t+n)}=c_{3x}(m,n);Cum{x(t)x(t+n)x(t+m)}=c_{3x}(n,m)

Cum{x(t+n)x(t)x(t+m)}=c_{3x}(-n,m-n);Cum{x(t+m)x(t+n)x(t)}=c_{3x}(n-m,-m)

Cum{x(t+n)x(t+m)x(t)}=c_{3x}(m-n,-n);Cum{x(t+m)x(t)x(t+n)}=c_{3x}(-m,n-m).

因此得到下面式子:

2、独立同分布随机过程 

顾名思义,独立同分布(independently identically distributed,IID)随机过程是一种在任何时刻的取值都为相互独立的随机变量,并且服从同一分布。根据性质5知,独立同分布过程{e(t)}的累积量

即独立同分布随机过程的四阶矩不是5函数,从而四阶矩谱也不是多维平坦的。

3、对高斯有色噪声的盲性

考虑一在高斯有色噪声v(t)中被观测的随机信号x(t)。若v(t)与x(t)相互统计独立,则由性质4知,观测过程y(t)=x(t)+v(t)的累积量为

但由于任何一个高斯有色噪声的高阶累积量恒等于零,故上式可简化为

这表明,当一个非高斯信号在加性高斯有色噪声中被观测时,观测过程的高阶累积量与非高斯信号的高阶累积量等价,即高阶累积量对高斯有色噪声具有盲性或免疫力。然而,由性质4知,观测过程的高阶矩不一定等于非高斯信号的高阶矩,即高阶矩对高斯噪声敏感。 

上述重要应用回答了一个重要问题:为什么在高阶统计分析中通常不用高阶矩,而是使用高阶累积量作为非高斯信号的分析与处理工具。

对于一个零均值的平稳过程{x(t)},其k阶累积量也可定义为

式中,{g(t)}是一高斯随机过程,并且与{x(t)}具有相同的相关函数和功率谱,即

 

参考教材:

现代信号处理(第三版)张贤达(编著)

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