ГЛАВА 3. СТОХАСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ

§ 3.1 Стохастические процессы; характеристики стохастических сигналов

Слово стохастический используется математиками и физиками для описания процессов, в которых имеется элемент случайности. Оно происходит непосредственно от греческого слова «атоааизеоа». В этике Аристотеля это слово используется в смысле «способности угадывать». Математики применили это слово, очевидно, на том основании, что при необходимости угадывать появляется элемент случайности. В «Новом международном словаре» Вебстера слово стохастический определено как предположительный. Мы, таким образом, замечаем, что техническое значение этого слова не находится в точном соответствии с его лексическим (словарным) определением. В том же смысле, что и «стохастический процесс», некоторые авторы пользуются выражением «случайный процесс». В дальнейшем мы будем говорить о процессах и сигналах, которые не являются чисто случайными, но содержат в себе случайность в той или иной степени. По этой причине мы предпочитаем слово «стохастический».

Рис. 3.1-1. Сравнение типичного стохастического и предсказуемого сигналов.

На рис. 3.1-1 сравниваются простые формы колебаний стохастического и регулярного сигналов. Если повторить эксперимент по измерению стохастического сигнала, то мы получим колебания новой формы, отличной от предыдущей, но все еще проявляющей некоторое сходство в характерных чертах. Запись колебаний волн океана

является еще одним примером стохастического сигнала. Почему необходимо говорить об этих, довольно необычных, стохастических сигналах? Ответ на этот вопрос основан на том факте, что входные сигналы систем автоматики зачастую не являются полностью предсказуемыми подобно синусоиде или простейшему переходному процессу. В действительности, стохастические сигналы встречаются при исследованиях автоматических систем чаще, чем предсказуемые сигналы. Тем не менее то обстоятельство, что предсказуемые сигналы имеют большое значение до настоящего времени, не является серьезным упущением. Весьма часто можно прийти к приемлемой методике, подбирая сигналы из класса предсказуемых сигналов так, чтобы отобразить характерные особенности истинного сигнала, являющегося по своей природе стохастическим. Примером такого рода является использование нескольких соответственно подобранных синусоид с целью представить стохастические изменения моментов, обусловливающих качку, в задаче об устойчивости корабля. С другой стороны, мы встречаем такие задачи, в которых представление истинного стохастического сигнала с помощью предсказуемой функции весьма затруднительно. В качестве первого примера рассмотрим схему системы автоматического слежения за целью и управления огнем. Здесь наводящее радиолокационное устройство измеряет ошибку наведения не точно, а только приблизительно. Разность между истинной ошибкой наведения и тем, что измеряет радиолокатор, часто называют радиолокационным шумом. Обычно очень трудно аппроксимировать радиолокационный шум несколькими синусоидами или другими простыми функциями. Другим примером является плетение текстильных волокон. В процессе плетения из беспорядочно запутанных связок волокна (называемых пряжей) вытягивается нить. Толщину нити, в некотором смысле, можно рассматривать как входной сигнал при регулировании процесса плетения. Отклонения в этом процессе происходят из-за изменения числа и толщины отдельных волокон в различных переплетающихся участках пряжи. Очевидно, этот тип отклонений является по своей природе стохастическим, и его затруднительно аппроксимировать любыми регулярными функциями.

Предыдущие рассуждения показывают, что стохастические сигналы при исследовании систем регулирования играют важную роль. Пока мы говорили о стохастических сигналах как о сигналах, вызванных процессами, содержащими некоторый элемент случайности. Чтобы перейти к дальнейшему, мы должны уточнить понятия о таких сигналах. Современная физика, в особенности квантовая механика, учит, что все физические процессы при детальном исследовании

оказываются разрывными и недетерминированными. Законы классической механики заменяются статистическими законами, основанными на вероятности событий. Например, мы обычно считаем напряжение колебаний, возникающих на экране вакуумной трубки осциллографа, гладкой функцией. Однако мы знаем, что если исследовать эти колебания при помощи микроскопа, они не будут выглядеть столь гладко из-за дробового шума в трубке, сопровождающего возбуждение колебаний. После некоторого размышления нетрудно склониться к тому, что все сигналы в природе являются стохастическими. Хотя сначала мы предположили, что по сравнению с синусоидой или функцией единичного скачка стохастический сигнал является относительно абстрактным понятием, но в действительности вернее обратное: синусоида, функция единичного скачка и вообще регулярные сигналы представляют абстракцию. Однако, подобно евклидовой геометрии, — это полезная абстракция.

Стохастический сигнал не может быть представлен графически наперед заданным образом, так как он обусловлен процессом, содержащим элемент случайности. Мы не можем сказать, какова величина стохастического сигнала в будущий момент времени. О стохастическом сигнале в будущий момент времени можно сказать только какова вероятность, что его величина попадает в определенный интервал. Мы, таким образом, видим, что понятия функции для стохастического сигнала и для регулярного сигнала совершенно различны. Для регулярной переменной величины идея функции подразумевает определенную зависимость переменной от ее аргумента. С каждой величиной аргумента мы связываем одно или несколько значений переменной. В случае стохастической функции мы не можем связать единственным образом величину переменной с некоторым частным значением аргумента. Все, что мы можем сделать — это связать с частными значениями аргумента некоторые распределения вероятности. В определенном смысле все регулярные сигналы являются тем предельным случаем стохастических сигналов, когда распределения вероятности обладают высокими пиками, так что неопределенность положения переменной для частной величины аргумента равна нулю. На первый взгляд стохастическая переменная может показаться настолько неопределенной, что ее аналитическое рассмотрение невозможно. Однако мы увидим, что анализ стохастических сигналов может быть проведен с помощью функций плотности вероятности и других статистических характеристик, таких как средние величины, среднеквадратичные величины и функции корреляции. Ввиду статистической природы стохастические сигналы зачастую удобно считать элементами множества сигналов, каждый из которых обусловлен одиим и тем же процессом. Это множество сигналов называется ансамблем. Понятие ансамбля для стохастических сигналов соответствует понятию населения в статистике. Характеристики стохастического сигнала

относятся обычно к ансамблю, а не к частному сигналу ансамбля. Таким образом, когда мы говорим об определенных свойствах стохастического сигнала, то обычно подразумеваем, что этими свойствами обладает ансамбль. Вообще невозможно считать, что отдельный стохастический сигнал имеет произвольные свойства (с возможным исключением несущественных свойств). В следующем параграфе мы обсудим важное исключение из этого общего правила.