Signal- und Messdatenverarbeitung


Codes für stochastisch und unabhängig abgetastete, reelle Energiesignalpaare, ohne Gewichtung

Python Matlab/Octave
Vorbereitung (Laden von Modulen/Paketen)
from numpy import *
from numpy.random import *
from matplotlib.pyplot import *
Generieren von Wertepaaren (tx,i,xi) mit den Messzeitpunkten tx,i und den Messwerten xi mit i=0Nx1 sowie den Wertepaaren (ty,i,yi) mit den Messzeitpunkten ty,i und den Messwerten yi mit i=0Ny1 (zwei Rechteckimpulse)
Tx=100.0
Ty=150.0
drx=1.0
dry=1.5
tx=[]
ty=[]
x=[]
y=[]
te=0.0
while te<maximum(Tx,Ty):
  tp=exponential(1.0/(drx+dry))
  te+=tp
  if te<maximum(Tx,Ty):
    if random()<drx/float(drx+dry):
      if te<Tx:
        tx.append(te)
        if (te>=10) and (te<70):
          x.append(1.0)
        else:
          x.append(0.0)
    else:
      if te<Ty:
        ty.append(te)
        if (te>=20) and (te<110):
          y.append(1.0)
        else:
          y.append(0.0)
        
      
    
  

tx=array(tx)
ty=array(ty)
x=array(x)
y=array(y)
plot(tx,x,'o',ty,y,'o')
show()
Tx=100;
Ty=150;
drx=1;
dry=1.5;
tx=[];
ty=[];
x=[];
y=[];
te=0;
while te<max(Tx,Ty)
tp=-log(1-rand())/(drx+dry);
te=te+tp;
if te<max(Tx,Ty)
if rand<drx/(drx+dry)
if te<Tx
tx(end+1)=te;
if (te>=10) && (te<70)
x(end+1)=1;
else
x(end+1)=0;
end
end
else
if te<Ty
ty(end+1)=te;
if (te>=20) && (te<110)
y(end+1)=1;
else
y(end+1)=0;
end
end
end
end
end
plot(tx,x,'o',ty,y,'o')
(Momente verschwinden für Energiesignale)
Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzenergiedichtespektrum über Slotkorrelation RE,yx,k=RE,yx(τk)=RE,xy(τk)=min(Tx,Ty,Tx+τk,Tyτk)i=0Nx1j=0Ny1bk(tjti)xiyji=0Nx1j=0Ny1bk(tjti)
bk(t)={1falls 0<|t|<Δt/20sonst
τk=kΔt
k=K/2(K1)/2
K=[(Tx+Ty)/Δt]1
Eyx,j=Eyx(fj)=ΔtFFT{RE,yx,k}=Δtk=K/2(K1)/2RE,yx,k𝐞2π𝐢jk/K
(imaginäre Einheit 𝐢)
fj=jKΔt
j=K/2(K1)/2
from numpy.fft import *
Nx=len(tx)
Ny=len(ty)
dt=1.0
K=int(round((Tx+Ty)/float(dt)))-1
tau=roll(arange(-int(round(Tx/float(dt)))+1,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)*dt,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)
R1=zeros(K)
R0=zeros(K)
i=0
jb=i
while i<Nx:
  j=jb
  while (jb<Ny) and (ty[jb]<tx[i]+(K-int(round(Tx/float(dt)))+0.5)*dt):
    jb+=1
  
  j=jb-1
  while (j>=0) and (ty[j]>tx[i]-(K-int(round(Tx/float(dt)))-0.5)*dt):
    k=int(round((ty[j]-tx[i])/float(dt)))
    R1[k]+=x[i]*y[j]
    R0[k]+=1.0
    j-=1
  
  i+=1

REyx=zeros(K)
for k in range(-(K//2),(K+1)//2):
  if R0[k]!=0:
    REyx[k]=R1[k]/float(R0[k])*minimum(Tx,minimum(Ty,minimum(Tx+tau[k],Ty-tau[k])))
  

plot(tau,REyx,'o')
show()
f=roll(arange(-(K//2),(K+1)//2)/float(K*dt),(K+1)//2)
Eyx=dt*fft(REyx)
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
show()
Nx=length(tx);
Ny=length(ty);
dt=1.0;
K=round((Tx+Ty)/dt)-1;
tau=circshift((-round(Tx/dt)+1:K-round(Tx/dt))*dt,[0;K-round(Tx/dt)+1]);
R1=zeros(1,K);
R0=zeros(1,K);
i=1;
jb=i;
while i<=Nx
j=jb;
while (jb<=Ny) && (ty(jb)<tx(i)+(K-round(Tx/dt)+0.5)*dt)
jb=jb+1;
end
j=jb-1;
while (j>0) && (ty(j)>tx(i)-(round(Tx/dt)-0.5)*dt)
k=round((ty(j)-tx(i))/dt);
R1(mod(K+k,K)+1)=R1(mod(K+k,K)+1)+x(i)*y(j);
R0(mod(K+k,K)+1)=R0(mod(K+k,K)+1)+1;
j=j-1;
end
i=i+1;
end
REyx=zeros(1,K);
for k=1:K
if R0(k)~=0
REyx(k)=R1(k)./R0(k).*min(min(Tx,Ty),min(Tx+tau(k),Ty-tau(k)));
end
end
plot(tau,REyx,'o')
f=circshift((-fix(K/2):fix((K-1)/2))/(K*dt),[0;fix((K+1)/2)]);
Eyx=dt*fft(REyx);
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
(Slotkorrelation mit lokaler Normierung für Energiesignale nicht möglich)
Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzenergiedichtespektrum über direkte Spektralschätzung (Fourier-Transformation, ohne Normierung) Eyx,j=Eyx(fj)=TxTyXj*YjNxNy
Xj=i=0Nx1xi𝐞2π𝐢fjtx,i
Yj=i=0Ny1yi𝐞2π𝐢fjty,i
(imaginäre Einheit 𝐢)
fj=jJΔt
j=J/2(J1)/2
J(Tx+Ty)/Δt
RE,yx,k=RE,yx(τk)=RE,xy(τk)=1ΔtIFFT{Eyx,j}=1JΔtj=J/2(J1)/2Eyx,j𝐞2π𝐢fjτk/J
τk=kΔt
k=K/2(K1)/2
K=[(Tx+Ty)/Δt]1
Eyx,j=Eyx(fj)=ΔtFFT{RE,yx,k}=Δtk=K/2(K1)/2RE,yx,k𝐞2π𝐢jk/K
fj=jKΔt
j=K/2(K1)/2
from numpy.fft import *
Nx=len(tx)
Ny=len(ty)
dt=1.0
J=int(ceil((Tx+Ty)/float(dt)))
fp=roll(arange(-(J//2),(J+1)//2)/float(J*dt),(J+1)//2)
X=zeros(size(fp))+0j
Y=zeros(size(fp))+0j
for i in range(0,Nx):
  X+=x[i]*exp(-2j*pi*fp*tx[i])

for i in range(0,Ny):
  Y+=y[i]*exp(-2j*pi*fp*ty[i])

Eyx=Tx*Ty*conj(X)*Y/float(Nx*Ny)
REyx=real(ifft(Eyx))/float(dt)
K=int(round((Tx+Ty)/float(dt)))-1
tau=roll(arange(-int(round(Tx/float(dt)))+1,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)*dt,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)
REyx=append(REyx[0:K//2+1],REyx[-(K//2):len(REyx)])
plot(tau,REyx,'o')
show()
f=roll(arange(-(K//2),(K+1)//2)/float(K*dt),(K+1)//2)
Eyx=dt*fft(REyx)
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
show()
Nx=length(tx);
Ny=length(ty);
dt=1.0;
J=ceil((Tx+Ty)/dt);
fp=circshift((-fix(J/2):fix((J-1)/2))/(J*dt),[0;fix((J+1)/2)]);
X=zeros(size(fp))+0j;
Y=zeros(size(fp))+0j;
for i=1:Nx
X=X+x(i)*exp(-2j*pi*fp*tx(i));
end
for i=1:Ny
Y=Y+y(i)*exp(-2j*pi*fp*ty(i));
end
Eyx=Tx*Ty*conj(X).*Y/(Nx*Ny);
REyx=real(ifft(Eyx))/dt;
K=round((Tx+Ty)/dt)-1;
tau=circshift((-round(Tx/dt)+1:K-round(Tx/dt))*dt,[0;K-round(Tx/dt)+1]);
REyx=[REyx(1:fix(K/2)+1),REyx(fix(K/2)+3:end)];
plot(tau,REyx,'o')
f=circshift((-fix(K/2):fix((K-1)/2))/(K*dt),[0;fix((K+1)/2)]);
Eyx=dt*fft(REyx);
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzenergiedichtespektrum über direkte Spektralschätzung (Fourier-Transformation, mit Normierung) Eyx,j=Eyx(fj)=TxTyXj*YjNxNy
Eyx,j=Eyx(fj)=TxTyXj*YjNxNy
Xj=i=0Nx1xi𝐞2π𝐢fjtx,i
Yj=i=0Ny1yi𝐞2π𝐢fjty,i
Xj=i=0Nx1𝐞2π𝐢fjtx,i
Yj=i=0Ny1𝐞2π𝐢fjty,i
(imaginäre Einheit 𝐢)
fj=jJΔt
j=J/2(J1)/2
J(Tx+Ty)/Δt
RE,yx,k=RE,yx(τk)=RE,xy(τk)=1ΔtIFFT{Eyx,j}=1JΔtj=J/2(J1)/2Eyx,j𝐞2π𝐢fjτk/J
RE,yx,k=RE,yx(τk)=1ΔtIFFT{Eyx,j}=1JΔtj=J/2(J1)/2Eyx,j𝐞2π𝐢fjτk/J
RE,yx,k=RE,yx(τk):=min(Tx,Ty,Tx+τk,Tyτk)RE,yx,kRE,yx,k
τk=kΔt
k=K/2(K1)/2
K=[(Tx+Ty)/Δt]1
Eyx,j=Eyx(fj)=ΔtFFT{RE,yx,k}=Δtk=K/2(K1)/2RE,yx,k𝐞2π𝐢jk/K
fj=jKΔt
j=K/2(K1)/2
from numpy.fft import *
Nx=len(tx)
Ny=len(ty)
dt=1.0
J=int(ceil((Tx+Ty)/float(dt)))
fp=roll(arange(-(J//2),(J+1)//2)/float(J*dt),(J+1)//2)
X=zeros(size(fp))+0j
Y=zeros(size(fp))+0j
Xp=zeros(size(fp))+0j
Yp=zeros(size(fp))+0j
for i in range(0,Nx):
  X+=x[i]*exp(-2j*pi*fp*tx[i])
  Xp+=exp(-2j*pi*fp*tx[i])

for i in range(0,Ny):
  Y+=y[i]*exp(-2j*pi*fp*ty[i])
  Yp+=exp(-2j*pi*fp*ty[i])

Eyx=Tx*Ty*conj(X)*Y/float(Nx*Ny)
Eyxp=Tx*Ty*conj(Xp)*Yp/float(Nx*Ny)
REyx=real(ifft(Eyx))/float(dt)
REyxp=real(ifft(Eyxp))/float(dt)
K=int(round((Tx+Ty)/float(dt)))-1
tau=roll(arange(-int(round(Tx/float(dt)))+1,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)*dt,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)
REyx=append(REyx[0:K//2+1],REyx[-(K//2):len(REyx)])
REyxp=append(REyxp[0:K//2+1],REyxp[-(K//2):len(REyxp)])
for k in range(-(K//2),(K+1)//2):
  if REyxp[k]!=0:
    REyx[k]/=float(REyxp[k])
    REyx[k]*=minimum(Tx,minimum(Ty,minimum(Tx+tau[k],Ty-tau[k])))
  

plot(tau,REyx,'o')
show()
f=roll(arange(-(K//2),(K+1)//2)/float(K*dt),(K+1)//2)
Eyx=dt*fft(REyx)
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
show()
Nx=length(tx);
Ny=length(ty);
dt=1.0;
J=ceil((Tx+Ty)/dt);
fp=circshift((-fix(J/2):fix((J-1)/2))/(J*dt),[0;fix((J+1)/2)]);
X=zeros(size(fp))+0j;
Y=zeros(size(fp))+0j;
Xp=zeros(size(fp))+0j;
Yp=zeros(size(fp))+0j;
for i=1:Nx
X=X+x(i)*exp(-2j*pi*fp*tx(i));
Xp=Xp+exp(-2j*pi*fp*tx(i));
end
for i=1:Ny
Y=Y+y(i)*exp(-2j*pi*fp*ty(i));
Yp=Yp+exp(-2j*pi*fp*ty(i));
end
Eyx=Tx*Ty*conj(X).*Y/(Nx*Ny);
Eyxp=Tx*Ty*conj(Xp).*Yp/(Nx*Ny);
REyx=real(ifft(Eyx))/dt;
REyxp=real(ifft(Eyxp))/dt;
K=round((Tx+Ty)/dt)-1;
tau=circshift((-round(Tx/dt)+1:K-round(Tx/dt))*dt,[0;K-round(Tx/dt)+1]);
REyx=[REyx(1:fix(K/2)+1),REyx(fix(K/2)+3:end)];
REyxp=[REyxp(1:fix(K/2)+1),REyxp(fix(K/2)+3:end)];
for k=1:K
if REyxp(k)~=0
REyx(k)=REyx(k)/REyxp(k)*min(min(Tx,Ty),min(Tx+tau(k),Ty-tau(k)));
end
end
plot(tau,REyx,'o')
f=circshift((-fix(K/2):fix((K-1)/2))/(K*dt),[0;fix((K+1)/2)]);
Eyx=dt*fft(REyx);
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
(Direkte Spektralschätzung mit lokaler Normierung für Energiesignale nicht möglich)
(keine Lomb-Scargle-Methode für Kreuzspektren in Matlab und Python)
Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzenergiedichtespektrum über Zeitquantisierung (ohne Normierung)
from numpy.fft import *
Nx=len(tx)
Ny=len(ty)
dt=1.0
J=int(ceil((Tx+Ty)/float(dt)))
x1=zeros(J)
y1=zeros(J)
for i in range(0,Nx):
  j=int(floor((tx[i]-T*floor(tx[i]/float(T)))/float(dt)))
  x1[j]+=x[i];

for i in range(0,Ny):
  j=int(floor((ty[i]-T*floor(ty[i]/float(T)))/float(dt)))
  y1[j]+=y[i];

X=fft(x1)
Y=fft(y1)
Eyx=Tx*Ty*conj(X)*Y/float(Nx*Ny)
REyx=real(ifft(Eyx))/float(dt)
K=int(round((Tx+Ty)/float(dt)))-1
tau=roll(arange(-int(round(Tx/float(dt)))+1,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)*dt,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)
REyx=append(REyx[0:K//2+1],REyx[-(K//2):len(REyx)])
plot(tau,REyx,'o')
show()
f=roll(arange(-(K//2),(K+1)//2)/float(K*dt),(K+1)//2)
Eyx=dt*fft(REyx)
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
show()
Nx=length(tx);
Ny=length(ty);
dt=1.0;
J=ceil((Tx+Ty)/dt);
x1=zeros([1,J]);
y1=zeros([1,J]);
for i=1:Nx
j=fix((tx(i)-T*fix(tx(i)/T))/dt)+1;
x1(j)=x1(j)+x(i);
end
for i=1:Ny
j=fix((ty(i)-T*fix(ty(i)/T))/dt)+1;
y1(j)=y1(j)+y(i);
end
X=fft(x1);
Y=fft(y1);
Eyx=Tx*Ty*conj(X).*Y/(Nx*Ny);
REyx=real(ifft(Eyx))/dt;
K=round((Tx+Ty)/dt)-1;
tau=circshift((-round(Tx/dt)+1:K-round(Tx/dt))*dt,[0;K-round(Tx/dt)+1]);
REyx=[REyx(1:fix(K/2)+1),REyx(fix(K/2)+3:end)];
plot(tau,REyx,'o')
f=circshift((-fix(K/2):fix((K-1)/2))/(K*dt),[0;fix((K+1)/2)]);
Eyx=dt*fft(REyx);
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzenergiedichtespektrum über Zeitquantisierung (mit Normierung)
from numpy.fft import *
Nx=len(tx)
Ny=len(ty)
dt=1.0
J=int(ceil((Tx+Ty)/float(dt)))
x0=zeros(J)
y0=zeros(J)
x1=zeros(J)
y1=zeros(J)
for i in range(0,Nx):
  j=int(floor((tx[i]-T*floor(tx[i]/float(T)))/float(dt)))
  x0[j]+=1.0;
  x1[j]+=x[i];

for i in range(0,Ny):
  j=int(floor((ty[i]-T*floor(ty[i]/float(T)))/float(dt)))
  y0[j]+=1.0;
  y1[j]+=y[i];

X=fft(x1)
Y=fft(y1)
Xp=fft(x0)
Yp=fft(y0)
Eyx=Tx*Ty*conj(X)*Y/float(Nx*Ny)
Eyxp=Tx*Ty*conj(Xp)*Yp/float(Nx*Ny)
REyx=real(ifft(Eyx))/float(dt)
REyxp=real(ifft(Eyxp))/float(dt)
K=int(round((Tx+Ty)/float(dt)))-1
tau=roll(arange(-int(round(Tx/float(dt)))+1,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)*dt,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)
REyx=append(REyx[0:K//2+1],REyx[-(K//2):len(REyx)])
REyxp=append(REyxp[0:K//2+1],REyxp[-(K//2):len(REyxp)])
for k in range(-(K//2),(K+1)//2):
  if REyxp[k]!=0:
    REyx[k]/=float(REyxp[k])
    REyx[k]*=minimum(Tx,minimum(Ty,minimum(Tx+tau[k],Ty-tau[k])))
  

plot(tau,REyx,'o')
show()
f=roll(arange(-(K//2),(K+1)//2)/float(K*dt),(K+1)//2)
Eyx=dt*fft(REyx)
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
show()
Nx=length(tx);
Ny=length(ty);
dt=1.0;
J=ceil((Tx+Ty)/dt);
x0=zeros([1,J]);
y0=zeros([1,J]);
x1=zeros([1,J]);
y1=zeros([1,J]);
for i=1:Nx
j=fix((tx(i)-T*fix(tx(i)/T))/dt)+1;
x0(j)=x0(j)+1;
x1(j)=x1(j)+x(i);
end
for i=1:Ny
j=fix((ty(i)-T*fix(ty(i)/T))/dt)+1;
y0(j)=y0(j)+1;
y1(j)=y1(j)+y(i);
end
X=fft(x1);
Y=fft(y1);
Xp=fft(x0);
Yp=fft(y0);
Eyx=Tx*Ty*conj(X).*Y/(Nx*Ny);
Eyxp=Tx*Ty*conj(Xp).*Yp/(Nx*Ny);
REyx=real(ifft(Eyx))/dt;
REyxp=real(ifft(Eyxp))/dt;
K=round((Tx+Ty)/dt)-1;
tau=circshift((-round(Tx/dt)+1:K-round(Tx/dt))*dt,[0;K-round(Tx/dt)+1]);
REyx=[REyx(1:fix(K/2)+1),REyx(fix(K/2)+3:end)];
REyxp=[REyxp(1:fix(K/2)+1),REyxp(fix(K/2)+3:end)];
for k=1:K
if REyxp(k)~=0
REyx(k)=REyx(k)/REyxp(k)*min(min(Tx,Ty),min(Tx+tau(k),Ty-tau(k)));
end
end
plot(tau,REyx,'o')
f=circshift((-fix(K/2):fix((K-1)/2))/(K*dt),[0;fix((K+1)/2)]);
Eyx=dt*fft(REyx);
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
(Zeitquantisierung mit lokaler Normierung für Energiesignale nicht möglich)
Kreuzkorrelationsfunktion und Kreuzenergiedichtespektrum über Interpolation (Sample-and-Hold, mit Filterkorrektur, ohne Normierung)
from numpy.fft import *
Nx=len(tx)
Ny=len(ty)
dt=1.0
J=int(ceil((Tx+Ty)/float(dt)))
xp=zeros(J)
yp=zeros(J)
for i in range(0,Nx):
  for j in range(int(floor(tx[i]/float(dt)))+1,int(floor((tx[(i+1)%Nx]+Tx*((i+1)//Nx))/float(dt)))+1):
    xp[j]=x[i]
  

for i in range(0,Ny):
  for j in range(int(floor(ty[i]/float(dt)))+1,int(floor((ty[(i+1)%Ny]+Ty*((i+1)//Ny))/float(dt)))+1):
    yp[j]=y[i]
  

Xp=fft(xp)
Yp=fft(yp)
Eyxp=dt**2*conj(Xp)*Yp
REyxp=real(ifft(Eyxp))/float(dt)
K=int(round((Tx+Ty)/float(dt)))-1
tau=roll(arange(-int(round(Tx/float(dt)))+1,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)*dt,K-int(round(Tx/float(dt)))+1)
REyx=zeros(K)
cx=exp(-ddx/float(dt))/((1-exp(-ddx/float(dt)))*(1-exp(-ddy/float(dt))))
cy=exp(-ddy/float(dt))/((1-exp(-ddx/float(dt)))*(1-exp(-ddy/float(dt))))
for k in range(-(K//2),(K+1)//2):
  REyx[k]=(cx+cy+1)*REyxp[k]-cy*REyxp[k-1]-cx*REyxp[k+1]

plot(tau,REyx,'o')
show()
f=roll(arange(-(K//2),(K+1)//2)/float(K*dt),(K+1)//2)
Eyx=dt*fft(REyx)
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')
show()
Nx=length(tx);
Ny=length(ty);
dt=1.0;
J=ceil((Tx+Ty)/dt);
xp=zeros([1,J]);
yp=zeros([1,J]);
for i=1:Nx
for j=fix(tx(i)/dt)+2:fix((tx(mod(i,Nx)+1)+Tx*fix(i/Nx))/dt)+1
xp(j)=x(i);
end
end
for i=1:Ny
for j=fix(ty(i)/dt)+2:fix((ty(mod(i,Ny)+1)+Ty*fix(i/Ny))/dt)+1
yp(j)=y(i);
end
end
Xp=fft(xp);
Yp=fft(yp);
Eyxp=dt^2*conj(Xp).*Yp;
REyxp=real(ifft(Eyxp))/dt;
K=round((Tx+Ty)/dt)-1;
tau=circshift((-round(Tx/dt)+1:K-round(Tx/dt))*dt,[0;K-round(Tx/dt)+1]);
REyx=zeros([1,K]);
cx=exp(-ddx/dt)/((1-exp(-ddx/dt))*(1-exp(-ddy/dt)));
cy=exp(-ddy/dt)/((1-exp(-ddx/dt))*(1-exp(-ddy/dt)));
for k=-fix(K/2):fix((K-1)/2)
REyx(mod(k+K,K)+1)=(cx+cy+1)*REyxp(mod(k+length(REyxp),length(REyxp))+1)-cy*REyxp(mod(k-1+length(REyxp),length(REyxp))+1)-cx*REyxp(mod(k+1+length(REyxp),length(REyxp))+1);
end
plot(tau,REyx,'o')
f=circshift((-fix(K/2):fix((K-1)/2))/(K*dt),[0;fix((K+1)/2)]);
Eyx=dt*fft(REyx);
plot(f,real(Eyx),'o',f,imag(Eyx),'o')