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数学建模 / 英语

(SP 3.0) 随机过程导论

Stochastic Systems AAU · YouTube · 10:14

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这段时长为120秒的导论片段将随机过程(亦称随机过程)介绍为对时间或空间中信号或函数的概率建模。讲师首先厘清术语,随后写出非正式定义,并列出四个激发学习动机的例子:语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据以及噪声信号。该片段其余部分详细展开语音信号示例,展示短语“Stochastic Processes”的两幅振幅–采样序号图。讲师指出,这类现实世界信号无法自然地用简单的多项式或余弦公式来描述;且同一句口语短语的两次录音虽听起来相似,却并非完全一致。这种在多次实现中表现出的变异性,被用来激发人们采用概率建模方式,而非将其视为一个固定的确定性函数。 这段120秒的导引部分使用两幅印制的波形图——内容均为短语“随机过程”——来引出随机建模:两段录音听感相似,但细节不同。随后,主讲人列举了三个工程应用——压缩、去噪与说话人识别——它们均依赖于从变化中区分出相关结构。在01:31处,示例切换为通信工程,展示一段移动无线电实测数据中归一化接收功率随传播距离变化的图像,再次强调需用概率方法描述的波动信号。 这段持续120秒的讲座片段通过两个真实测量信号引入随机过程思维。首先,展示一张题为“接收功率(移动平均)随行驶距离变化”的打印图表,用以呈现高速公路无线电测量中强烈的波动现象。主讲人指出,纵轴为以分贝为单位的归一化功率,最大值与最小值之间的变化幅度约为100倍;并且由于传播条件依赖于其他车辆、车辆在道路上的精确位置等不可重复的因素,若重复该实验,所得曲线虽大致相似但不会完全相同。手写笔记将这一现象与设计更优的手机及仿真蜂窝通信系统联系起来。随后,图表被替换为“摇椅:总加速度”,这是主讲人坐在摇椅上时用平板电脑记录的时间序列数据。他指出起始和结束段存在由姿势变化引起的噪声,中间段近似呈周期性振荡,此外还存在一些更难建模的微小波动,暗示可用“周期成分叠加波动成分”来描述该信号。临近结尾时,他开始列举诸如游戏等应用方向,但句子被截断。 本节作为随机过程的导论,借助真实世界中的传感器数据来说明信号建模的必要性。首先讨论加速度计在游戏控制和生物测量中的应用,指出需对摇椅等外部运动进行补偿;随后给出一个实际案例:测量电阻两端的电压,其中理论预期的热噪声被一种强烈但并非完全周期性的‘嗡鸣’信号所掩盖,该信号源于环境中的电磁干扰。 本导论部分将随机(或称随机性)过程定义为用于描述随时间或空间变化的信号的概率模型。主讲人借助电阻噪声图像,说明此类信号内在的不可预测性与不可重复性。视频列举了若干示例,包括语音信号、无线电传输功率、加速度计数据以及噪声信号。尤为关键的是,主讲人特别申明:本课程仅将这些视为用于分析与仿真的数学模型,并不主张真实的随机过程必然存在于物理现实中。 这段简短的导引片段将随机过程(亦称随机过程)介绍为对时间或空间中的信号或函数所建立的概率模型。一块静态手写板列出了若干示例,例如语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据以及噪声信号,并将它们归类于不可预测性、不确定性或不可重复性之下。主讲人进一步指出:当这类模型能足够好地表征实际情况以满足工程目的时,便可被接受。

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章节

0:00课程标题与术语说明0:18随机过程/随机过程的非正式定义0:47四个启发性实例0:58包含两次录音的语音信号示例1:34录音编号1与录音编号2的对比2:00两段相似但不完全相同的音频录音2:15应用1:压缩声音2:33应用2:对信号去噪2:48应用3:说话人识别3:31通信工程示例:接收功率 vs 距离4:00接收功率随行驶距离的变化4:11分贝刻度与100倍幅度的波动4:30不可复现的实现样本与传播条件4:57电信系统设计与仿真应用5:09转向摇椅加速度数据5:21含噪声的瞬态段、周期性振荡及微小波动5:50应用讨论的开端:游戏6:00加速度计的应用:游戏与生物测量6:47现实世界中的噪声:热噪声 与之对比 电磁干扰8:00动因:分析电阻噪声图像8:26随机过程的定义与示例9:11哲学免责声明:模型与现实之辨10:00随机过程导论10:04模型的工程适用性

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

视频以一张手写页面开场,页首标题为“随机过程/随机过程”,画面上叠加文字标识该视频为随机过程导论。主讲教师向观众致欢迎辞,并立即澄清术语:在此语境中,“随机”与“随机”互为同义词。

随后,他在标题下方写下核心的非正式定义:“用于时间或空间中信号/函数的概率模型。” 他用自然语言解释道:随机过程或随机过程,不过是将概率模型应用于以时间或空间为索引的信号或函数时所采用的名称。这一定义旨在激发学习兴趣,出现在任何严格数学理论之前。

接着,主讲教师在同一页面上列出几个简短示例:语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据以及噪声信号。他指出,这些是现实世界中可能适合采用随机过程模型的情形,并选定语音信号作为首个示例展开说明。

画面切换为两张打印图表,每张均标注为短语“随机过程”的一次录音。两图纵轴均为“幅度”,横轴均为“采样序号”。主讲教师解释道:他曾在计算机上多次录制该短语,并从中选取两次录音,以采样序号为自变量绘制成离散函数。

借助所展示的波形图,他指出该信号并不像初等数学课程中常见的规整函数那样具有清晰结构。他表示,很难用多项式或余弦函数来精确表达这段录音;即便真能写出此类闭式表达式,对理解该信号也并无特别帮助。

随后,他对比录音编号1与录音编号2。尽管二者对应完全相同的语音内容,但波形图并不完全一致:其中一条波形整体相对另一条略有延迟,且局部波形形状还存在若干细微差异。主讲教师利用这种重复实现之间的不一致性,结合播放时听感上的高度相似性,引出对该信号采用概率性描述的必要性——而非依赖单一确定性公式。

该片段以两幅印制波形图开场,标题均为“随机过程”,分别标注为录音编号1与录音编号2。二者纵轴均为“幅度”,横轴均为“采样序号”,其刻度按×104\times 10^4缩放。主讲人的观点是:这两段录音在听觉感知上相似,但并不完全相同,因此应将其视为一个随机信号的两个实现,而非某一条固定曲线。

第一个应用写作“压缩声音”。给出的理由是:若模型能告诉我们信号中哪些部分是相关的、哪些不是,则可在保留人耳感知重要的内容的前提下,缩减其表示形式。

第二个应用是“对信号去噪”。此处主讲人强调去除微小的非期望波动。这并非仅靠盲目滤波即可完成;它需要建立信号结构的模型,从而将有意义的内容与类噪声的变异分离开来。

第三个应用是“说话人识别”。示例是一个安全系统,要求用户说出“随机过程”一词,然后判断该语音是否属于授权人员。从数学角度看,这意味着从波形中提取特定特征,并使判定规则对同一短语在不同录音中的变异具有鲁棒性。

页面切换至一个电信通信实例。一幅标题为“接收功率(移动平均)vs 行驶距离”的图表,其纵轴标注为“归一化接收功率(dB)”,横轴标注为“行驶距离[m]”。一幅示意图将一座塔标注为“发射端”,一辆车标注为“接收端”。旁白描述了一个固定发射端与一个移动接收端,接收功率被记录为行驶距离的函数,由此产生另一条适合随机过程分析的波动信号。

视频片段以一张题为“接收功率(移动平均)随行驶距离变化”的打印图表开场。横轴为以米为单位的行驶距离,纵轴为以分贝为单位的归一化接收功率。图角处有一幅手绘的发射器与接收器示意图,将该示例框定为沿高速公路进行的移动无线电测量。

主讲人指出,该曲线随距离发生强烈波动。由于纵轴采用分贝刻度,他将图中可见的最大值至最小值跨度解释为功率约100倍的变化。换言之,该图表并非仅呈现轻微起伏,而是反映了接收信号强度巨大的乘性变化。

接着,他提出随机过程的关键观点:图中所示轨迹仅为一次实现样本。若重复该实验,结果虽整体特征相似,却不会完全一致,因为测量期间的传播环境无法被精确复现。例如道路上其他车辆的存在以及车辆所处的确切位置,在每次实验中均会发生变化。

图表旁的手写笔记概括了该现象在实际应用中的意义:“设计更优的手机”和“仿真蜂窝通信系统”。口头讲解与此一致,指出电信工程师利用接收功率模型开展设备设计及蜂窝通信系统性能仿真。

这张图被替换为第二张打印图表,标题为“摇椅:总加速度”。此时坐标轴为加速度(单位:m/s2m/s^2)对时间(单位:秒)。主讲人解释说,这些数据来自他坐在摇椅上时手持的平板电脑,从而将示例从通信测量转向物理运动感知。

观察波形轨迹,他指出起始和接近结束处存在大幅且嘈杂的偏移,并将其归因于姿势改变的时刻。避开这些瞬态过程后,中间部分看起来相当周期性:信号围绕接近10m/s210 m/s^2的基线反复振荡。

他提出一种混合式描述,而非单一简洁公式。记录的一部分可用周期函数建模,但该振荡之上还叠加着更小的涟漪;而这些涟漪可能难以纳入简单模型。这使得该示例有助于引入复合信号结构的概念:瞬态噪声、周期性运动与残余波动并存。

临近结尾时,他开始提及此类数据建模的应用领域,并在纸上写下“游戏”一词。句子在此中断,因此本片段中仅保留了该应用讨论的开头部分。

视频开头展示一张印制图表,标题为‘摇椅:总加速度’,纵轴为加速度,横轴为时间。讲解者指出,若将加速度计用作游戏的控制输入,则必须对外部运动(例如坐在摇椅中)进行补偿。该图表直观呈现了这一现象:基线加速度之上叠加了对应于摇椅运动的高频振荡突发脉冲。讲解者在纸上写下‘Games’以标注此应用场景。

接着,讲解者介绍加速度数据的另一项应用:生物测量。他们在‘Games’下方写下‘Biometry’。其思路是利用设备(如平板电脑)采集的加速度数据,识别特定的人体运动模式,例如辨识步行者;这需要分析不同步态在加速度信号上留下的特有特征。

讲解者在此部分结尾指出,游戏与生物测量这两类应用均需某种形式的数学模型来刻画信号。若缺乏模型以区分目标信号与背景噪声或无关运动,则这些应用无法可靠运行。

场景切换至两张新印制图表,标题分别为‘100 kΩ电阻两端电压——第1次测量’与‘第2次测量’。讲解者描述了一项‘枯燥的实验’:他们使用示波器测量了一个100 kΩ电阻两端的电压。理论上,预期结果应是一个由电阻固有热噪声引起的微弱随机信号。

然而,图表中显示的实际测量信号却复杂得多:它们呈现出一种非常强、占主导地位的周期性波形,讲解者将其识别为‘嗡鸣信号’。该嗡鸣源于实验室环境中其他电子设备产生的电磁干扰(EMI),其强度轻易压倒了微弱的热噪声信号。

最后,讲解者用笔指出图表上的若干具体特征,强调尽管该信号具有强烈的周期性,但它‘并非严格周期’:各周期间的峰谷幅度与形状存在随机变化。这说明现实世界中的信号往往融合了确定性周期成分与随机性随机波动。

视频开头展示两张图,分别呈现对一个100 kΩ电阻所测得的电压随时间变化曲线。主讲人借此说明噪声信号本质上不可预测。通过对比‘测量运行1’与‘测量运行2’——尤其指出二者在t=0.08st=0.08s附近出现的不同尖峰——图像直观印证了完全重复的测量结果不可能实现。研究此类信号的动因有三:一是分析系统在噪声干扰下的稳定性;二是模拟含噪声的实际环境;三是设计可滤除或克服该噪声的算法。

画面转为手写笔记,将‘随机过程’(亦称‘随机过程’)定义为描述随时间或空间演化的信号或函数的概率模型。随后列出四个具体示例:语音信号、无线电接收功率、加速度计数据以及噪声信号。一个方括号将这些示例归为一类,其共性在于:不可预测性、不确定性或不可重复性。主讲人强调:与确定性系统不同,即使在完全相同的条件下重复实验,这类测量结果也无法被完美复现。

在结束之前,讲师就这些过程的本体论问题作出一项重要声明:他澄清了此前用词的含义——强调信号‘可被建模为’随机过程,而非‘就是’随机过程;并坦言,物理世界中是否真正存在随机性尚无定论,这一形而上学问题应交由哲学家探讨;本课程的关注点始终是实用性的:构建数学框架,以建模和分析不可预测的信号,而不预设其根本的物理本质。该片段最后以写在纸上的引导性问题作结:‘如何对这类信号建模?’

该片段以一块标题为“随机过程/随机过程”的静态手写板开启。正下方板书写道:“时间或空间中信号/函数的概率模型”。这是本段的核心导引思想:本课程将随时间或空间变化的信号视为由概率所描述的对象。

在定义下方,板书列出如下示例:“语音信号”、“无线电传输中的接收功率”、“加速度计数据”以及“噪声信号”。一个大括号将这些示例与文字“不可预测性或不确定性或不可重复性”归为一组。其视觉传达的信息是:这些量并非完全确定、可重复的;相反,由于其不规则行为,需采用概率方式进行建模。

此时音频延续前一思路,说出“在某种意义上不可重复”,与板书强调的不可预测性和不可重复性相呼应。随后主讲人解释了所采用的建模标准:“只要我们的模型能足够好地表征实际情况以满足工程目的,大家就都满意且安心。”这阐明了目标在于实现面向工程应用的实用适用性,而非对真实信号每一细节的精确复现。

主讲人以这句话结束该段思路:“而随机过程在许多情况下是良好的模型。”结合黑板上的文字,这将随机过程定位为一种灵活的建模工具,适用于行为不确定或无法精确重复的信号。

黑板上最后可见的提示是问题:“如何对这类信号建模?”在此14秒的片段中,未出现进一步的数学构造;该片段起激励性导引作用,为讲座下一步内容做铺垫。

知识卡片

01

此处“随机过程”与“随机过程”互为同义词

视频开头,主讲教师明确指出:本课程中,“随机”与“随机”两词含义完全相同。手写标题“随机过程/随机过程”在视觉上进一步强调:这两个名称指向同一研究对象。

02

非正式定义:信号或函数的概率模型

主讲人将随机过程(或称随机过程)非正式地定义为时间或空间中信号或函数的概率模型。这句话直接写在页面上,即“时间或空间中信号/函数的概率模型”,并作为后续介绍的概念锚点。

03

四个激发思考的实际世界例子

在进入形式化理论之前,视频列举了四种可用随机方式建模的信号:语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据以及噪声信号。这些例子展示了前文刚引入的定义所涵盖的广泛性。

04

语音信号示例:同一短语的两次录音

第一个详细讲解的例子是一段题为“随机过程”的语音录音。两张打印出的图分别显示了录音编号1和录音编号2的幅度随采样序号的变化。主讲人利用这两张图,将抽象定义与实际测量得到的信号联系起来。

05

为何简单公式对此语音信号并不适用

主讲人指出,该语音波形并不像标准教科书中的函数那样规则。他说明,用多项式或余弦函数来表达它会非常困难;即便存在这样的公式,其实际帮助也十分有限。这促使我们采用概率性而非纯确定性的描述方式。

06

重复录音彼此相似但不完全相同

通过对比屏幕上展示的两次录音,主讲人指出:同一句口头短语在不同试验中产生的采样序号函数各不相同——其中一次录音整体略晚于另一次,且局部细节亦有微小差异;然而回放时,两者听感却非常相似。这种重复试验间的变异性,正是本片段中引入随机建模的关键动因。

07

相似的录音,不同的波形

同一句口语短语的两次录音以波形图形式呈现。它们具有相似的整体突发结构,但在细节上存在差异,这说明为何重复观测被建模为随机过程的若干实现,而非单一确定性信号。

08

基于相关性建模的压缩

第一个应用是音频压缩。若信号模型能识别出哪些成分在感知上是重要的、哪些成分重要性较低,则表示形式便可被缩短,同时保留对听者而言关键的部分。

09

去噪需要结构模型

第二个应用是去噪。说话人明确指出:要消除微小的噪声波动,必须依赖某种关于信号结构的模型,以便将有用内容与不希望出现的变异区分开来。

10

在变化条件下的说话人识别

第三个应用是安全系统中的说话人识别。该系统监听短语“随机过程”,提取特定特征,并须适应同一短语在不同发音中所产生的变化。

11

电信通信实例:功率 vs 距离

第二个启发性实例绘制了移动无线电测量中归一化接收功率(单位:dB)随行驶距离(单位:m)的变化关系。一个固定发射端与一个移动接收端共同生成一条波动的接收功率曲线,再次表明该信号的随机性值得建模。

12

接收到的功率作为一种起伏变化的实测信号

第一个示例是一张打印图表,横轴为行进距离(单位:米),纵轴为归一化接收功率(单位:dB)。讲师用它来展示一个沿路径强烈且不规则变化的真实信号,而非遵循某种简单平滑规律。

Normalized received power [dB]vsTraveled Distance [m]\text{Normalized received power [dB]} \quad \text{vs} \quad \text{Traveled Distance [m]}
13

分贝尺度意味着功率存在巨大的乘性变化

由于纵轴采用分贝单位,图中峰谷之间的可见跨度对应实际功率的巨大比值。主讲人将其概括为:最大值与最小值之比约为100。

10ΔL/10≈100(ΔL∼20 dB)10^{\Delta L/10} \approx 100 \quad (\Delta L \sim 20\ \mathrm{dB})
14

一次不可重复实验的具体实现

所展示的曲线并不被视为该实验的唯一结果。重新进行测量很可能产生一条相似但不同的轨迹,因为原始测量过程中无法精确复现当时的传播条件。

15

接收功率模型在电信领域的重要性

讲座将这种看似随机的接收功率轨迹与实际工程应用联系起来:对此类信号建立模型,有助于设计更优的手机,并用于蜂窝系统性能评估的仿真。

16

摇椅加速度:一个时间序列示例

第二个示例记录了说话人坐在摇椅上时,平板电脑测得的总加速度。这将随机过程数据的概念,从通信测量拓展到了以时间为索引的传感器数据。

17

瞬态噪声、周期性运动与残余涟漪

加速度图像被分段分析:起始和结束部分因姿势变化而噪声更明显;中间部分大致呈周期性;而该周期性部分本身还包含更小的涟漪,可能需要额外的建模项来刻画。

a(t)≈aperiodic(t)+aripple(t)a(t) \approx a_{\mathrm{periodic}}(t) + a_{\mathrm{ripple}}(t)
18

应用提示:游戏

在视频片段末尾,讲师开始列举此类加速度记录数据建模的潜在应用领域,并写下“游戏”,但解释在完成前即被截断。

19

加速度计在游戏中的应用

使用加速度计进行游戏控制时,需要补偿环境中的非预期运动,例如坐在摇晃的椅子上。总的加速度信号既包含用户有意的运动,也包含背景运动,后者必须被建模并滤除。

20

加速度计在生物特征识别中的应用

加速度数据可用于生物特征识别,例如通过用户手持设备所采集的数据来识别人体的步行模式(步态)。这涉及对不同动作所特有的加速度特征进行建模。

21

对信号模型的需求

传感器数据的实际应用——无论是用于控制还是识别——都需要对信号建立数学模型。这些模型使系统能够从噪声及无关的背景变化中分离出相关信息。

22

热噪声与电磁噪声

测量电阻两端电压时,理论上预期只有微弱的热噪声;但在真实环境中,外部电磁干扰(EMI)常常产生一个更强得多的周期性“嗡嗡”信号,从而主导了测量结果。

23

真实信号中非严格的周期性

即使是由周期性源(如市电哼声)主导的信号,在实际中也并非完全周期性。其幅度和波形在每一周期间都存在随机变化,因此它们属于随机过程,而非纯粹的确定性波形。

24

随机过程的定义

随机过程,亦称随机过程,是指用于描述随时间或空间变化的信号或函数的概率模型。该定义确立了分析此类系统的数学框架:其结果并非完全由初始条件所决定,而是包含偶然性或不可预测性的成分。

详细学习笔记

按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。

符号定义 · 21

Stochastic Processes

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    页面顶部手写标题为“随机过程”。

  2. 声音
    观察依据

    讲师说:“大家好,欢迎来到随机过程课程。”

符号

Stochastic Processes

含义

课程主题名称;本视频中视作“随机过程”的同义词。

适用范围

课程主题名称

Random Processes

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    手写标题还包含“随机过程”与“随机过程”之间用斜杠分隔的“随机过程”。

  2. 声音
    观察依据

    讲师说:“实际上,‘stochastic’和‘random’这两个术语是同义词,含义完全相同。”

符号

Random Processes

含义

随机过程的另一种名称;本视频中明确指出其与‘随机过程’同义。

适用范围

课程主题名称

Probability models

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    标题下方的手写行文字为:“时间或空间中信号/函数的概率模型”。

  2. 声音
    观察依据

    讲师称其为“时间或空间中信号或函数的概率模型的另一种说法”。

符号

Probability models

含义

此处用于描述以时间或空间为索引的信号或函数的一般数学建模类别。

适用范围

随机过程/随机过程的概念性标签

signals/functions

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    书面定义中包含“信号/函数”这一短语。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“时间域或空间域中的信号或函数。”

符号

signals/functions

含义

被建模的对象;本视频将它们视为随时间或空间变化的量。

适用范围

建模对象

time or space

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    书面定义以“在时间域或空间域中”结尾。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人重复了“在时间域或空间域中”。

符号

time or space

含义

所建模信号或函数的索引域。

适用范围

索引集描述

Amplitude

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    两张印刷图表的纵轴标签均为“幅度”。

符号

Amplitude

含义

所绘制语音录音的纵轴物理量。

适用范围

信号值轴

Sample index

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    上方图表的横轴标签为“采样序号”,刻度标签为0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8,并标有比例标记 ×10410^4。

  2. 声音
    观察依据

    讲师表示,他将录音数据“按采样序号为自变量”进行了绘图。

待核验内容
  1. 下方图示中显示了相同的数值刻度,但×10410^4标记在每一帧中均不够清晰可见。

符号

Sample index

含义

横轴变量用于索引所录语音信号的离散采样点。

适用范围

离散时间/采样轴

Recording no. 1

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    上方图示标题为“随机过程”,录音编号为1。

符号

Recording no. 1

含义

首个展示的语音波形示例的标签。

适用范围

示例标识符

Recording no. 2

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    下方图示标题为“随机过程”,录音编号为2。

符号

Recording no. 2

含义

第二个展示的语音波形示例的标签。

适用范围

示例标识符

Amplitude

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    两个波形图的纵轴标签均为“幅度”。

符号

Amplitude

含义

两个音频波形图的纵轴物理量;显示的数值范围约为 -0.3 到 0.3。

适用范围

在两张图中大致显示为 [-0.3, 0.3]。

Sample index

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    横轴标注为“采样序号”,刻度标签为 0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6、1.8,并带有标度标记“×10410^4”。

符号

Sample index

含义

两个录音记录的横轴变量,单位为经 10410^4 缩放后的采样序号。

适用范围

可见范围约为 [0.4, 1.8] × 10410^4。

Normalized received power (dB)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    第二张图的纵轴标注为“归一化接收功率(分贝)”,刻度值从 0 递减至 -16。

符号

Normalized received power (dB)

含义

通信示例中的纵轴物理量,归一化后以分贝表示。

适用范围

可见范围约为 [-16, 0] 分贝。

知识点 · 22

术语:随机过程 = 随机过程

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师指出,“随机的”与“随机性”是同义词,含义完全相同。

  2. 图示
    观察依据

    标题将“随机过程/随机过程”并排写在同一行上。

定义
解释

在本入门环节中,主讲人明确指出这两个名称是同一学科领域的等价术语。

公式
适用条件
  1. 适用于本视频所使用的课程术语。

随机过程/随机过程的非正式定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人称随机过程或随机过程“只是对时间或空间中的信号或函数所建立的概率模型的一种称呼。”

  2. 图示
    观察依据

    他在标题下方写下“时间或空间中信号/函数的概率模型”。

定义
解释

视频给出一个非正式定义:随机过程是针对由时间或空间索引的信号或函数所建立的概率模型。该定义在正式理论展开前作为动机呈现。

公式
适用条件
  1. 这是一种非正式的入门定义,而非严格的测度论意义上的形式化定义。

  2. 被建模的对象是信号或函数。

  3. 所提及的索引域是时间或空间。

先修条目
  1. 术语:随机过程 = 随机过程

四个激发学习兴趣的随机过程实例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    页面列出“示例:”后跟“语音信号”“无线电传输中的接收功率”“加速度计数据”以及“噪声信号”。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人表示本视频将涵盖这四个示例。

方法
解释

在进入数学理论之前,主讲教师介绍了四个可建模为随机过程的实际信号例子:语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据以及噪声信号。

公式
适用条件
  1. 这些仅为本片段中激发学习兴趣的示例;除语音信号示例外,其余示例的详细讲解未在120秒时长的片段中呈现。

先修条目
  1. 随机过程/随机过程的非正式定义

从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人称这两段录音‘在我听来非常相似’,但其中存在一些感知上可能不那么重要的差异。

  2. 图示
    观察依据

    两张并排展示的打印波形图标题均为‘随机过程’,分别标注为录音编号1和录音编号2,用于对比。

定义
解释

该片段通过同一句口头短语的多次实现来引入随机过程的概念。两条波形在包络与脉冲结构上视觉上相似,但在逐样本层面并不完全相同。这促使我们将此类信号视为随机过程,而非固定的确定性曲线:我们既要研究其中反复出现的结构,也要研究各次实现之间的变化。

公式
适用条件
  1. 这些示例是离散时间采样得到的音频信号。

  2. 这两段录音对应同一句口头短语:‘随机过程’。

信号压缩作为随机建模的一种应用。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人指出,工程师或许希望利用信号中哪些内容具有感知重要性、哪些不重要的信息,来‘压缩声音’。

  2. 图示
    观察依据

    手写项目符号显示:‘压缩声音’。

方法
解释

压缩被列为首个工程应用场景。若模型能识别出信号中哪些部分对人耳感知至关重要、哪些部分相关性较低,则可在保留人类听觉所关注特征的前提下,缩减信号的表示规模。

公式
适用条件
  1. 该信号是一段音频录音。

  2. 目标是在减小表示规模的同时,保留感知上相关的关键结构。

先修条目
  1. 从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。

将去噪作为第二个应用

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“其次,我们可能希望对信号进行去噪”,以去除各个周期中微小的噪声。

  2. 图示
    观察依据

    手写项目符号出现:“对信号进行去噪”。

方法
解释

去噪被介绍为从录音中去除微小的、不想要的波动。主讲人明确指出,这同样需要一个关于信号结构的模型,以便将有用成分与类似噪声的变异区分开来。

公式
适用条件
  1. 观测到的信号既包含结构化内容,也包含微小的、不想要的波动。

  2. 需要一个结构模型来分离信号与噪声。

先修条目
  1. 从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。

说话人识别——在存在变异情况下的基于特征的模式匹配

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“最后,我想在此提及的例子是说话人识别”,随后描述了一种安全系统:要求某人说出“随机过程”,然后判断其是否为授权人员。

  2. 图示
    观察依据

    手写项目符号出现:“说话人识别”。

  3. 图示
    观察依据

    在主讲人讨论跨录音匹配特征时,笔尖在两个波形图之间来回指点。

方法
解释

说话人识别被表述为:从语音录音中提取特定特征,并将其与授权人员的预期特征进行比对。所强调的关键数学要点是适应变异:同一短语会产生不同的波形,因此判定规则必须能容忍实现层面的逐次差异。

公式
适用条件
  1. 输入是一段语音音频信号。

  2. 识别依赖于信号中的特定特征。

  3. 系统必须适应同一短语在不同录音之间的变化。

先修条目
  1. 从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。

电信示例:接收功率随行驶距离的变化

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人说:“我们的第二个例子来自电信工程”,并描述了位于塔桅上的发射机和高速公路上行驶的厢式车上的接收机。

  2. 图示
    观察依据

    一幅新图表标题为“接收功率(移动平均)vs 行驶距离”。

  3. 图示
    观察依据

    手绘草图标注包括塔附近标有“Transm.”,车辆附近标有“Receiver”。

  4. 字幕依据
    观察依据

    页脚文字为:“数据来源:Diversity Measurement Campaign, Telia/FAT, 1998”。

待核验内容
  1. 音频中提到的具体大学名称,依据现有证据无法完全确认;而可见的页脚则指明了Telia/FAT 1998数据。

定义
解释

第二个启发性示例从语音转向无线通信:一个发射的无线电信号在接收机运动过程中被接收,所记录的量是归一化接收功率随行驶距离的变化关系。所绘制的曲线在整体趋势周围剧烈波动,展示了另一种随机信号。

公式
适用条件
  1. 该场景为移动无线电测量。

  2. 横坐标变量为以米为单位的行驶距离。

  3. 纵坐标变量为以分贝(dB)为单位的归一化接收功率。

先修条目
  1. 从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。

接收功率是波动信号的一个示例。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    一幅标题为“接收功率(移动平均)随行驶距离的变化”的打印图像,在0—5000米范围内显示一条高度不规则的蓝色曲线。

  2. 声音
    观察依据

    说话者说:“这就是我们得到的结果。信号随行驶距离而波动。波动幅度相当大。”

  3. 声音
    观察依据

    说话者补充道:“这是以分贝为单位的归一化功率,因此此处功率的最大值与最小值之间大致相差一个因子100。”

定义
解释

视频以高速公路上实测的接收功率为例,具体展示了随位置发生强烈变化的信号。所绘制的量是归一化接收功率(单位:分贝)随行驶距离的变化关系,说话者强调该曲线大幅波动,而非遵循某种简单的确定性趋势。

适用条件
  1. 该示例基于一次沿高速公路开展的测量活动。

  2. 纵轴为以分贝为单位的归一化接收功率。

  3. 横轴为以米为单位的行驶距离。

源于不可重复传播条件的随机性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“事实上,如果我们再次进行该实验,最可能得到的结果会看起来相似,但并不完全相同。”

  2. 声音
    观察依据

    他继续说道:“本次测量所得的具体结果,由测量期间的传播条件决定;而这些条件无法精确复现,因为它们可能取决于道路上的其他车辆、车辆在道路上的确切位置等因素。”

定义
解释

讲座通过接收功率轨迹引出随机建模思想:图中展示的这条确切曲线,只是该测量的一次实现;因为在实验过程中,传播环境无法被完全复现。这引出了一个关键理念:现实世界中的信号宜用概率方法建模,而非视为固定的确定性函数。

适用条件
  1. 假设同一实验在类似但不完全相同的条件下被重新进行。

  2. 该环境包含其他车辆、道路位置等变量。

先修条目
  1. 接收功率是波动信号的一个示例。

接收功率模型的工程应用

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    第一张图旁出现手写笔记:“设计更优的手机”和“仿真蜂窝系统”。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“电信工程师会对这类接收功率模型感兴趣,以便设计更优的手机系统,或仿真手机系统,例如开展性能仿真。”

方法
解释

视频解释了为何要对接收功率进行统计建模:电信工程师可利用此类模型设计更优的蜂窝设备,并对蜂窝系统开展性能评估仿真。此处所用方法并非计算型方法,而是一种概念性建模流程,将实测的随机信号与工程设计及仿真联系起来。

适用条件
  1. 本例中所讨论的信号,是蜂窝通信或移动无线电场景下的接收功率。

  2. 目标是系统设计或性能仿真。

先修条目
  1. 接收功率是波动信号的一个示例。
  2. 源于不可重复传播条件的随机性

总加速度作为第二个随机过程示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    一张新打印的图像出现,标题为“摇椅:总加速度”,坐标轴分别为“加速度[m/s2m/s^2]”和“时间[s]”。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“对于这个第三个例子,我记录了手中平板电脑所测得的总加速度——当时我正坐在摇椅上。”

定义
解释

讲座引入了另一组真实测量信号:主讲人坐在摇椅上时,由其手持的平板电脑所记录的总加速度。该示例将随机过程的概念从通信数据拓展至随时间变化的物理运动测量。

适用条件
  1. 被测量的量是总加速度。

  2. 自变量是时间。

  3. 数据来源是一台在摇椅上就座时手持的平板电脑。

定理与条件 · 9

在本课程中,‘stochastic’与‘random’互为同义词

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲教师说:“实际上,‘stochastic’与‘random’是同义词,二者含义相同。”

命题
命题

在本视频中,“stochastic”与“random”均表示相同含义。

前提
  1. 该说法出现在课程主题命名“随机过程”/“随机过程”的语境中。

量词

该术语用法在本讲片段中具有一致性。

随机过程即概率模型

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲教师称,随机过程“不过是针对时间或空间中信号或函数的概率模型所起的一个名称。”

  2. 图示
    观察依据

    页面上书写了完全相同的表述。

命题
命题

随机过程或随机过程是针对时间或空间中信号或函数的概率模型。

前提
  1. 这是一种介绍性、非正式的描述,而非严格的定理。

量词

关于本主题内容的一般性描述性陈述。

重复的语音录音在样本点层面存在差异。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师指出,第一段和第二段录音“并不完全相同”,尽管他以大致相同的方式说出了同一个词。

  2. 图示
    观察依据

    页面上并排显示了两条标注为“录音编号1”和“录音编号2”的打印波形。

命题
命题

尽管播放时听起来相似,但同一句口头短语的两段录音作为样本序号的函数,并不完全相同。

前提
  1. 该比较针对所展示的两段“随机过程”短语的录音。

量词

对所展示的两段录音进行存在性比较。

同一短语的多次录音相似,但并不完全相同。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人表示这些录音在他听来相似,但存在差异。

  2. 图示
    观察依据

    两条波形图的脉冲包络相似,但在精细结构和尾部行为上有所不同。

命题
命题

同一句口头短语的两段录音在听觉感知上可能相似,但在采样级波形结构上仍存在差异。

前提
  1. 这些录音内容均为同一短语:“随机过程”。

  2. 这些信号被视为在相同索引范围内采样的波形。

量词

针对所展示的两个实际样本。

压缩与去噪都需要对信号建立结构化模型。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人指出,压缩利用了信号中哪些信息相关、哪些不相关的知识。

  2. 声音
    观察依据

    说话人指出,去噪需要“某种关于信号结构的模型”。

命题
命题

要压缩或去噪此类录音,就需要一个能区分相关结构与较不相关变异或噪声的模型。

前提
  1. 该信号是一段音频录音,既包含有意义的结构,也包含变异。

  2. 任务要么是压缩,要么是去噪。

量词

本节讨论的音频处理任务。

说话人识别必须适应信号的变化。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人指出,系统必须在信号中寻找特定特征,并且‘你必须针对信号中可能出现的这些变化进行自适应调整’。

  2. 图示
    观察依据

    讲解者在讨论‘是否为正确说话人’时,笔尖在两个波形图之间交替移动。

命题
命题

基于语音短语的说话人识别系统,必须容纳同一短语在不同录音中所产生的变化。

前提
  1. 识别是基于音频特征完成的。

  2. 同一短语的不同发音会产生不同的波形。

量词

针对文中所述的安全系统示例。

重复测量会得到相似但不完全相同的实现。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话者指出,重新进行该实验极有可能得到相似但不完全相同的結果,因为这一实现依赖于不可重复的传播条件。

命题
命题

如果沿高速公路再次进行接收功率实验,所得曲线极有可能看起来相似,但不会与当前显示的实现完全相同。

前提
  1. 该实验在相同的大致环境下重复进行。

  2. 传播条件无法被精确复现。

  3. 环境因素(例如其他车辆及车辆在道路上的确切位置)各不相同。

量词

极有可能;适用于同一实验的重复运行。

摇椅加速度在暂态之外表现出较强的周期性。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话者称,数据在起始和结束处因姿势变化而存在噪声,“但其余部分则相当具有周期性”,且呈现振荡特征。

  2. 图示
    观察依据

    加速度图的中心部分显示出围绕基准线10m/s210 m/s^2的重复上下结构。

待核验内容
  1. 该主张是定性的,基于目视观察,而非正式的周期性检验。

命题
命题

除因姿势变化导致的起始和结束段噪声较大外,所记录的总加速度整体上表现出较强的周期性和振荡性。

前提
  1. 所绘制的数据来自摇椅实验。

  2. 初始段和末尾段对应于姿势变化。

量词

关于时间序列中间部分的定性描述。

所测嗡嗡声信号的性质

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    它并非严格周期性的:您可以看到此处的尖峰明显比此处更弱,且还存在其他变化;这一段信号看起来与那一段信号不同。

  2. 图示
    观察依据

    笔尖圈出绘图信号中特定的峰和谷,以展示变化。

命题
命题

含有电磁干扰的实测信号并非严格周期性的,因为其振幅和波形在不同周期间会发生变化。

前提
  1. 该信号是在实验室环境中对电阻两端电压的测量结果。

量词

该信号的尖峰及各部分均存在变化。

推导与证明 · 7

从重复语音录音出发,引出随机建模的动机性推导。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师解释道,他录制了“随机过程”这个词组,并将其按样本序号绘制成图,然后对两段录音进行比较。

  2. 图示
    观察依据

    展示了两张打印的幅度随样本序号变化的图像,并用笔指向它们。

直观解释
步骤
  1. 公式
    解释

    从一个具体的现实世界信号入手:一段在计算机上录制的口头短语。

    步骤依据

    讲师明确表示,他录下了“随机过程”这几个字。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    将录音表示为样本序号的离散函数,绘制振幅随样本序号变化的图像。

    步骤依据

    印制的图像中,纵轴标注为“振幅”,横轴标注为“样本序号”。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    观察发现,所得波形并不类似于多项式或余弦函数等简单的教科书函数。

    步骤依据

    讲师指出,用多项式或余弦函数来精确表达该波形将非常困难。

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    比较同一语音短语的两次独立录音,注意所绘制的信号并不完全相同。

    步骤依据

    讲师指出了录音1与录音2之间的差异,包括时间上的偏移以及局部细微变化。

    视频直接表达
  5. 公式
    解释

    由此得出结论:在此场景下,采用确定性的单一公式描述既不简便,也无实际意义,因而有必要转而采用概率模型。

    步骤依据

    讲师表示,即便真能写出这样的公式,其帮助也十分有限;他进一步以多次录音之间的变异性作为引入随机过程的动机。

    视频直接表达
结论

现实世界中重复出现的信号,每次试验虽有差异,但整体形态仍保持定性相似,这促使我们将其建模为随机过程,而非固定的初等函数。

对录音编号1与录音编号2进行视觉比较。

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    两张印制图像展现出相似的整体脉冲结构,但在细节特征和表观起始位置上各不相同。

  2. 声音
    观察依据

    讲师说:“这个比这个稍晚一点”,并指出“这里那里”存在一些细微差别。

待核验内容
  1. 两次录音之间的确切数值偏移量未予说明。

  2. 一些细微的视觉差异通过指向方式标出,而非借助明确的公式。

视觉说明
步骤
  1. 公式
    解释

    将上方图像识别为录音编号1,下方图像识别为录音编号2。

    步骤依据

    图像标题印在每幅图的上方。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    注意,两幅图共享相同的坐标轴,并具有相似的整体包络结构。

    步骤依据

    二者均以幅度为纵轴、采样序号为横轴,且以相同的大致顺序显示若干段语音爆发。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    观察到下方录音相对于上方录音呈现向后的偏移。

    步骤依据

    讲师一边在两幅图之间指向,一边明确指出其中一段录音略晚于另一段。

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    观察两段录音在波形细节上的额外局部差异。

    步骤依据

    讲师指出,这些地方和那些地方存在微小差异。

    视频直接表达
结论

这两段录音在全局形状上相似,但作为采样序号的函数并不完全相同。

从观测到的波形变化性引出三项工程应用。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人列举了工程师建模此类录音的三个原因:压缩声音、对信号去噪,以及说话人识别。

  2. 图示
    观察依据

    页面右侧依次添加了三个手写风格的项目符号。

直观解释
步骤
  1. 公式
    解释

    从两段总体相似但细节不同的同一语句录音出发。

    步骤依据

    直接由两幅波形图的开篇对比以及说话人关于变化的陈述所支持。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    认识到某些变化在感知上可能不那么重要,因此模型可以将关键结构与偶然波动分离开来。

    步骤依据

    说话人在介绍工程师为何希望对这类录音建模时明确指出。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    利用这种分离实现压缩:保留重要部分,削减不重要部分。

    步骤依据

    作为首个应用被明确指出,并配有文字要点“压缩声音”。

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    利用结构化模型实现去噪:识别并去除微小的非期望波动。

    步骤依据

    作为第二个应用被明确指出,并配有文字要点“对信号去噪”。

    视频直接表达
  5. 公式
    解释

    结合特征提取与对变化的容错能力,用于安全系统中的说话人识别。

    步骤依据

    作为第三个应用被明确指出,并配有文字要点“说话人识别”,且说话人进一步口头解释了如何适应变化。

    视频直接表达
结论

两段音频实现之间所呈现的变异性推动了随机建模,因为该变异性是压缩、去噪及说话人识别任务的基础。

从移动无线电设置到以距离为索引的接收功率过程

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人描述了一个安装在桅杆上的发射器,以及一个安装在高速公路上行驶的厢式货车上的接收器。

  2. 图示
    观察依据

    图表标题为“接收功率(移动平均)vs 行驶距离”

  3. 图示
    观察依据

    坐标轴分别为“归一化接收功率(分贝)”和“行驶距离[米]”

视觉说明
步骤
  1. 公式
    解释

    在高速公路场景中引入一个固定发射机和一个移动接收机

    步骤依据

    通过口头陈述,并辅以手绘的基站塔与车辆示意图加以强调

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    在接收机行驶过程中记录其接收到的信号功率

    步骤依据

    说话人指出,信号功率被记录为行驶距离的函数

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    将归一化接收功率对行驶距离作图

    步骤依据

    直接从所显示图表的坐标轴标签与标题中读取

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    观察接收功率曲线中围绕更宽泛趋势的强烈局部波动

    步骤依据

    在所绘制的轨迹中可见,该轨迹在距离区间内剧烈振荡

    视频直接表达
结论

这一电信实例产生了另一种随机信号,其索引变量为距离,而非语音的时间采样点

将分贝刻度解释为近似的功率比。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人说:“这是以分贝为单位的归一化功率,因此此处显示的功率最大值与最小值之间大致相差100倍。”

  2. 图示
    观察依据

    第一幅图的纵轴范围大致从0 dB下降至约-16 dB,且在较低端可见明显的深谷。

待核验内容
  1. 口语中所说的“大致相差100倍”是依据可见极值作出的近似,而非通过形式推导得出的精确比值。

直观解释
步骤
  1. 公式
    解释

    纵轴被标识为以分贝为单位的归一化接收功率。

    步骤依据

    由说话人直接陈述,并在图的标签中可见。

    视频直接表达
  2. 公式
    ΔL≈20 dB\Delta L \approx 20\ \mathrm{dB}
    解释

    从接近最大值到最深极小值的可见跨度约为几十分贝;主讲人将此总结为功率发生了显著的倍数变化。

    步骤依据

    依据所绘制的范围以及主讲人对图像的口头解读。

    视频直接表达
  3. 公式
    10ΔL/10≈10010^{\Delta L/10} \approx 100
    解释

    利用分贝与功率的关系,约20分贝的变化对应约100的功率比,这与主讲人所说的最大值到最小值的变化幅度约为100倍一致。

    步骤依据

    功率比的分贝标准定义;此步骤明确揭示了口头近似背后所依据的数学基础。

    补充解释
结论

主讲人指出接收功率从最大值到最小值的变化幅度约为100倍,这一说法与图中分贝刻度上的波动解读是一致的。

将加速度轨迹分解为瞬态、周期性及残差三个组成部分

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人将起始/结束段的噪声部分与中间相对周期性的部分区分开,并提到可能存在更难建模的额外纹波。

  2. 图示
    观察依据

    加速度图显示在起始附近及约30秒处出现大幅瞬态脉冲,其间夹杂着较小的重复振荡。

待核验内容
  1. 将加速度分解为周期部分加纹波的做法属于定性描述;屏幕上未写出任何显式公式。

直观解释
步骤
  1. 公式
    解释

    识别记录的起始与结束部分为噪声更强的区域,这些区域与姿势变化相关。

    步骤依据

    由主讲人明确指出,并在图中表现为更大的不规则偏离。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    将剩余的中间部分视为近似周期性的,因其在图中明显呈现出重复的振荡模式。

    步骤依据

    依据说话人的描述以及图像中央区域呈现的规则波状结构。

    视频直接表达
  3. 公式
    a(t)≈aperiodic(t)+aripple(t)a(t) \approx a_{\mathrm{periodic}}(t) + a_{\mathrm{ripple}}(t)
    解释

    将中间段信号建模为一个周期函数,再加上更难捕捉的较小残余波纹。

    步骤依据

    这表达了说话人口头提出的建议:可用周期函数对部分数据建模,但仍存在额外的波纹。

    依据视频推导
结论

摇椅加速度示例支持混合建模观点:某些部分属于瞬态噪声,某些部分近似周期性,而残余的精细结构可能需要额外的建模项。

从观测数据推导信号源

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    我做了一个非常枯燥的实验……测量这个电阻两端的电压……理论上,我本应能测到由热噪声引起的微弱噪声信号……但实际信号却复杂得多,像这样……我们在此处看到的是一个带有随机起伏的强烈周期性信号……这正是由电磁噪声引起的嗡嗡声。

直观解释
步骤
  1. 公式
    解释

    从理论上预期,仅会测得电阻器产生的微弱热噪声。

    步骤依据

    对无源元件测量的标准物理预期。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    观测实际测得的信号,该信号远为复杂,呈现出带有随机波动的强周期性成分。

    步骤依据

    对绘图数据进行直接目视检查。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    得出结论:主导的周期性成分是由实验室其他设备产生的电磁噪声引起的嗡嗡声信号,而非预期的热噪声。

    步骤依据

    将观测到的信号周期性特征与已知的环境干扰源相匹配。

    视频直接表达
结论

所测信号主要由环境电磁干扰主导,而非预期的内部热噪声。

例题详解 · 10

语音信号示例:“随机过程”的多次录音

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    一张印刷页面上显示了两张标题为“随机过程”的图像,分别标为录音编号1和录音编号2,坐标轴分别为“幅度”和“采样序号”。

  2. 声音
    观察依据

    讲师表示,他录制了“随机过程”这几个词,并将录制结果按采样序号绘制成函数图像。

待核验内容
  1. 未给出该信号的数值表达式。

  2. 仅展示了全部录音中的一部分,共两段。

题目

利用同一短语的两段语音波形录音,说明为何现实世界中的信号更适合用概率模型而非单一确定的基本公式来刻画。

已知条件
  1. 所录制的短语是“随机过程”。

  2. 两段录音以幅度随采样序号变化的图像形式呈现。

  3. 讲师说明自己进行了多次录音,但只展示了其中两张图像。

目标

展示对同一语音事件的重复测量结果各不相同,由此引出随机过程建模的必要性。

步骤
  1. 公式
    解释

    在计算机上录制该语音短语。

    步骤依据

    由讲师直接陈述。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    对每段录音,绘制幅度随采样序号变化的图像。

    步骤依据

    从坐标轴标签可见,并在音频中明确说明。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    比较所得的两个波形。

    步骤依据

    讲师用笔直观对比录音编号1与录音编号2。

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    注意:尽管所读单词相同且发音相似,但这两个波形并不完全一致。

    步骤依据

    在音频中明确指出,并由两幅不同的图像加以佐证。

    视频直接表达
  5. 公式
    解释

    注意:尽管存在差异,但回放时这两段录音听起来却相当相似。

    步骤依据

    在视频片段末尾附近明确指出。

    视频直接表达
结果

该示例表明,同一真实世界中的语音事件会产生相似但不完全相同的采样序号函数,从而引出对此类信号建立概率模型的必要性。

检验

视频片段内仅作定性验证:两张打印出的图像在时间轴和细微结构上明显不同,而讲师则说明它们回放时听起来相似。

音频录音示例:对反复说出的“随机过程”这一短语建模。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    两张印制的波形图,标题均为“随机过程”,分别标为录音1和录音2。

  2. 声音
    观察依据

    说话人提及这两段录音,并随后说出该短语为“随机过程”。

  3. 图示
    观察依据

    手写列表:“压缩声音”、“去噪信号”、“说话人识别”。

题目

给定同一句口头短语的两段录音,请解释为何它们促使我们采用随机过程建模,并指出哪些工程任务可利用此类模型。

已知条件
  1. 展示同一短语的两幅波形图。

  2. 这两段录音听感相似,但并不完全相同。

  3. 横轴为采样点序号,纵轴为幅度。

目标

指出建模需求,并列出视频片段中提到的应用。

步骤
  1. 公式
    解释

    直观比较两幅波形图,注意其具有共同的包络结构,但细节存在差异。

    步骤依据

    直接来自两幅图及说话人开场评论的观察结果。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    得出结论:该信号应建模为一个具有重复结构并叠加变化的随机过程。

    步骤依据

    这是本片段中随机过程导论的概念要点。

    依据视频推导
  3. 公式
    解释

    将列表压缩作为第一个应用,利用相关性信息来减少信号表示。

    步骤依据

    由说话人明确指出,并写在页面上。

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    将列表去噪作为第二个应用,需要借助信号结构模型来消除微小的噪声波动。

    步骤依据

    由说话人明确指出,并写在页面上。

    视频直接表达
  5. 公式
    解释

    将说话人识别作为第三个应用,其中特征必须在不同语句之间存在变化的情况下仍能完成匹配。

    步骤依据

    由说话人明确指出,并写在页面上。

    视频直接表达
结果

这两段音频录音促使我们采用随机建模,因为它们既相似又具有变异性;所提到的应用包括压缩、去噪和说话人识别。

检验

该答案与三个手写的项目符号以及说话人在同一时间段内的口头列举完全一致。

电信示例:移动测量过程中的接收功率

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    图表标题为“接收功率(移动平均)与行进距离关系图”,横轴为“行进距离[m]”,纵轴为“归一化接收功率(dB)”。

  2. 声音
    观察依据

    说话人描述了一个安装在桅杆上的发射器,以及一辆在高速公路上行驶的厢式货车上搭载的接收器。

  3. 字幕依据
    观察依据

    页脚:“数据来源:多样性测量活动,Telia/FAT,1998”。

待核验内容
  1. 音频中提到的确切机构名称,根据现有证据尚无法完全确认。

题目

描述第二个激发思考的示例,并指出图中绘制的物理量。

已知条件
  1. 一台无线电发射机安装在桅杆上。

  2. 一台接收机安装在高速公路上行驶的厢式货车顶部。

  3. 所显示的图像描绘了接收功率随行驶距离的变化关系。

目标

解释该实验装置,并读出图中展示的变量。

步骤
  1. 公式
    解释

    从叙述中识别出物理装置:固定发射机、运动接收机,并据此草绘示意图。

    步骤依据

    该识别结果同时得到音频内容以及手写标注“Transm.”和“Receiver”的支持。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    将横轴读作以米为单位的行驶距离。

    步骤依据

    图中可直接看出。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    将纵轴读作以分贝(dB)为单位的归一化接收功率。

    步骤依据

    在图中直接可见。

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    注意,该曲线随距离变化剧烈波动,这在通信背景下体现了一种随机信号。

    步骤依据

    在所绘制的轨迹中可见,且与说话人提出的第二个例子的表述一致。

    依据视频推导
结果

第二个例子是一次移动无线电测量,其中归一化接收功率(单位:dB)随行进距离(单位:m)绘图,显示沿路径出现大幅波动。

检验

这与图标题、坐标轴标签、页脚信息行以及说话人对发射机和接收机运动的描述相吻合。

高速公路接收功率测量示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    一张印制图表,标题为“接收功率(移动平均)vs 行驶距离”,附有手绘的发射器/接收器示意图,以及笔记“设计更优的手机”和“模拟蜂窝通信系统”。

  2. 声音
    观察依据

    说话人描述该信号随行驶距离波动,是以分贝为单位的归一化功率,变化幅度约为100倍,且对电信建模具有实用价值。

题目

解读沿高速公路测得的接收功率曲线,并解释为何它促使我们采用随机建模方法。

已知条件
  1. 该图显示以分贝为单位的归一化接收功率随以米为单位的行驶距离的变化关系。

  2. 该曲线在行进路线上剧烈波动。

  3. 具体实现结果取决于传播条件,例如周围其他车辆及车辆在道路上的精确位置。

目标

描述所观测到的信号行为,并将其与概率模型在工程中的应用联系起来。

步骤
  1. 公式
    解释

    通过阅读坐标轴和标题,识别该图表示的是接收功率随距离的变化关系。

    步骤依据

    在打印出的图上可直接看到。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    注意该曲线剧烈波动,而非平滑下降。

    步骤依据

    主讲人明确指出信号波动很大,且图中显示出许多尖锐的峰和谷。

    视频直接表达
  3. 公式
    ΔL∼20 dB⇒power ratio∼100\Delta L \sim 20\ \mathrm{dB} \Rightarrow \text{power ratio} \sim 100
    解释

    将分贝(dB)尺度上的变化转换为主讲人所讨论的大致乘性功率变化。

    步骤依据

    主讲人称“从最大值到最小值大致相差100倍”;分贝关系式为此提供了定量含义。

    依据视频推导
  4. 公式
    解释

    解释重复实验很可能得到形状相似但不完全相同的曲线,因为传播环境不可复现。

    步骤依据

    音频中直接陈述。

    视频直接表达
  5. 公式
    解释

    将该模型与改进手机设计及蜂窝系统仿真等实际应用联系起来。

    步骤依据

    既有口头讲解支持,也有手写在纸上的笔记支持。

    视频直接表达
结果

接收功率曲线是一条剧烈波动、不可复现的实现样本,对其开展统计建模有助于蜂窝系统的设计与仿真。

检验

该解读与图中可见的坐标轴标签、手写的实际应用备注,以及主讲人关于波动性、分贝尺度、不可复现性和电信应用的明确论述均相吻合。

摇椅加速度示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    印有标题“摇椅:总加速度”的图表,坐标轴分别为“加速度[m/s2m/s^2]”和“时间[s]”。

  2. 声音
    观察依据

    说话人称,他记录了一台平板电脑坐在摇椅上时的总加速度,并指出起始与结束阶段存在因姿势变化引起的噪声,其余部分则大致呈周期性,且叠加有细微起伏。

待核验内容
  1. 周期成分的确切数值幅度未在口头叙述中给出;仅能从图表刻度上看出。

题目

分析一段来自摇椅的总加速度实测时间序列,并描述其主要结构特征。

已知条件
  1. 数据为总加速度随时间的变化关系。

  2. 起始与结束阶段看起来噪声更明显。

  3. 中间部分反复振荡。

  4. 在主振荡之上还存在额外的微小起伏。

目标

对信号进行表征,并提出可能的建模方式。

步骤
  1. 公式
    解释

    根据标题与口述内容,识别所测物理量及实验装置。

    步骤依据

    印刷标题与说话人的描述共同表明,这些数据是置于摇椅上的平板电脑所测得的总加速度。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    指出开头和结尾处的噪声区间,并将其归因于姿势变化。

    步骤依据

    讲话者明确将这些区域与他在椅子上改变姿势的时间段联系起来。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    观察到剩余的中间部分大致呈周期性且具有振荡性。

    步骤依据

    这一点既可见于重复的波形模式,也被讲话者明确指出。

    视频直接表达
  4. 公式
    a(t)≈aperiodic(t)+aripple(t)a(t) \approx a_{\mathrm{periodic}}(t) + a_{\mathrm{ripple}}(t)
    解释

    建议采用一个周期函数加残余涟漪的模型。

    步骤依据

    这呼应了讲话者的陈述:数据的一部分可用周期函数建模,但残余涟漪更难纳入模型。

    依据视频推导
结果

加速度记录融合了瞬态噪声段、近似周期性的振荡以及更小的残余涟漪,暗示一种混合型的“周期加波动”模型。

检验

该结论与图像中可见的曲线结构以及讲话者对时间序列所做的口头分段一致。

补偿摇椅运动

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    补偿摇椅的运动……如果我想在坐在摇椅上时也能玩游戏,就必须以某种方式补偿这种效应。

  2. 图示
    观察依据

    图表标题为‘摇椅:总加速度’,基线约为10m/s210 m/s^2,并出现两次高频振荡的大幅脉冲。

题目

如何在坐在摇椅上时利用加速度计实现游戏控制?

已知条件
  1. 加速度计提供总加速度数据。

  2. 用户坐在摇椅上,引入周期性运动。

目标

将游戏控制输入从摇椅的运动中分离出来。

步骤
  1. 公式
    解释

    识别由摇椅运动引起的加速度信号。

    步骤依据

    摇椅的运动会产生一种独特且通常呈周期性的加速度模式。

    依据视频推导
  2. 公式
    解释

    从总加速度数据中减去或滤除已识别的摇椅运动信号。

    步骤依据

    剩余的加速度即为用户有意进行游戏控制时所产生的加速度。

    依据视频推导
结果

通过建模并补偿摇椅的加速度,该设备便能准确追踪游戏输入。

检验

最终得到的信号应仅反映用户为游戏而有意做出的手部/身体运动。

在实验室环境中测量电阻噪声

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    使用这支特定示波器探头测量该电阻两端的电压……理论上,我本应能测到一个由热噪声引起的微弱噪声信号……但实际信号却复杂得多……出现了一个很强的周期性信号……这是由电磁噪声引起的嗡嗡声信号。

  2. 图示
    观察依据

    两张图表,标题均为‘100千欧电阻两端的电压’,显示强而嘈杂的周期性波形。

题目

在典型实验室中,跨接在100 kΩ电阻上的电压信号看起来是什么样的?

已知条件
  1. 一个100 kΩ电阻。

  2. 一台用于测量电压的示波器。

  3. 一个配有其他电子仪器的实验室环境。

目标

观察并识别所测电压信号的组成部分。

步骤
  1. 公式
    解释

    设置示波器以测量跨接在100 kΩ电阻上的电压。

    步骤依据

    电气测量的标准操作流程。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    记录该信号,观察到一个强周期性波形叠加着随机起伏,而非仅仅是微弱的热噪声。

    步骤依据

    对绘制出的数据进行直接观察。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    将该周期性成分识别为来自实验室电磁干扰的嗡嗡声信号。

    步骤依据

    其频率与幅度均符合典型的市电嗡嗡声及环境噪声特征。

    依据视频推导
结果

所测信号主要由电磁干扰引起的周期性嗡嗡声主导,掩盖了预期的热噪声。

检验

将实验装置移至屏蔽环境或改变接地方式会改变周期性成分。

电阻器噪声信号示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    两张印刷图表标题分别为“跨100kΩ电阻的电压——第1次测量”和“第2次测量”。坐标轴分别为电压[V]和时间[s]。蓝色笔迹圆圈标出了两次测量中约在t=0.08st=0.08s处出现的不同噪声尖峰。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人讨论了对这类信号建模的目的:研究系统稳定性、在含噪声条件下仿真系统,以及提供克服噪声的算法。

题目

分析对一个100千欧电阻所测得的两组电压数据,以理解其噪声特性。

已知条件
  1. 图1:一个100千欧电阻两端的电压——第1次测量

  2. 图2:一个100千欧电阻两端的电压——第2次测量

目标

明确对这类信号建模的原因。

步骤
  1. 公式
    解释

    观察显示电压随时间波动的两张图像。

    步骤依据

    对所提供图像进行目视检查。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    注意,两组测量中被蓝色圆圈标出的具体噪声尖峰各不相同,体现了不可重复性。

    步骤依据

    对比两张图像中被圆圈标出的区域。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    得出结论:对这类信号建模,旨在研究系统对噪声的稳定性、模拟含噪声系统,以及开发克服噪声的算法。

    步骤依据

    配合视觉分析的音频讲解。

    视频直接表达
结果

这些信号具有不可预测性与不可重复性;对其建模有助于研究系统稳定性、开展仿真,以及设计噪声抑制算法。

检验

圆圈标出的噪声尖峰在视觉上的差异,印证了音频中关于不可重复性的说法。

随机过程示例列表

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    手写示例列表:语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据、噪声信号。括在‘不可预测性或不确定性或不可重复性’之中。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人将这些列为可建模为随机过程的信号示例,并探讨了现实世界现象与数学模型之间的哲学区别。

题目

给出可建模为随机过程的信号示例。

已知条件
  1. 纸上的手写笔记

目标

列出符合该定义的具体物理信号。

步骤
  1. 公式
    解释

    从手写列表中识别出‘语音信号’。

    步骤依据

    直接朗读文本。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    从手写列表中识别出‘无线电传输中的接收功率’。

    步骤依据

    直接朗读文本。

    视频直接表达
  3. 公式
    解释

    从手写列表中识别出‘加速度计数据’。

    步骤依据

    直接朗读文本。

    视频直接表达
  4. 公式
    解释

    从手写列表中识别出“噪声信号”。

    步骤依据

    直接朗读文本。

    视频直接表达
结果

示例包括:语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据以及噪声信号。

检验

纸上的全部四项内容在视频中清晰可见。

来自黑板的示例列表

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    黑板上在“示例:”标题下明确列出了四个示例信号。

  2. 图示
    观察依据

    相同的示例被括在“不可预测性或不确定性或不可重复性”之中。

题目

识别黑板上展示的、用于引出随机过程的信号示例。

已知条件
  1. 语音信号

  2. 无线电传输中的接收功率

  3. 加速度计数据

  4. 噪声信号

目标

列出黑板上显示的示例及其共同特征。

步骤
  1. 公式
    解释

    直接从黑板上读出示例。

    步骤依据

    示例明确列在标题“示例:”之下。

    视频直接表达
  2. 公式
    解释

    注意花括号将它们与“不可预测性、不确定性或不可重复性”归为一组。

    步骤依据

    黑板通过视觉方式将全部四个示例与这三个性质关联起来。

    视频直接表达
结果

这些示例包括语音信号、无线电传输中的接收功率、加速度计数据以及噪声信号;它们被归类为不可预测的、不确定的或不可重复的。

检验

答案与黑板上可见的手写列表及花括号标注完全一致。

图示与动画 · 15

片头标题与课程标识

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    一张白纸铺在木桌上,手写标题为“随机过程/随机过程”。

  2. 动画
    观察依据

    标题叠加画面短暂出现,显示文字“随机过程导论”及“特罗尔斯·佩德森,奥尔堡大学”。

图中对象
  1. 手写页面标题

  2. 叠加显示的标题文字

  3. 主讲人的手与笔

变化过程
  1. 叠加标题先出现,随后消失,仅留下手写标题可见。

不变量
  1. 手写标题持续保留在页面顶部。

数学含义

本节以明确主题为随机过程(或称随机过程)开场,并提示这是一次导论性介绍。

书写非正式定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    主讲人在标题下方书写新的一行。

  2. 图示
    观察依据

    写完后的这一行内容为:“用于描述时间或空间中信号/函数的概率模型”。

图中对象
  1. 笔

  2. 手写定义行

变化过程
  1. 标题下方的空白区域填入定义句。

不变量
  1. 标题保持不变,位于新行上方。

数学含义

书写这一视觉行为强化了对随机过程的口语化非正式定义。

书写示例清单

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    主讲人在标题“示例:”下方列出一个清单。

  2. 图示
    观察依据

    该清单包含“语音信号”、“无线电传输中的接收功率”、“加速度计数据”和“噪声信号”。

图中对象
  1. 手写清单

  2. 笔

变化过程
  1. 在定义下方依次添加四个项目符号风格的示例。

不变量
  1. 先前的标题和定义仍保留在清单上方并可见。

数学含义

页面从抽象定义转向具体应用领域。

两段语音录音的展示与对比

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    页面切换为两张印制图表,标题均为“随机过程”,编号分别为1和2。

  2. 动画
    观察依据

    笔尖沿波形移动,并在两个图的对应区域之间横向移动。

待核验内容
  1. 两段录音之间的水平偏移量未在屏幕上量化显示。

图中对象
  1. 上方波形图

  2. 下方波形图

  3. 坐标轴标签“幅度”和“采样序号”

  4. 笔形指针

变化过程
  1. 主讲人用笔在两幅图之间移动,以指示时间上的差异及局部波形形状的差异。

不变量
  1. 两幅图采用相同类型的坐标轴,并表示同一句语音内容。

数学含义

这种视觉对比支持了如下论断:同一信号的多次实际实现彼此相似,但并不完全相同。

两个音频实现的对比

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    左侧页面上有两张上下堆叠的波形图,标题均为“随机过程”,分别标注为录音编号1和录音编号2。

  2. 动画
    观察依据

    一支笔指向上下两条轨迹中对应的脉冲,随后移向空白的右侧页面。

图中对象
  1. 上方波形图

  2. 下方波形图

  3. 笔

  4. 右侧书写区

变化过程
  1. 笔先指示下方图像,再指示上方图像,然后向右移动书写注释。

  2. 依次添加三个项目符号:“压缩声音”、“对信号去噪”、“说话人识别”。

不变量
  1. 两幅图像使用相同的坐标轴标签:“幅度”和“采样序号”。

  2. 两个标题均指向同一短语:“随机过程”。

数学含义

视觉对比表明,两段录音在整体结构上一致,但在细节上存在差异,这促使我们采用概率方法来描述信号的变化。

切换到电信示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    新页面展示图像:“接收功率(移动平均)随行驶距离的变化”。

  2. 图示
    观察依据

    右上角有一幅手绘的塔楼,标注为“Transm.”,以及一条道路线上的一辆标有“Receiver”的车辆。

  3. 动画
    观察依据

    笔先指向塔楼,再指向车辆,最后沿所绘制的曲线描画。

图中对象
  1. 接收功率图像

  2. 塔楼简图

  3. 车辆简图

  4. 道路线

  5. 画笔

变化过程
  1. 页面从音频波形图切换为距离-功率关系图。

  2. 画笔通过指向发射器、接收器和曲线,将草图元素与所绘制的数据关联起来。

不变量
  1. 图表标题与坐标轴标签在此时间段内保持固定。

  2. 页脚信息行始终可见于底部。

数学含义

该草图将物理测量装置映射到图表上:固定的发射器与移动的接收器共同产生一条以行进距离为索引的接收功率轨迹。

展示接收功率图像

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    画面中充满一张打印纸,显示标题“接收功率(移动平均)vs 行进距离”,一条锯齿状蓝色曲线、坐标轴标签,以及右上角手绘的发射器/接收器示意图。

  2. 动画
    观察依据

    一只手持笔沿曲线及坐标轴区域指点,同时讲话者讨论波动性与分贝尺度。

图中对象
  1. 打印的折线图

  2. 标题文字

  3. Y轴标签“归一化接收功率〔dB〕"

  4. X轴标签“行进距离〔m〕"

  5. 手绘发射塔

  6. 手绘接收车辆

  7. 笔尖

变化过程
  1. 笔尖沿曲线不同部位移动,以标示峰值、谷值及坐标轴范围。

  2. 注意力先从整体轨迹转向纵轴的分贝刻度,再转回横轴的距离刻度。

不变量
  1. 此时间段内,底层印刷的图表始终保持不变。

  2. 标题与坐标轴标签持续可见。

数学含义

视觉焦点支持口述观点:接收功率随行进距离呈不规则变化,且纵轴刻度按分贝意义呈对数关系。

第一张图表旁出现了手写的工程应用内容。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    首张纸右侧逐渐显现两条手写要点:“设计更优的手机”和“仿真蜂窝通信系统”。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人提到,电信工程师会使用此类模型进行设计与仿真。

待核验内容
  1. 每个单词写下的确切时刻并不完全可见;在此时间段内,仅能清晰看到最终完成的笔记。

图中对象
  1. 第一张印刷图表。

  2. 手写笔记:“设计更优的手机”。

  3. 手写笔记:“仿真蜂窝系统”。

  4. 笔。

变化过程
  1. 新文字被添加到纸张的右侧。

  2. 当主讲人口述这些应用时,笔尖指向相关笔记。

不变量
  1. 接收到的功率图像本身并未发生变化。

  2. 发射器/接收器示意图保持原位不动。

数学含义

所添加的笔记以直观方式总结了对随机接收功率信号建模的实际动因。

从接收功率示例切换到加速度示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    第一张纸被移除,并替换为一张新打印的纸,标题为“摇椅:总加速度”。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人将此作为第三个例子引入,并描述了坐在摇椅上时记录平板加速度的过程。

图中对象
  1. 第一张纸离开画面

  2. 第二张打印的图表

  3. 标题“摇椅:总加速度”

  4. 纵轴标签“加速度[m/s2m/s^2]”

  5. 横轴标签“时间[s]”

变化过程
  1. 整个视觉语境从以距离为索引的通信信号转变为以时间为索引的运动信号。

  2. 新图表呈现出不同的波形形状:两端附近出现大幅脉冲,中间则为振荡。

不变量
  1. 授课形式仍为基于纸质材料的可视化讲解,辅以口头解说。

数学含义

此次转换将随机过程示例的概念范畴,从无线测量拓展至物理传感器数据。

对加速度轨迹的细致观察,以及一份新应用说明的起始部分

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    一只手依次指向加速度图像上嘈杂的起始段、更平滑的振荡中段,以及约30秒附近的后期突增段。

  2. 图示
    观察依据

    视频片段接近尾声时,笔在图像下方写下了一个项目符号和单词“Games”。

  3. 声音
    观察依据

    讲话者讨论了姿势变化、周期性、波动现象,以及它们可能与游戏的相关性。

待核验内容
  1. 在“Games”之后开始的句子被截断,未能完成,因此无法获知其原本打算列出的全部应用场景。

图中对象
  1. 加速度图像

  2. 笔尖

  3. 手写的项目符号

  4. 单词“Games”

变化过程
  1. 笔尖先描出早期嘈杂段,再描出中间振荡区域,最后描出后期大幅偏移段。

  2. 一张新的手写标注“Games”被添加在图像下方。

不变量
  1. 图像标题与坐标轴保持不变。

  2. 加速度曲线的整体形状保持不变,仅指向和书写动作发生变化。

数学含义

视觉标注强化了口头分解:瞬态噪声、周期性运动和残余涟漪,并开始将此类数据与游戏等应用领域联系起来。

摇椅加速度图

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    一张标题为“摇椅:总加速度”的打印图表显示如下。纵轴为“加速度 [m/s2m/s^2]”(0-12),横轴为“时间 [s]”(0-35)。蓝色线条显示围绕10的相对稳定基线,并在两段明显时段内出现大幅值、高频率振荡(分别位于 t=3−5t=3-5 和 t=28−30t=28-30附近)。手写文字“Games”随后又添加了“Biometry”。

图中对象
  1. 打印图表

  2. 蓝色信号线

  3. 手写文字“Games”

  4. 手写文字“Biometry”

  5. 笔

变化过程
  1. 笔尖指向信号的振荡部分。

  2. 在纸上手写“Games”和“Biometry”。

不变量
  1. 坐标轴标签与刻度保持不变。

  2. 底层打印的信号不发生变化。

数学含义

该图像展示了真实世界的加速度数据,其中既包含稳态分量(重力),也包含动态分量(运动),这类数据需建模后方可应用于游戏或生物测量等领域。

电阻电压测量图表

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    两张打印图表,标题分别为“100 kΩ电阻两端电压——测量运行1”和“运行2”。纵轴为“电压[V]”(范围:-0.02至0.04),横轴为“时间[s]”(范围:0至0.09)。两张图均显示一个强烈但含噪声的周期性波形。一支物理示波器探头置于图表附近。一支笔圈出特定的波峰与波谷,以凸显其变化。

图中对象
  1. 两张打印图表

  2. 蓝色信号线

  3. 示波器探头

  4. 笔

变化过程
  1. 笔指向波形的不同部位。

  2. 笔圈出特定的波峰与波谷,以表明它们并不完全相同。

  3. 物理探头被引入画面中。

不变量
  1. 坐标轴标签与刻度保持不变。

  2. 两次运行的整体周期性特征相似。

数学含义

这些波形图表明,一个简单的理论预期(热噪声)常常被复杂的现实因素(电磁干扰)所掩盖,导致信号虽呈周期性,却因随机变化而并非严格周期。

易错点 · 11

一种误解:真实信号应当能用简单的初等公式表达

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师指出该信号看起来很奇怪,不像数学课程中常见的函数,且很难用多项式或余弦函数来表达。

误区

人们或许会期望一个可用的信号模型能直接写成简单的多项式、余弦函数或类似的闭式表达式。

说明

视频指出,对于这一语音示例,这样的公式很难获得;即便能够得到,也未必有用。

误以为对同一事件的重复测量结果必然完全一致

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人明确指出,尽管说的是同一个词且大致方式相同,但第一次和第二次录制的语音并不完全相同。

误区

人们或许会假设,两次说出同一个词应当产生完全相同的信号。

说明

所展示的两次录音在时间轴和波形细节上存在差异,但听感上仍相似。

混淆感知相似性与逐样本同一性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人表示,这些录音在他听来非常相似,但信号中存在差异。

  2. 图示
    观察依据

    尽管两个波形图的标题与包络形态相似,它们的波形并不完全相同。

误区

人们可能认为,若两段录音听起来相似,则其波形应当完全一致。

说明

该片段表明,感知相似性可以与显著的逐样本差异并存,这正是为何随机过程模型具有实用价值。

认为去噪纯粹是机械式的滤波

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话者指出,去噪需要“某种关于信号结构的模型”。

误区

人们可能误以为去噪仅意味着施加一个通用滤波器,而无需理解信号本身。

说明

说话者明确将去噪与一种结构化模型联系起来,该模型能区分有意义的信号内容与类噪声的波动。

假设说话人识别可以依赖于波形的精确匹配

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话者指出,系统必须寻找特定特征,并针对信号中的变化进行自适应调整。

误区

人们或许会设想:仅凭某句短语的录音波形完全匹配,就能识别出说话人。

说明

该示例强调特征提取,以及对同一短语在不同发音中所呈现变化的自适应能力。

将典型的实测曲线与唯一可重现的确定性结果相混淆

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人明确对比了重复实验时得到“相似但不相同”的结果,与无法精确复现传播条件之间的差异。

误区

人们可能认为所显示的接收功率曲线是每次重复实验都会得到的精确结果。

说明

视频强调,所展示的曲线仅为一次实现;由于传播环境无法被完全精确复现,再次运行实验很可能产生相似但不同的曲线。

将整段加速度记录当作单一的干净周期性信号来处理

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人指出,数据在起始和结束阶段因姿势变化而存在噪声,甚至看似周期性的部分也包含建模难度更大的涟漪。

  2. 图示
    观察依据

    加速度图明显包含大幅瞬态脉冲以及除中间振荡外的细微不规则性。

误区

由于摇椅图的中部呈现振荡,人们可能推断整个数据集就是简单的周期性信号。

说明

视频区分了含噪声的瞬态段与近似周期性的中部,并进一步指出存在残余涟漪,因此完整信号并非纯粹周期性。

仅期望理想热噪声

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    理论上,我本应能测得电阻中热噪声引起的微弱噪声信号。但实际信号却要复杂得多,像这样……这其实是电磁噪声引起的嗡嗡声。

误区

人们可能认为,测量电阻两端的电压只会得到该元件固有的理论热噪声。

说明

在实际环境中,来自其他设备的电磁干扰等外部因素常产生强得多的信号(例如周期性嗡嗡声),从而主导测量结果。

对真实信号假设完美周期性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    它并非严格周期。你看这里这个尖峰在此处明显更小,且还存在其他变化……

  2. 图示
    观察依据

    用笔圈出波形图上不同的峰值,以显示其幅度与形状的差异。

误区

一个具有清晰重复模式的信号,可能被误认为是严格周期的。

说明

现实世界中的信号,即使主要由周期性源(如市电嗡嗡声)主导,也包含随机变化与噪声,导致其‘并非严格周期’——因为每个周期的幅度与确切形状都会波动。

现实世界中的存在性 与之对比 数学模型

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:‘我刻意避免提到我们将考察随机过程在现实世界中的实例。这是因为我不确定随机过程是否真的存在于现实生活中……我认为这个问题最好留给哲学家去回答。’

误区

认为随机过程不仅是实用的数学模型,更是物理世界中真实存在的基本实在。

说明

主讲人澄清:现实中是否存在真正的随机性尚属未知;本课程关注的是如何对信号进行数学建模,而不考虑其本体论地位。

好的模型意味着满足用途即可,并非要求精确无误

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“只要我们的模型对工程目的而言已足够好地刻画了实际情况,大家就都会感到满意和安心。”

误区

有人或许会认为,一个随机模型必须完全复现真实信号才具有实用价值。

说明

视频指出,只要模型对工程目的而言已足够好地刻画了实际情况,它就是可接受的。

概念关系 · 18

术语:随机过程 = 随机过程 → 随机过程/随机过程的非正式定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人首先将“随机过程”与“随机”等同起来,随后将本主题定义为用于信号或函数的概率模型。

等价
解释

术语等价关系确立了非正式定义:这两个名称均指代本视频中所讨论的同一类概率模型。

随机过程/随机过程的非正式定义 → 四个激发学习兴趣的随机过程实例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    书面定义之后,同一页上列出了若干示例。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人表示存在大量示例,随后列举了四个,再转入数学理论讲解。

应用
解释

这些示例通过展示可被建模为随机过程的具体信号类型,来实例化该非正式定义。

四个激发学习兴趣的随机过程实例 → 语音信号示例:“随机过程”的多次录音

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    “语音信号”出现在书面示例列表中,下一页则展示了两段语音录音。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人指出第一个例子是语音信号,随后讨论了所绘制的录音波形图。

特例
解释

语音信号例子是从一般性动机示例列表中展开的第一个具体案例。

语音信号示例:“随机过程”的多次录音 → 从重复语音录音出发,引出随机建模的动机性推导。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    对两段录音的口头解释直接支撑了采用随机建模的动机论证。

  2. 图示
    观察依据

    这两幅打印出的波形图在该论证中被用作视觉证据。

证明依赖
解释

直观推导以语音例子作为其具体依据。

从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。 → 信号压缩作为随机建模的一种应用。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    压缩讨论直接源于对录音中相关变化与较不相关变化的观察。

应用
解释

对含噪或易变录音中相关结构建模的思想,被应用于音频压缩。

从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。 → 将去噪作为第二个应用

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    去噪要点被作为建模信号结构的第二个理由提出。

应用
解释

信号结构建模被用于将期望内容与微小的非期望波动分离开来。

从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。 → 说话人识别——在存在变异情况下的基于特征的模式匹配

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人识别示例被作为建模可变录音的最终应用呈现。

应用
解释

同一语句多次发音所产生的变异性,促使人们采用基于特征的识别方法,以适应不同实现方式之间的差异。

从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。 → 电信示例:接收功率随行驶距离的变化

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人明确将电信案例称为“我们的第二个例子”。

  2. 图示
    观察依据

    页面内容从两个音频波形图切换为接收功率随距离变化的曲线图。

对比
解释

这两个例子都引出了随机过程的概念,但第一个随机过程以音频采样点序号为索引,第二个则以移动无线电场景中的传播距离为索引。

接收功率是波动信号的一个示例。 → 源于不可重复传播条件的随机性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    关于不可复现传播条件的讨论紧接在接收功率图展示之后展开。

先修
解释

在理解接收功率轨迹是一种实测的波动信号之后,才能明白为何其确切实现被视为随机的。

源于不可重复传播条件的随机性 → 接收功率模型的工程应用

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人从不可复现的实现出发,引出电信工程师为何需要对接收功率建模。

  2. 图示
    观察依据

    手写笔记在第一张图旁列出了设计与仿真应用。

应用
解释

对接收功率实现的概率化视角,推动了它在蜂窝系统设计与仿真中的应用。

总加速度作为第二个随机过程示例 → 实测加速度中混合了周期性与噪声结构

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    在引入加速度示例后,主讲人分析了其噪声部分与周期性部分,并提出了建模启示。

包含
解释

摇椅加速度示例进一步指出:该信号混合了瞬态噪声、周期性振荡以及残余纹波。

接收功率是波动信号的一个示例。 → 总加速度作为第二个随机过程示例

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    该片段展示了两个不同的印刷示例:一个以行进距离为索引,另一个以时间为索引。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人将二者均视为可建模的数据,尽管它们处于不同的应用背景中。

待核验内容
  1. 这种对比属于分析者层面的综合归纳,而非主讲人明确作出的陈述。

对比
解释

两个示例均展示了适合进行随机建模的真实测量信号,但前者是空间通信测量,后者是时间域运动测量。

问题定位 · 25

讲座开头给出的随机过程的非正式定义是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人在这一时段内用语言定义了随机过程(或称随机过程)。

  2. 图示
    观察依据

    该定义也同时写在了讲义页面上。

涉及知识点
  1. 术语:随机过程 = 随机过程
  2. 随机过程/随机过程的非正式定义

在本课程中,“随机的(stochastic)”与“随机的(random)”是否含义相同?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人明确指出这两个术语是同义词。

涉及知识点
  1. 术语:随机过程 = 随机过程

主讲人为什么说语音信号无法用简单的多项式或余弦函数很好地描述?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人指出语音信号难以用多项式或余弦函数表达,且此类公式实际帮助甚微。

涉及知识点
  1. 语音信号示例:“随机过程”的多次录音
  2. 一种误解:真实信号应当能用简单的初等公式表达

为什么同一句口语短语的两次录音作为采样序号的函数并不完全相同?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师比较了录音1和录音2,指出它们并不完全相同,但听起来相似。

  2. 图示
    观察依据

    两个打印出的波形并排显示。

涉及知识点
  1. 语音信号示例:“随机过程”的多次录音
  2. 重复的语音录音在样本点层面存在差异。
  3. 误以为对同一事件的重复测量结果必然完全一致

在正式数学理论之前介绍了哪些例子?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲师表示,在深入数学理论之前,先观察现实世界的例子是个好主意。

  2. 图示
    观察依据

    该页面列出了四个例子。

涉及知识点
  1. 四个激发学习兴趣的随机过程实例

为何使用两段相似的音频录音来引入随机过程?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    开场即对同一短语的两段录音进行对比。

  2. 图示
    观察依据

    同时展示两个波形图。

涉及知识点
  1. 从多次音频录音出发,引出随机过程建模的动机。
  2. 同一短语的多次录音相似,但并不完全相同。

信号建模如何帮助实现声音压缩?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人解释利用相关性信息对声音进行压缩。

  2. 图示
    观察依据

    项目符号:“压缩声音”。

涉及知识点
  1. 信号压缩作为随机建模的一种应用。
  2. 压缩与去噪都需要对信号建立结构化模型。

为什么去噪需要一个关于信号结构的模型?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人指出,去噪需要建立信号结构的模型。

  2. 图示
    观察依据

    要点:“对信号进行去噪”。

涉及知识点
  1. 将去噪作为第二个应用
  2. 压缩与去噪都需要对信号建立结构化模型。

在说话人识别的例子中,变化起到了什么作用?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人描述了一套安防系统,并说明如何适应信号中的变化。

  2. 图示
    观察依据

    要点:“说话人识别”,同时笔尖在两个波形图之间移动。

涉及知识点
  1. 说话人识别——在存在变异情况下的基于特征的模式匹配
  2. 说话人识别必须适应信号的变化。

在电信示例中,所绘制的变量是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    接收功率随传播距离变化的曲线图标题及坐标轴标签。

  2. 声音
    观察依据

    发射器安装在塔架上、接收器安装在厢式货车上的示意图描述。

涉及知识点
  1. 电信示例:接收功率随行驶距离的变化
  2. Normalized received power (dB)
  3. Traveled Distance [m]

为何讲师称接收功率变化范围约为100倍?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人指出,对数分贝尺度图对应于最大值与最小值之间约100倍的变化。

涉及知识点
  1. 接收功率是波动信号的一个示例。

为何重复高速公路测量不会产生完全相同的曲线?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人解释道,重新进行该实验会得到相似但不完全相同的结果,因为传播条件无法被精确复现。

涉及知识点
  1. 源于不可重复传播条件的随机性
覆盖情况与待核验内容

已覆盖 · 片头标题、课程标识,以及说明“stochastic”与“random”是同义词。

已覆盖 · 以书面和口头形式给出随机过程的非正式定义:即对时间或空间中信号/函数的概率建模。

已覆盖 · 页面上写出并口头念出四个激发学习动机的例子。

已覆盖 · 语音信号示例,包含两张绘制的录音图、视觉对比,以及激发学习动机的结论。

已覆盖 · 开场对比两段波形录音,并引出采用随机建模的动机。

已覆盖 · 第一个应用:利用信号中的相关性信息来压缩声音。

已覆盖 · 第二个应用:对信号进行去噪,以及对结构模型的需求。

已覆盖 · 第三个应用:从语音短语中识别说话人,并适应其中的变化。

已覆盖 · 简短的页面过渡,除切换至下一个示例外,不包含任何新的数学内容。

已覆盖 · 通信工程示例:接收功率随传播距离变化的图像。

已覆盖 · 第一个例子:接收功率随行进距离的变化关系、波动讨论、分贝(dB)解读、不可复现性,以及电信应用。

已覆盖 · 第二个例子:转向摇椅总加速度、识别含噪声的瞬态成分、中间段近似周期性、残余波纹,以及应用说明的开头部分——“游戏”。

已覆盖 · 加速度计在游戏和生物测量中的应用讨论,需要信号建模,并以摇椅加速度图为例进行说明。

已覆盖 · 对实测电阻电压信号的分析,对比预期的热噪声与观测到的电磁干扰,并讨论其非严格周期性。

已覆盖 · 电阻噪声图像分析及其建模动因。

已覆盖 · 正式定义的引入、示例列表、共性特征归纳,以及哲学层面的免责声明。

已覆盖 · 整个14秒的片段由一块静态导引板和一段关于随机模型及工程适用性的口述说明组成。

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  • 随机过程 讲解定位 0:11
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