




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1、信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)雷雷 霞霞通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Signal Detection and EstimationAbout myselfAbout myselfl雷霞雷霞Email: Tel: 61830319QQ群:群:261557720(2012信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)估計(jì))辦公室:主樓辦公室:主樓B3-411(提前通過(提前通過Email或者或者QQ預(yù)約)預(yù)約)課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介-預(yù)修預(yù)修課程課程和教材和教材l統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理基礎(chǔ)-信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)n 信號(hào)檢測(cè)與估計(jì),張明友,信號(hào)檢測(cè)與估計(jì),張明友, 呂明等呂明等n檢測(cè)、估值與調(diào)制理
2、論,檢測(cè)、估值與調(diào)制理論,Harry L.Van Treesn統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理基礎(chǔ)估計(jì)與檢測(cè)理論估計(jì)與檢測(cè)理論,Steven M.Kayl 前期課程前期課程信息論信息論、概率論概率論、隨機(jī)過程隨機(jī)過程 、信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng) 、現(xiàn)代通信原理現(xiàn)代通信原理課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介-檢測(cè)與估計(jì)理論檢測(cè)與估計(jì)理論l 檢測(cè)理論檢測(cè)理論根據(jù)有限觀測(cè),根據(jù)有限觀測(cè),“最佳最佳”區(qū)分物理系統(tǒng)不同區(qū)分物理系統(tǒng)不同狀態(tài)的理論狀態(tài)的理論n最大似然、最大后驗(yàn)、極大極小準(zhǔn)則最大似然、最大后驗(yàn)、極大極小準(zhǔn)則 l估計(jì)理論估計(jì)理論參量估計(jì)參量估計(jì)-根據(jù)有限觀測(cè),根據(jù)有限觀測(cè),“最佳最佳”區(qū)分物區(qū)分物理系統(tǒng)不同參數(shù)的理論理
3、系統(tǒng)不同參數(shù)的理論n估計(jì)周期內(nèi)為非時(shí)變參量估計(jì)周期內(nèi)為非時(shí)變參量波形估計(jì)波形估計(jì)-Wienner濾波理論、濾波理論、Kalman濾波濾波理論理論n時(shí)變參量時(shí)變參量/時(shí)變信號(hào)本身時(shí)變信號(hào)本身課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介-應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)l通信通信、雷達(dá)雷達(dá)、聲納聲納、語(yǔ)音語(yǔ)音、圖像圖像分析分析、 生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)、自動(dòng)控制自動(dòng)控制 l舉例舉例 通信,通信,BPSK coscoscctt011100s0 s0 s1 s1 課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介-應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)l雷達(dá)雷達(dá)舉例舉例 0, 1,. 1xxx n 0, 1,. 1xnTxx判斷函數(shù):0, 1,. 1xxx ng估計(jì)函數(shù):距離距離時(shí)延時(shí)延許多課程以本課程為
4、基礎(chǔ)或應(yīng)用本課程的許多理論,比如:自適應(yīng)濾波、數(shù)字通信等。課程信息:性質(zhì)課程信息:性質(zhì)l針對(duì)廣義通信系統(tǒng)(信息傳輸系統(tǒng)),研針對(duì)廣義通信系統(tǒng)(信息傳輸系統(tǒng)),研究最佳接收機(jī)的究最佳接收機(jī)的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論?;A(chǔ)理論基礎(chǔ)理論最佳接收機(jī)最佳接收機(jī)有無(wú)信號(hào)(檢測(cè))有無(wú)信號(hào)(檢測(cè))信號(hào)參數(shù)(參數(shù)估計(jì))信號(hào)參數(shù)(參數(shù)估計(jì))信號(hào)形態(tài)(波形估計(jì))信號(hào)形態(tài)(波形估計(jì))本質(zhì):信號(hào)處理的統(tǒng)計(jì)理論(統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理)!本質(zhì):信號(hào)處理的統(tǒng)計(jì)理論(統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理)!課程信息:作用課程信息:作用l通過建立接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型,為達(dá)到以下目標(biāo)奠通過建立接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型,為達(dá)到以下目標(biāo)奠定理論和方法基礎(chǔ)定理論和方法基礎(chǔ)對(duì)接收機(jī)的性能進(jìn)
5、行評(píng)估(對(duì)接收機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)估(Performance Evaluation)設(shè)計(jì)理論上最優(yōu)的接收機(jī)(設(shè)計(jì)理論上最優(yōu)的接收機(jī)(Optimum Receiver)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用,研究可實(shí)現(xiàn)的次優(yōu)接收機(jī),以可實(shí)現(xiàn)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用,研究可實(shí)現(xiàn)的次優(yōu)接收機(jī),以可實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度逼近理論上最優(yōu)接收機(jī)的性能(的復(fù)雜度逼近理論上最優(yōu)接收機(jī)的性能(Practical Sub-optimal Receiver)統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理理論統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理理論工工程程應(yīng)應(yīng)用用課程信息:學(xué)習(xí)方法課程信息:學(xué)習(xí)方法提出問題提煉為數(shù)學(xué)模型問題的解決思路(idea)解決思路方法推導(dǎo)、驗(yàn)證解決方案的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)學(xué)化實(shí)際應(yīng)用需求實(shí)際操作方法學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)
6、方法l鞏固隨機(jī)過程基礎(chǔ)鞏固隨機(jī)過程基礎(chǔ)l明確信號(hào)檢測(cè)和估計(jì)的目的明確信號(hào)檢測(cè)和估計(jì)的目的l掌握解決問題的思路掌握解決問題的思路l重視結(jié)論中得到的啟示重視結(jié)論中得到的啟示l結(jié)合專業(yè)的應(yīng)用結(jié)合專業(yè)的應(yīng)用l僅僅靠課堂的學(xué)習(xí),是不夠的!,僅僅靠課堂的學(xué)習(xí),是不夠的!,課外自己推導(dǎo)重要的公式,認(rèn)真做題;課外自己推導(dǎo)重要的公式,認(rèn)真做題;建議多使用數(shù)學(xué)和仿真工具建議多使用數(shù)學(xué)和仿真工具M(jìn)atlab。課程安排課程安排l每周每周2次次星期一下午(星期一下午(56節(jié))節(jié))星期三上午(星期三上午(34節(jié))節(jié))l共計(jì)共計(jì)40學(xué)時(shí),學(xué)時(shí),2學(xué)分學(xué)分l成績(jī)構(gòu)成:成績(jī)構(gòu)成:n平時(shí)成績(jī)(作業(yè)、項(xiàng)目)平時(shí)成績(jī)(作業(yè)、項(xiàng)目)n
7、考試成績(jī),考試按慣例是開卷考試成績(jī),考試按慣例是開卷課程內(nèi)容非高斯白噪聲中的檢測(cè)非高斯白噪聲中的檢測(cè)4緒論緒論1信號(hào)檢測(cè)理論與準(zhǔn)則信號(hào)檢測(cè)理論與準(zhǔn)則2高斯白噪聲中的檢測(cè)高斯白噪聲中的檢測(cè)3信號(hào)參量估計(jì)信號(hào)參量估計(jì)5波形估計(jì)波形估計(jì)6緒論隨機(jī)過程的回顧隨機(jī)過程的回顧4信號(hào)傳輸?shù)幕灸P托盘?hào)傳輸?shù)幕灸P?信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念2信號(hào)估計(jì)的概念信號(hào)估計(jì)的概念3561、信號(hào)傳輸?shù)幕灸P?、信?hào)傳輸?shù)幕灸P蚻 信息傳輸?shù)南戕r(nóng)模型信息傳輸?shù)南戕r(nóng)模型普遍性模型普遍性模型本課程研究重點(diǎn)本課程研究重點(diǎn)n接收機(jī)(信號(hào)處理設(shè)備)接收機(jī)(信號(hào)處理設(shè)備)n發(fā)射機(jī)(調(diào)制)發(fā)射機(jī)(調(diào)制)接收信號(hào):接收信號(hào):x(t
8、) = s(t) + v(t)加性噪聲1、信號(hào)傳輸?shù)幕灸P?、信?hào)傳輸?shù)幕灸P蚻加性噪聲加性噪聲l乘性噪聲乘性噪聲 是隨機(jī)變化的是隨機(jī)變化的 如無(wú)線系統(tǒng)中的衰落效應(yīng)如無(wú)線系統(tǒng)中的衰落效應(yīng)l卷積噪聲卷積噪聲 沖擊響應(yīng)是隨機(jī)變化的沖擊響應(yīng)是隨機(jī)變化的 如無(wú)線通信系統(tǒng)中的多徑效應(yīng)如無(wú)線通信系統(tǒng)中的多徑效應(yīng) ( ) ( )x ts t v t ( )( )x ts tv t ( )( )x ts tv t1.1、信號(hào)的矢量表示信號(hào)的矢量表示l 信號(hào)的時(shí)域表示信號(hào)的時(shí)域表示 連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào) s( (t) ) 離散信號(hào)離散信號(hào) s( (n) )l 信號(hào)的頻域表示信號(hào)的頻域表示 傅立葉變換傅立葉變換 Z
9、 Z變換變換l 信號(hào)的矢量表示信號(hào)的矢量表示 實(shí)際上是函數(shù)空間實(shí)際上是函數(shù)空間 向向n維空間的正維空間的正交投影交投影 需要構(gòu)造正交函數(shù)集需要構(gòu)造正交函數(shù)集 ( )x t1.1、信號(hào)的矢量表示信號(hào)的矢量表示l 帶限信號(hào)的矢量表示帶限信號(hào)的矢量表示 根據(jù)采樣定理根據(jù)采樣定理 利用正交函數(shù)集利用正交函數(shù)集 , 可以表示為矢量可以表示為矢量n 由正交函數(shù)集(基函數(shù)集)張成的空間中的由正交函數(shù)集(基函數(shù)集)張成的空間中的一個(gè)點(diǎn),所以也稱為信號(hào)的空間表示。一個(gè)點(diǎn),所以也稱為信號(hào)的空間表示。l 如果信號(hào)還是時(shí)限的,則空間維數(shù)是有限如果信號(hào)還是時(shí)限的,則空間維數(shù)是有限的。的。l 矢量表示有廣泛應(yīng)用:如矢量表
10、示有廣泛應(yīng)用:如MIMO、OFDM ,iiix txt( )sinc()/itti tt ( )it x t1.1、信號(hào)空間表示方法、信號(hào)空間表示方法l模擬信號(hào)模擬信號(hào) 的近似表示的近似表示如果如果 是帶限于是帶限于 ,根據(jù)采樣定理,有,根據(jù)采樣定理,有 是正交函數(shù)集,表示為:是正交函數(shù)集,表示為: x t0,B iiix txt it sinsin itc t i ttt i ttt i tt 如果再進(jìn)一步假設(shè)如果再進(jìn)一步假設(shè)x(t)是是時(shí)限的,那么這里求和時(shí)限的,那么這里求和限限將為將為n 由于一個(gè)信號(hào)不可能既是帶寬有限又是時(shí)限的 對(duì)于帶限信號(hào)而言,采樣信號(hào)xi只能是x(t)的的近似表示
11、實(shí)質(zhì)上是函數(shù)空間x(t)向n維空間的正交投影。 x t1.1、信號(hào)的矢量表示信號(hào)的矢量表示 例例1 采樣信號(hào)采樣信號(hào) 例例2 QPSK信號(hào)信號(hào) iiix txtjiiftttttjiii ,)( )( 1, 1,),sin()cos()(00 QIQIxxtxtxtx )sin()()cos()(00ttttQI 1.2、加性噪聲中的信號(hào)類別加性噪聲中的信號(hào)類別(1)噪聲中的確定信號(hào)噪聲中的確定信號(hào) PAM信號(hào):信號(hào): PFM信號(hào):信號(hào): 上面假設(shè)為同步通信系統(tǒng),收發(fā)雙方的上面假設(shè)為同步通信系統(tǒng),收發(fā)雙方的時(shí)間、頻率、相位是同步的(確定性)時(shí)間、頻率、相位是同步的(確定性)確定信號(hào) ( )(
12、)xttv ts 01cos(),( )0(A ts ttA tT在周期 內(nèi) 12,1cos,0iits tAttT在周期 內(nèi)l回顧:回顧:l通信發(fā)射機(jī)通信發(fā)射機(jī)l脈沖幅度調(diào)制(脈沖幅度調(diào)制(Pulse-amplitude modulation, PAM)l脈沖頻率調(diào)制(脈沖頻率調(diào)制(Pulse-frequency modulation, PFM)1.2、加性噪聲中的信號(hào)類別加性噪聲中的信號(hào)類別1.2、加性噪聲中的信號(hào)類別加性噪聲中的信號(hào)類別(2)噪聲噪聲中的隨機(jī)參量信號(hào)中的隨機(jī)參量信號(hào) PAM信號(hào):信號(hào): PFM信號(hào):信號(hào): 上面假設(shè)為收發(fā)雙方的相位關(guān)系是隨機(jī)的。上面假設(shè)為收發(fā)雙方的相位關(guān)系
13、是隨機(jī)的。 雷達(dá)回波信號(hào):雷達(dá)回波信號(hào):隨機(jī)參量信號(hào) ( )( )xttv ts 0o:,(s)csA ttt隨機(jī)相位 121122,cos,cosAts tAt 隨機(jī)相位 0co,s,s tA tt 隨機(jī)參數(shù)1.2、加性噪聲中的信號(hào)類別加性噪聲中的信號(hào)類別(3)隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào) 電子偵察中偵收信號(hào)、地震信號(hào)、天文觀察電子偵察中偵收信號(hào)、地震信號(hào)、天文觀察信號(hào)、被動(dòng)雷達(dá)信號(hào)、聲納信號(hào)、認(rèn)知系統(tǒng)感信號(hào)、被動(dòng)雷達(dá)信號(hào)、聲納信號(hào)、認(rèn)知系統(tǒng)感知的授權(quán)系統(tǒng)信號(hào)等等!知的授權(quán)系統(tǒng)信號(hào)等等! 分類基于接收方對(duì)發(fā)射方信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)多分類基于接收方對(duì)發(fā)射方信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)多少,一般而言,先驗(yàn)知識(shí)越多,檢測(cè)和估計(jì)的
14、少,一般而言,先驗(yàn)知識(shí)越多,檢測(cè)和估計(jì)的難度越小難度越小隨機(jī)信號(hào)/隨機(jī)過程 ( )( )xttv ts緒論隨機(jī)過程的回顧隨機(jī)過程的回顧4信號(hào)傳輸?shù)幕灸P托盘?hào)傳輸?shù)幕灸P?信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念2信號(hào)估計(jì)的概念信號(hào)估計(jì)的概念3562、信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念l 接收信號(hào):接收信號(hào): 僅有僅有 的的N個(gè)采樣值個(gè)采樣值 N個(gè)采樣值可構(gòu)成個(gè)采樣值可構(gòu)成觀測(cè)矢量觀測(cè)矢量,張成,張成觀測(cè)空間觀測(cè)空間l 發(fā)射信號(hào)發(fā)射信號(hào)s(t)有有M個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài): 稱為稱為M個(gè)假設(shè)(個(gè)假設(shè)(Hypothesis):l 噪聲噪聲v(t)的分布是否已知的分布是否已知l 先驗(yàn)概率是否已知先驗(yàn)概率是否已知 P(Hi)
15、=P(si),且且( )x t12,.Nx xx Msss.,2112,.MHHH ( )( )x ts tv t1()1MiiP H2、信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念l問題問題(定義定義): 由觀測(cè)向量,按某一種最佳規(guī)則,判斷由觀測(cè)向量,按某一種最佳規(guī)則,判斷 原原s(t)的的M個(gè)假設(shè)中哪一個(gè)假設(shè)是真。個(gè)假設(shè)中哪一個(gè)假設(shè)是真。 此過程成為此過程成為信號(hào)檢測(cè)(信號(hào)檢測(cè)(Detection)。檢測(cè)檢測(cè)(Detection)= 做一種決策做一種決策(Make a decision)2、信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念例例1:二進(jìn)制數(shù)字通信:二進(jìn)制數(shù)字通信 s(t)有兩種假設(shè):有兩種假設(shè):例例2:數(shù)字通信
16、中:數(shù)字通信中QPSK調(diào)制調(diào)制 ( )( )x ts tv t10203040: ( )cos/ 4: ( )cos3 / 4: ( )cos5/ 4: ( )cos7/ 4Hs tAtHs tAtHs tAtHs tAt01: ( )0: ( )1Hs tHs t2、信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念例例3:QAM調(diào)制調(diào)制 256QAM: S(t)有有256個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài),M=256 例例4:雷達(dá)探測(cè)目標(biāo):雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)例例5:雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別:導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗艦、轟:雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別:導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗艦、轟炸機(jī);炸機(jī); M=3010: ( )0, : ( )( )cos Hs tHs tA tt無(wú)目標(biāo),有目標(biāo)2 2、信
17、號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念Known Signals in noiseSynchronous digital communicationPattern recognitionSignals with Unknown parameters in noiseConventional pulsed radar or sonarTarget classificationDigital Communication over slowly-fading channelsRandom signals in noiseDigital communication over scatter linkPassive
18、 sonarSeismic detection system緒論隨機(jī)過程的回顧隨機(jī)過程的回顧4信號(hào)傳輸?shù)幕灸P托盘?hào)傳輸?shù)幕灸P?信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念2信號(hào)估計(jì)的概念信號(hào)估計(jì)的概念3563、信號(hào)估計(jì)的概念信號(hào)估計(jì)的概念l根據(jù)觀察樣本值,在某種最佳狀態(tài)準(zhǔn)則根據(jù)觀察樣本值,在某種最佳狀態(tài)準(zhǔn)則意義下估計(jì)出意義下估計(jì)出S(t)的某一參數(shù)。的某一參數(shù)。 ( )( )x ts tv t3、信號(hào)估計(jì)的概念信號(hào)估計(jì)的概念例例1 1:雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)中:雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)中n電子偵察中:信號(hào)源的方向、信號(hào)的電子偵察中:信號(hào)源的方向、信號(hào)的頻率。頻率。n通信中,信道參數(shù)估計(jì),時(shí)間和頻率通信中,信道參數(shù)估計(jì),時(shí)間和
19、頻率同步。同步。n對(duì)參數(shù)的連續(xù)估計(jì),稱為跟蹤對(duì)參數(shù)的連續(xù)估計(jì),稱為跟蹤( (Tracking) ) 0()cos 2ds tA tfft:df目標(biāo)距離,目標(biāo)徑向速度3 3、信號(hào)估計(jì)的概念信號(hào)估計(jì)的概念Known Signals in noisePAM,PFM and PPM communication systems with phase synchronizationSignals with Unknown parameters in noiseRange, velocity or angle measurement in radar/sonar problemsDiscrete time,
20、 continuous amplitude communication system (with unknown amplitude or phase in channel)Random signals in noisePower Spectrum parameter estimationRange or Doppler spread target parameters in radar/sonar problemVelocity measurement in radio astronomy3、信號(hào)檢測(cè)和估計(jì)的比較信號(hào)檢測(cè)和估計(jì)的比較l在一個(gè)月黑風(fēng)高的夜晚,在昏暗的在一個(gè)月黑風(fēng)高的夜晚,在昏暗
21、的燈光下,燈光下,路上是否有一個(gè)人?(雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)路上是否有一個(gè)人?(雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)問題)問題)這個(gè)人是男還是女?(二進(jìn)制信號(hào)通這個(gè)人是男還是女?(二進(jìn)制信號(hào)通信問題)信問題)如果真有一個(gè)人,這個(gè)人年齡多大?如果真有一個(gè)人,這個(gè)人年齡多大?身高多少?體重多少?(參數(shù)估計(jì)問身高多少?體重多少?(參數(shù)估計(jì)問題)題)緒論隨機(jī)過程的回顧隨機(jī)過程的回顧4信號(hào)傳輸?shù)幕灸P托盘?hào)傳輸?shù)幕灸P?信號(hào)檢測(cè)的概念信號(hào)檢測(cè)的概念2信號(hào)估計(jì)的概念信號(hào)估計(jì)的概念3564、隨機(jī)過程回顧隨機(jī)過程回顧l幾個(gè)基本概念幾個(gè)基本概念A(yù)是隨機(jī)事件,發(fā)生概率為是隨機(jī)事件,發(fā)生概率為隨機(jī)變量隨機(jī)變量X: 用變量用變量X來(lái)描述隨機(jī)來(lái)描述隨
22、機(jī)事件的結(jié)果事件的結(jié)果分布函數(shù)和概率密度函數(shù)分布函數(shù)和概率密度函數(shù)n分布函數(shù)分布函數(shù)n概率密度函數(shù)概率密度函數(shù)(pdf) 0( )1P A( )()P xP Xx( )( )dP xp xdx( )( )xP xp z dz4、隨機(jī)過程回顧隨機(jī)過程回顧由多個(gè)隨機(jī)變量由多個(gè)隨機(jī)變量 x1,x2,xM 構(gòu)成數(shù)組構(gòu)成數(shù)組隨機(jī)過程隨機(jī)過程 n隨機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)函數(shù)x(t)-樣本函數(shù)樣本函數(shù)n所有可能的所有可能的x(t)的集合的集合X(t)稱為隨機(jī)過稱為隨機(jī)過程程 n觀測(cè)某時(shí)刻觀測(cè)某時(shí)刻t0的值的值x(t0)-隨機(jī)變量隨機(jī)變量12 ,.,XTMx xx隨機(jī)向量 12,.,XMPP x xxM維的聯(lián)合分布 12,.,XMpp x xxM維的聯(lián)合概率密度函數(shù)4、隨機(jī)過程回顧隨機(jī)過程回顧基本概率公式基本概率公式乘法公式乘法公式 ,設(shè),設(shè)A,B是隨機(jī)事件是隨機(jī)事件 全概率公式,設(shè)全概率公式,設(shè)Bi是完備不相容
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