Esercizio 20otto segnali a impulsi rettangolari, base, costellazione e probabilità d'errore (temi d'esame gennaio e agosto 2025)
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Testo (temi d'esame gennaio 2025 e agosto 2025, esercizio 3). Si consideri una modulazione che utilizza i seguenti otto segnali in trasmissione, di durata (nel compito sono dati in figura; qui sono descritti a parole). I primi quattro hanno ampiezza su una delle due metà del periodo: gli altri quattro hanno ampiezza su tutto il periodo o su metà con segno opposto: Si sa che , che il canale è AWGN con , ms e i simboli sono equiprobabili.
- (3p) Si calcoli la base associata e si disegni la costellazione corrispondente.
- (2p) Qual è il criterio di decisione ottimo? Si disegnino le regioni di decisione nel caso in cui vengano trasmessi a) e b) utilizzando tale criterio.
- (2,5p) Si consideri ora solo la coppia e . Che ampiezza devono avere i segnali in ingresso per assicurare ?
- (2,5p) Si consideri ora solo il quartetto . Sapendo che V, quanto vale la (o ) in questo caso?
Teoria usata: Introduzione alla modulazione digitale e spazio dei segnaliLa modulazione digitale associa a ognuna delle $M=2^b$ parole di $b$ bit un segnale $s_m(t)$ di energia finita; il demodulatore deve capire quale segnale è stato trasmesso da $r(t)=s_m(t)+w(t)$. Per studiarlo i segnali si vedono come vettori: con il prodotto scalare $\langle x,y\rangle=\int xy^*dt$ e una base ortonormale ${\phi_i}$ ogni segnale è $\mathbf s_m=[\langle s_m,\phi_i\rangle]$ e l'insieme dei punti è la costellazione. La base si trova con il procedimento di Gram-Schmidt; distanze ed energie dei punti dicono le prestazioni.Introduzione alla modulazione digitale e spazio dei segnali →, Teoria della decisione - criteri MAP, ML e MDLe regioni di decisione che massimizzano la probabilità di decisione corretta sono $\mathcal R_m={\boldsymbol\rho:\ m=\arg\max_mP_m,p_{\mathbf r|m}(\boldsymbol\rho|m)}$: criterio MAP (ottimo). Il criterio ML ignora le probabilità a priori; se i simboli sono equiprobabili coincide con il MAP. Il criterio MD sceglie il punto più vicino, $\hat m=\arg\min_m\lVert\boldsymbol\rho-\mathbf s_m\rVert$; con canale AWGN coincide con il ML. Quindi con simboli equiprobabili e AWGN la distanza minima è ottima; con probabilità diverse le soglie si spostano verso il punto meno probabile.Teoria della decisione - criteri MAP, ML e MD →, Modulazione binaria - correlazione, distanza e probabilità di erroreDue segnali $s_1,s_2$ hanno costellazione $\mathbf s_1=(\sqrt{E_1},0)$, $\mathbf s_2=(\rho\sqrt{E_2},\sqrt{E_2(1-\rho^2)})$ con coefficiente di correlazione $\rho=\frac{\langle s_1,s_2\rangle}{\sqrt{E_1E_2}}\in[-1,1]$ e distanza $d_{1,2}=\sqrt{E_1+E_2-2\rho\sqrt{E_1E_2}}$. Con AWGN, simboli equiprobabili e criterio MD, $P[E]=Q\left(\frac{d_{1,2}}{2\sigma_I}\right)$. A parità di energia $E_s$ il minimo errore si ha per $\rho=-1$ (antipodale: $Q\left(\sqrt{2E_s/N_0}\right)$); per $\rho=0$ (ortogonale) $Q\left(\sqrt{E_s/N_0}\right)$, 3 dB peggio.Modulazione binaria - correlazione, distanza e probabilità di errore →, Modulazioni M-arie - bound sulla probabilità di errore, ortogonali e biortogonaliCon $M>2$ segnali la probabilità di errore esatta non si trova in forma chiusa, ma si limita con la distanza minima: $\frac{N^}{M}Q\left(\frac{d_{min}}{2\sigma_I}\right)\le P[E]\le(M-1),Q\left(\frac{d_{min}}{2\sigma_I}\right)$ ($N^$ = numero di punti con almeno un vicino a $d_{min}$). L'upper bound è molto vicino al valore vero ad SNR alto. Per $M$ segnali ortogonali $d_{min}=\sqrt{2E_s}$ e la dimensione è $M$; per i biortogonali (un segnale opposto più $M-2$ ortogonali) la dimensione è $\frac M2$.Modulazioni M-arie - bound sulla probabilità di errore, ortogonali e biortogonali →, Canale numerico, ISI e codifica di GrayNella catena bit $\to$ BMAP $\to$ modulatore $\to$ canale $\to$ proiezione $\to$ rivelatore $\to$ IMAP, un simbolo da $b=\log_2M$ bit dura $T=T_b\log_2M$. Per non avere interferenza intersimbolo (ISI) le forme d'onda devono essere ortogonali alle loro traslate di $kT$: $\langle\phi_i(t),\phi_j(t-kT)\rangle=0$ per $k\ne0$ (per esempio un impulso che dura al più $T$). Il canale numerico equivalente (bit in ingresso, bit decisi in uscita) è un canale binario simmetrico di probabilità $P_{bit}$; con la codifica di Gray simboli adiacenti differiscono in un solo bit e $P_{bit}\approx\frac{P[E]}{\log_2M}$.Canale numerico, ISI e codifica di Gray →.
(1) Base e costellazione
Tutti gli otto segnali sono combinazioni di due rettangoli con supporti disgiunti, e . La base ortonormale ha dimensione (due rettangoli di energia unitaria): ( vive nella seconda metà, nella prima; perché i supporti sono disgiunti, ). Con e le coordinate sono:
| Segnale | Segnale | ||
|---|---|---|---|
(per esempio vale nella prima metà, quindi lungo , e nella seconda, lungo .) Le due quaterne sono una QPSK (–: quattro punti sugli assi, a distanza dall'origine) e una QPSK ruotata di (–: i vertici di un quadrato, a distanza dall'origine). Energie: e .
(2) Criterio ottimo e regioni di decisione
Con simboli equiprobabili e canale AWGN il criterio ottimo è la minima distanza (MD, equivalente a ML e MAP: Teoria della decisione - criteri MAP, ML e MDLe regioni di decisione che massimizzano la probabilità di decisione corretta sono $\mathcal R_m={\boldsymbol\rho:\ m=\arg\max_mP_m,p_{\mathbf r|m}(\boldsymbol\rho|m)}$: criterio MAP (ottimo). Il criterio ML ignora le probabilità a priori; se i simboli sono equiprobabili coincide con il MAP. Il criterio MD sceglie il punto più vicino, $\hat m=\arg\min_m\lVert\boldsymbol\rho-\mathbf s_m\rVert$; con canale AWGN coincide con il ML. Quindi con simboli equiprobabili e AWGN la distanza minima è ottima; con probabilità diverse le soglie si spostano verso il punto meno probabile.Teoria della decisione - criteri MAP, ML e MD →). Le regioni sono quelle di Voronoi, con i confini sugli assi dei segmenti tra i punti:
- a) : i confini sono le diagonali (asse del segmento tra e ); le quattro regioni sono quattro settori di centrati sui semiassi (, , , );
- b) : i confini sono gli assi coordinati (, ); le regioni sono i quattro quadranti: , , , .
(Se si trasmettessero tutti gli otto segnali insieme, con le regioni sarebbero più complicate: i punti stanno più lontani dall'origine e quelli di interni al quadrato.)
(3) Ampiezza per con
La coppia è antipodale (): , energia , e . Con : Quindi V (con dB).
(4) Il quartetto con V
Qui e , quindi . Con le regioni a quadranti un simbolo è decodificato bene se entrambe le componenti del rumore non superano (verso l'origine): le due componenti sono indipendenti, Con una mappa di Gray (un bit per ciascuna componente: segno di e di ) ogni bit sbagliato dipende da una sola componente: . È una probabilità praticamente nulla: con V il rapporto segnale/rumore è molto alto ( dB per segnale).
(Verificato con scipy: V, , ; per la quaterna sugli assi con V, esatta , calcolata per integrazione numerica, contro .)
Errori comuni
- Dire che la dimensione è (o ): i segnali sono combinazioni di soli due rettangoli, .
- Normalizzare con invece di (il rettangolo di base dura metà periodo).
- Per la coppia antipodale usare (ortogonale): è .
- Tracciare per i quadranti (e per le diagonali): è l'inverso, perché i punti sono sugli assi nel primo caso e sulle diagonali nel secondo.
Versione ripasso
Testo. Otto segnali: su una metà di , su e antisimmetrici (), AWGN , ms: base e costellazione; criterio e regioni; per (); con V (gennaio e agosto 2025).
- (1) (Introduzione alla modulazione digitale e spazio dei segnaliLa modulazione digitale associa a ognuna delle $M=2^b$ parole di $b$ bit un segnale $s_m(t)$ di energia finita; il demodulatore deve capire quale segnale è stato trasmesso da $r(t)=s_m(t)+w(t)$. Per studiarlo i segnali si vedono come vettori: con il prodotto scalare $\langle x,y\rangle=\int xy^*dt$ e una base ortonormale ${\phi_i}$ ogni segnale è $\mathbf s_m=[\langle s_m,\phi_i\rangle]$ e l'insieme dei punti è la costellazione. La base si trova con il procedimento di Gram-Schmidt; distanze ed energie dei punti dicono le prestazioni.Introduzione alla modulazione digitale e spazio dei segnali →) base (seconda/prima metà); , : ; (QPSK ruotata).
- (2) MD (equiprobabili + AWGN): per le diagonali (settori di ); per gli assi (quadranti).
- (3) antipodali: V.
- (4) , : , .
- Errori: ; ; antipodale con ; quadranti/diagonali scambiati.