Esercizio 21PAM a quattro livelli con simboli -4, -3, 3, 4 e disturbo sinusoidale (tema d'esame giugno 2025)
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Testo (tema d'esame del 19 giugno 2025, esercizio 3). Si consideri un sistema che usa la seguente forma d'onda in trasmissione: con e impulso con V (nel testo trascritto è "1 mV": con questo valore il rumore sommerge il segnale, quindi si assume V) e s, e simboli equiprobabili. Il canale introduce un'attenuazione di dB e un rumore AWGN con .
- (2p) Determinare una base per la segnalazione e rappresentare la costellazione associata.
- (2p) Calcolare la distanza minima e l'energia media per simbolo.
- (2p) Si determinino le regioni di decisione usando il criterio a minima distanza MD. È ottimo? Giustificare la risposta.
- (3p) Determinare la probabilità di errore sul bit del sistema.
- (2p) Si consideri il caso in cui, oltre al rumore AWGN, sia presente in ingresso al ricevitore anche il disturbo , per , tale che . Quanto vale la nuova probabilità di errore?
Teoria usata: PAM - modulazione di ampiezza di impulsiNella PAM ogni segnale è l'impulso $h(t)$ moltiplicato per un'ampiezza $\alpha_m=2m-1-M$: $s_m(t)=\alpha_mh(t)$. La costellazione è su una retta (base $\phi=\frac h{\sqrt{E_h}}$, punti $\alpha_m\sqrt{E_h}$) con $d_{min}=2\sqrt{E_h}$ ed energia media $E_s=E_h\frac{M^2-1}3$. La probabilità di errore è $P[E]=2\left(1-\frac1M\right)Q\left(\sqrt{\frac{2E_h}{N_0}}\right)=2\left(1-\frac1M\right)Q\left(\sqrt{\frac6{M^2-1}\frac{E_s}{N_0}}\right)$ e con Gray $P_{bit}\approx\frac{P[E]}{\log_2M}$. È semplice, ma l'energia cresce come $M^2$.PAM - modulazione di ampiezza di impulsi →, 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 →, 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 →, Il rumore AWGN nello spazio dei segnaliIl ricevitore vede solo la componente del rumore nello spazio dei segnali: $w_i=\langle w,\phi_i\rangle$. Per un rumore bianco gaussiano le $w_i$ sono gaussiane a media nulla, scorrelate (quindi indipendenti) e con la stessa varianza $\sigma_I^2=\frac{N_0}2$, qualunque sia la base ortonormale. Il vettore ricevuto $\mathbf r=\mathbf s_m+\mathbf w$ ha densità condizionata $p_{\mathbf r|m}(\boldsymbol\rho|m)=\left(\pi N_0\right)^{-I/2}e^{-\lVert\boldsymbol\rho-\mathbf s_m\rVert^2/N_0}$: il rumore sposta il punto trasmesso in modo circolare.Il rumore AWGN nello spazio dei segnali →.
(1) Base e costellazione
Tutti i segnali sono multipli dello stesso impulso: la base è unidimensionale, Le coordinate sono . Il canale attenua di dB in potenza (fattore ), quindi di in ampiezza: in ricezione l'impulso ha energia e . La costellazione nel punto di decisione (all'uscita del correlatore) è (Ai fini del progetto del ricevitore ci si mette in ricezione; in trasmissione le stesse coordinate sono moltiplicate per .)
Grafico interattivo: Costellazione in ricezione in unità di √E_h,rx = 1 mV·√s: punti −4, −3, +3, +4; soglie MD in −3,5, 0 e +3,5
(2) Distanza minima ed energia media
Distanze: (da a e da a ), , . Quindi Energia media per simbolo (in ricezione, simboli equiprobabili):
(3) Regioni di decisione
Il canale è AWGN e i simboli sono equiprobabili: il criterio MD coincide con ML e MAP ed è ottimo (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 soglie sono a metà tra punti adiacenti, in unità di : (La soglia centrale è in , a metà tra e : le due regioni centrali sono larghe ciascuna.)
(4) Probabilità di errore sul bit
Il rumore ha , , quindi . Probabilità di errore per ciascun simbolo:
- : sbaglia se il rumore supera (verso ): ;
- : sbaglia verso (rumore ) con , oppure verso lo (rumore ) con ;
- : simmetrici.
Il termine (errore tra e ) è trascurabile. Ci sono simboli: ogni simbolo porta bit. Con una mappa di Gray (, , , ) un errore verso il simbolo adiacente cambia un solo bit, per cui
(5) Disturbo sinusoidale
Il ricevitore proietta su ; il disturbo dà il contributo perché compie esattamente due periodi in e ha media nulla. Il disturbo è ortogonale alla base (e a tutti i segnali): non entra nel vettore e non sposta il punto ricevuto. La probabilità d'errore non cambia: , . (Con un numero non intero di periodi, o con un periodo dispari, la proiezione non sarebbe nulla e il disturbo sarebbe un offset da sommare alla soglia.)
(Verificato numericamente: , ; .)
Errori comuni
- Dimenticare l'attenuazione: l'energia che conta è quella in ricezione (), non quella trasmessa.
- Scegliere le soglie a e senza controllare: sono i punti medi tra (, , ).
- Usare (formula della PAM regolare): qui i simboli non sono equidistanti, serve il conto per simbolo.
- Dire che un disturbo sinusoidale cambia sempre la probabilità: qui .
Versione ripasso
Testo. , , ( V, s), dB, : base e costellazione; ed ; MD e ottimalità; ; disturbo (giugno 2025).
- (1) (PAM - modulazione di ampiezza di impulsiNella PAM ogni segnale è l'impulso $h(t)$ moltiplicato per un'ampiezza $\alpha_m=2m-1-M$: $s_m(t)=\alpha_mh(t)$. La costellazione è su una retta (base $\phi=\frac h{\sqrt{E_h}}$, punti $\alpha_m\sqrt{E_h}$) con $d_{min}=2\sqrt{E_h}$ ed energia media $E_s=E_h\frac{M^2-1}3$. La probabilità di errore è $P[E]=2\left(1-\frac1M\right)Q\left(\sqrt{\frac{2E_h}{N_0}}\right)=2\left(1-\frac1M\right)Q\left(\sqrt{\frac6{M^2-1}\frac{E_s}{N_0}}\right)$ e con Gray $P_{bit}\approx\frac{P[E]}{\log_2M}$. È semplice, ma l'energia cresce come $M^2$.PAM - modulazione di ampiezza di impulsi →) , ; in ricezione ; punti .
- (2) ; .
- (3) MD, ottimo (AWGN + equiprobabili): soglie (in ).
- (4) : ; Gray: .
- (5) (due periodi): nessuna variazione.
- Errori: energia trasmessa invece di ricevuta; soglie sbagliate; formula PAM regolare; disturbo non ortogonale.