Esercizio 22PAM a tre livelli con probabilità diverse, MAP e soglie simmetriche (tema d'esame giugno 2026)
In questa pagina 5
Testo (tema d'esame del 19 giugno 2026, esercizio 3). Si consideri la seguente modulazione digitale: (ampiezza V), con e probabilità , , . L'attenuazione del canale è dB.
- Quanto deve valere affinché il segnale sia causale? Avendo a disposizione , quale valore scelgo per il tempo di simbolo (motivare)? (Suggerimento: considerare la trasmissione di .)
- Si calcoli considerando un dB.
- Disegnare la costellazione lato trasmettitore e lato ricevitore. Quale criterio di decisione scelgo tra MAP e MD? (motivare)
- Consideriamo ora soglie di decisione simmetriche pari a metà della norma del vettore lato ricevitore: calcolare la probabilità di errore sul simbolo.
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 →, 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 →, 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 →, Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettralePer confrontare le modulazioni si usa l'SNR di riferimento $\Gamma=\frac{E_{s,rc}}{N_0,T,B_{min}}=\frac{P_{tx}}{kT_{eff}B_{min}a_{ch}}$, con $B_{min}$ la banda minima ($\frac1{2T}$ per la PAM in banda base, $\frac1T$ per QAM e PSK, $\frac M{2T}$ per le ortogonali). Ogni modulazione ha una $P_{bit}(\Gamma)$ approssimata (tabella) e un'efficienza spettrale $\nu=\frac{R_b}{B_{min}}$, limitata da Shannon: $\nu\le\log_2(1+\Gamma)$. A SNR alto conviene la QAM, a SNR molto basso le ortogonali e biortogonali (ma con più banda).Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettrale →.
(1) Causalità e tempo di simbolo
L'impulso è un rettangolo di durata ms centrato in : è nullo per solo se il suo inizio , cioè ms (con ms occupa ms).
Per il tempo di simbolo serve l'assenza di ISI: le traslate dell'impulso di non devono sovrapporsi, quindi ms. Delle tre scelte:
- ms: ISI (ogni impulso si sovrappone per ms al successivo; per esempio la sequenza darebbe in ricezione la somma di tratti di e nello stesso istante);
- ms: nessuna ISI e frequenza di simbolo massima, simboli/s;
- ms: nessuna ISI ma rate dimezzato.
Si sceglie ms (rate massimo senza ISI).
(2) Densità di rumore per dB
Segnale in banda base: l'SNR di riferimento è con , quindi . Energia dell'impulso ; con simboli non equiprobabili L'attenuazione di dB divide l'energia per : . Con dB :
(3) Costellazione e criterio
La base è (). Lato trasmettitore i punti sono . Lato ricevitore (attenuazione in ampiezza , ): Le probabilità a priori sono diverse: il criterio ottimo è il MAP; il MD, che ignora le probabilità, sarebbe ottimo solo con simboli equiprobabili. Le soglie MAP (unico punto in cui ) sono, con : Il MD darebbe e . Il MAP sposta le soglie verso i simboli meno probabili ( e ) e allarga la regione del più probabile (): contro .
(4) Soglie simmetriche a
Le soglie sono mV (valore assoluto della metà di ): , , . Si ha . Probabilità di errore per simbolo:
- : errore se , cioè : ;
- : errore se : ;
- : errore se , cioè : (la soglia è molto vicina a ).
Per confronto: con le soglie MD ( e ) ; con le soglie MAP ( e ) , il minimo possibile: le soglie simmetriche costano circa in più (da a ).
(Verificato con Python: , , soglie MAP e mV, (simmetriche), (MD), (MAP).)
Errori comuni
- Scegliere ms (ISI) o ms (rate dimezzato) invece di ms.
- Calcolare l'energia media con senza pesare con le probabilità: , non ( equiprobabili).
- Usare il MD con simboli non equiprobabili senza dire che non è ottimo.
- Dimenticare l'attenuazione: la costellazione e il rumore vanno confrontati lato ricevitore.
Versione ripasso
Testo. , con , dB: e ms; per SNR dB; costellazione e criterio; con soglie (giugno 2026).
- (1) (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 →) ms; ms: ms (: ISI; : rate dimezzato).
- (2) ; ; ; V²/Hz.
- (3) Lato Rx: mV (). Priori diverse: MAP; soglie : , (MD: , ).
- (4) (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 →) soglie , : (MD , MAP ).
- Errori: ; pesato; MD non ottimo; confronti lato Rx.