Esercizio - due segnali con coefficiente di correlazione 1 su 2, base, periodo di simbolo e Es su N0 (esercizi del corso, cap. 3, es. 27)
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Testo (esercizi del corso di Fondamenti di Telecomunicazioni, Ing. Informatica UniPD, cap. 3, es. 27). Un modulatore digitale usa le forme d'onda con s.
- Disegnare i segnali e . Determinare una base ortonormale, disegnare i segnali della base e la costellazione (specificando con esattezza le coordinate dei segnali).
- Determinare un valore opportuno per il periodo di simbolo e il rapporto segnale-rumore che garantisce una probabilità d'errore sul bit .
- Se in alternativa si usano come sopra e , le prestazioni migliorano? Spiegare i motivi.
Teoria usata: Spazio dei segnali - base ortonormale, coordinate e Gram-SchmidtI segnali a energia finita formano uno spazio vettoriale con prodotto interno $\langle x,y\rangle=\int x(t)y(t),dt$, norma $\lVert x\rVert=\sqrt{E_x}$ e distanza $d(x,y)=\lVert x-y\rVert$. Le $M$ forme d'onda di una segnalazione generano un sottospazio, di cui si costruisce una base ortonormale ${\phi_1,\dots,\phi_I}$ con $I\le M$ (procedura di Gram-Schmidt). Ogni segnale diventa il vettore delle coordinate $s_i=\langle s,\phi_i\rangle$: somme, prodotti per scalari, energie ($E_s=\sum s_i^2$) e distanze si calcolano uguali sui vettori. L'insieme dei vettori ${\mathbf s_1,\dots,\mathbf s_M}$ è la costellazione.Spazio dei segnali - base ortonormale, coordinate e Gram-Schmidt →, Probabilità d'errore delle modulazioni binarie - funzione Q e coefficiente di correlazioneIn una modulazione binaria con rumore AWGN e decisione a minima distanza l'errore avviene solo se la componente di rumore lungo la congiungente dei due punti supera metà distanza: $P[E]=Q\left(\frac{d}{2\sigma_I}\right)$ con $d=\lVert\underline s_1-\underline s_2\rVert$. A parità di energia $E_s$ si ha $d^2=2E_s(1-\rho)$, quindi $P[E]=Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{\sigma_I^2}}\sqrt{\frac{1-\rho}{2}}\right)$, con $\rho=\frac{\langle s_1,s_2\rangle}{\sqrt{E_{s_1}E_{s_2}}}$ coefficiente di correlazione. Antipodali ($\rho=-1$, BPSK): $Q\left(\sqrt{E_s/\sigma_I^2}\right)$; ortogonali ($\rho=0$): $Q\left(\sqrt{E_s/(2\sigma_I^2)}\right)$, 3 dB peggio; $\rho=1$: $P[E]=\frac12$. Per qualunque modulazione binaria basta un solo ramo del ricevitore, lungo $\phi_1'\propto s_1-s_2$.Probabilità d'errore delle modulazioni binarie - funzione Q e coefficiente di correlazione →, Regioni di decisione - criteri MAP, ML e minima distanzaLe regioni di decisione $\mathcal R_1,\dots,\mathcal R_M$ sono una partizione dello spazio $\mathbb R^I$: se il vettore ricevuto cade in $\mathcal R_m$ si decide $\hat a_0=m$. La probabilità di decisione corretta è $P[C]=\sum_m\int_{\mathcal R_m}D(\boldsymbol\rho;m),d\boldsymbol\rho$ con $D=P_{a_0}(m),p_{\mathbf r|a_0}(\boldsymbol\rho|m)$, ed è massima assegnando ogni $\boldsymbol\rho$ al $m$ che massimizza $D$: criterio MAP. Con simboli equiprobabili è il ML; con in più rumore AWGN diventa la minima distanza (MD), $\hat a_0=\arg\min_m\lVert\boldsymbol\rho-\mathbf s_m\rVert$, con confini che sono gli assi dei segmenti tra i punti. Con probabilità diverse i confini si spostano verso i punti meno probabili.Regioni di decisione - criteri MAP, ML e minima distanza →, Variabili aleatorie continue - uniforme, gaussiana, esponenziale e funzione QUna v.a. continua ha funzione di distribuzione F_x(a) = P(x ≤ a) e densità f_x(a) = dF_x/da ≥ 0 con integrale 1; P(A ≤ x ≤ B) = F_x(B) − F_x(A) = ∫_A^B f_x e P(x = A) = 0. Uniforme U([a,b]): densità 1/(b−a), media (a+b)/2, varianza (b−a)²/12. Esponenziale unilatera di media m: (1/m)e^(−a/m), a ≥ 0. Gaussiana N(m, σ²): P(x ≥ A) = Q((A − m)/σ), con Q(A) coda della gaussiana standard. Somme di gaussiane indipendenti sono gaussiane (medie e varianze si sommano); teorema del limite centrale.Variabili aleatorie continue - uniforme, gaussiana, esponenziale e funzione Q →.
(1) Segnali, base e costellazione
I segnali. vale nella prima metà di e nella seconda. Il segnale è lo stesso spostato di mezzo periodo (vale in e in ); cambiato di segno diventa
Grafico interattivo: I segnali dell'esercizio 27 con T_p = 1 e ampiezze in unità di A: s₁ vale −1 su [0; 0,5] e +1 su [0,5; 1]; s₂ vale +1 su [0,5; 1] e −1 su [1; 1,5]. Si sovrappongono solo in [0,5; 1], dove sono uguali
Energie e correlazione. Entrambi i segnali hanno ampiezza su un intervallo di durata : . Si sovrappongono solo in , dove valgono entrambi:
Gram-Schmidt. vale su e su . Il resto di dopo la proiezione (): (controllo: su : ; su : ), con energia (stessa cosa da ). Normalizzando, Costellazione: cioè due punti sulla circonferenza di raggio con un angolo di tra loro (). Il confine di decisione (asse del segmento) è la retta per l'origine inclinata di .
Base alternativa, più comoda per decidere. Con e (ortogonali perché ) i punti sono e il confine è l'asse delle ordinate. Esplicitamente su e su (zero in mezzo), su , su , su .
Grafico interattivo: Costellazione in unità √E_s con la base di Gram-Schmidt: s₁ = (1; 0), s₂ = (1/2; √3/2), con un angolo di 60° tra i due punti (ρ = cos 60° = 1/2). Il confine di decisione è la retta inclinata di 30° (asse del segmento)
(La retta tratteggiata ha equazione , cioè ; si decide se , perché .) angle>0$.)
(2) Periodo di simbolo e
Periodo di simbolo. Le forme d'onda durano ( esce a , a ): per non avere interferenza tra simboli successivi, . Si prende il minimo, s.
. Il sistema è binario: con e (Probabilità d'errore delle modulazioni binarie - funzione Q e coefficiente di correlazioneIn una modulazione binaria con rumore AWGN e decisione a minima distanza l'errore avviene solo se la componente di rumore lungo la congiungente dei due punti supera metà distanza: $P[E]=Q\left(\frac{d}{2\sigma_I}\right)$ con $d=\lVert\underline s_1-\underline s_2\rVert$. A parità di energia $E_s$ si ha $d^2=2E_s(1-\rho)$, quindi $P[E]=Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{\sigma_I^2}}\sqrt{\frac{1-\rho}{2}}\right)$, con $\rho=\frac{\langle s_1,s_2\rangle}{\sqrt{E_{s_1}E_{s_2}}}$ coefficiente di correlazione. Antipodali ($\rho=-1$, BPSK): $Q\left(\sqrt{E_s/\sigma_I^2}\right)$; ortogonali ($\rho=0$): $Q\left(\sqrt{E_s/(2\sigma_I^2)}\right)$, 3 dB peggio; $\rho=1$: $P[E]=\frac12$. Per qualunque modulazione binaria basta un solo ramo del ricevitore, lungo $\phi_1'\propto s_1-s_2$.Probabilità d'errore delle modulazioni binarie - funzione Q e coefficiente di correlazione →): per , quindi (La soluzione del corso riporta , ottenuto arrotondando a .)
(3) Cambio di segnali
Con i due segnali hanno supporti disgiunti: e . Sono ortogonali, , a parità di energia . A parità di : migliorano, perché la distanza tra i punti cresce da a (i due punti sono a invece di ) con la stessa energia. Il prezzo è un periodo più lungo: s invece di s, cioè un bit-rate più basso ( kbit/s contro kbit/s). La scelta migliore a parità di energia sarebbe (antipodali).
Versione ripasso
Dati. su , su ; su , su ; s.
- , (si sovrappongono in ), .
- ; (energia ); su e su .
- : angolo , confine inclinato di () (Regioni di decisione - criteri MAP, ML e minima distanzaLe regioni di decisione $\mathcal R_1,\dots,\mathcal R_M$ sono una partizione dello spazio $\mathbb R^I$: se il vettore ricevuto cade in $\mathcal R_m$ si decide $\hat a_0=m$. La probabilità di decisione corretta è $P[C]=\sum_m\int_{\mathcal R_m}D(\boldsymbol\rho;m),d\boldsymbol\rho$ con $D=P_{a_0}(m),p_{\mathbf r|a_0}(\boldsymbol\rho|m)$, ed è massima assegnando ogni $\boldsymbol\rho$ al $m$ che massimizza $D$: criterio MAP. Con simboli equiprobabili è il ML; con in più rumore AWGN diventa la minima distanza (MD), $\hat a_0=\arg\min_m\lVert\boldsymbol\rho-\mathbf s_m\rVert$, con confini che sono gli assi dei segmenti tra i punti. Con probabilità diverse i confini si spostano verso i punti meno probabili.Regioni di decisione - criteri MAP, ML e minima distanza →).
- Alternativa: , : , confine sull'asse .
(3) : supporti disgiunti, , : . Migliorano, ma s (bit-rate più basso).
Errori tipici
- Usare : le forme d'onda durano .
- Scrivere anche con : serve il fattore .
- Pensare che il miglioramento sia gratuito: il periodo di simbolo cresce.