Esercizio - segnali binari a gradini, Gram-Schmidt da s1 - s2 e ricevitore a un solo correlatore (esercizi del corso, cap. 3, es. 25)
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Testo (esercizi del corso di Fondamenti di Telecomunicazioni, Ing. Informatica UniPD, cap. 3, es. 25). Un sistema di trasmissione binario, a simboli equiprobabili, usa le forme d'onda in figura, di uguale energia Vs, con s, su canale AWGN:
- per , per , nullo altrove;
- per , per , nullo altrove.
- Determinare e, con il metodo di Gram-Schmidt partendo da , una base ortonormale e la relativa costellazione.
- Con i risultati del punto 1, rappresentare lo schema a blocchi del ricevitore ottimo specificandone le regioni di decisione.
- Disegnare un'implementazione del ricevitore ottimo che richieda il solo correlatore , specificandone la regola di decisione.
- Per quale varianza del rumore si ottiene una probabilità d'errore di ?
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 →, Ricevitore ottimo - banco di correlatori e filtri adattatiIl ricevitore ottimo calcola le coordinate $r_i[k]=\int r(t),\phi_i(t-kT),dt$ con un banco di $I$ correlatori (moltiplicatore, integratore sul simbolo, campionatore) e le passa a un blocco di decisione MAP, ML o MD. Ogni correlatore è equivalente a un filtro adattato con risposta impulsiva $\phi_i(t_0-t)$, causale se $t_0$ è la fine del supporto, campionato in $t_0+kT$. Alternativa senza base: $M$ filtri adattati ai segnali $s_m(T-t)$ e decisione $\arg\max_m\left[\langle r,s_m\rangle-\frac{E_m}2\right]$ (MD), che conviene se $M=I$. Per $M=2$ basta un solo ramo, lungo $s_1-s_2$, con una soglia.Ricevitore ottimo - banco di correlatori e filtri adattati →, 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 →, 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 →.
Grafico interattivo: I due segnali del testo con T = 1 e ampiezze in unità di A: s₁ vale 1 fino a 0,4, poi 1/2 fino a 0,6; s₂ vale 1/2 tra 0,4 e 0,6, poi 1 fino a 1
(1) Ampiezza, correlazione e base
Energia in funzione di . , e : uguali. Con Vs e s,
Correlazione. I due segnali si sovrappongono solo in dove entrambi valgono : , quindi .
Gram-Schmidt partendo da . La differenza vale in , nella zona centrale, in ; la sua energia è (conferma con : ). Allora (ampiezza : numericamente). Si proietta su : e (con il segno negativo, perché vale dove è negativa). Il resto vale su tutto : è la semisomma (per questo si può anche scrivere ). La sua energia è e La coordinata di su è V. Le due coordinate corrispondono alle formule generali per segnali di uguale energia: Con e : , . Controlli: ✓; le due funzioni sono ortogonali (verificato anche numericamente con gli integrali). I due punti sono simmetrici rispetto all'asse e a distanza V.
Grafico interattivo: Costellazione in unità 10⁻⁴ V·√s: s₁ = (6,67; 7,45) e s₂ = (−6,67; 7,45) sono simmetrici rispetto all'asse φ₂; il confine di decisione è proprio l'asse φ₂ (x = 0)
(2) Ricevitore ottimo e regioni
Simboli equiprobabili, AWGN: minima distanza. Il confine è l'asse del segmento, cioè la retta (il segmento è orizzontale e simmetrico): Lo schema ha rami (correlatori o filtri adattati a e , campionati in ) seguiti dal blocco decisionale con queste regioni (Ricevitore ottimo - banco di correlatori e filtri adattatiIl ricevitore ottimo calcola le coordinate $r_i[k]=\int r(t),\phi_i(t-kT),dt$ con un banco di $I$ correlatori (moltiplicatore, integratore sul simbolo, campionatore) e le passa a un blocco di decisione MAP, ML o MD. Ogni correlatore è equivalente a un filtro adattato con risposta impulsiva $\phi_i(t_0-t)$, causale se $t_0$ è la fine del supporto, campionato in $t_0+kT$. Alternativa senza base: $M$ filtri adattati ai segnali $s_m(T-t)$ e decisione $\arg\max_m\left[\langle r,s_m\rangle-\frac{E_m}2\right]$ (MD), che conviene se $M=I$. Per $M=2$ basta un solo ramo, lungo $s_1-s_2$, con una soglia.Ricevitore ottimo - banco di correlatori e filtri adattati →).
(3) Un solo correlatore
La regione dipende solo da : la coordinata non entra nella decisione (i due punti hanno la stessa ). Basta quindi il ramo di : correlatore , oppure filtro adattato campionato in , e la regola È l'implementazione a ramo unico delle modulazioni binarie, con soglia nel punto medio .
(4) Varianza del rumore per
Per la modulazione binaria , con . per , quindi (cioè V/Hz). La soluzione del corso riporta lo stesso valore, .
Versione ripasso
Dati. su , su ; su , su ; Vs, s.
- V. , .
- nei tre tratti, energia : su e .
- ; resto su tutto , quindi .
- , , ; .
- MD: , . La coordinata è uguale per i due punti e non serve (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 →).
- Un solo ramo: correlatore (o filtro campionato in ), .
Errori tipici
- Cercare senza controllare il resto : qui è una costante, è un rect.
- Usare tutti e due i rami: la regione non dipende da .
- Dimenticare che è negativo.