Esercizio - segnali esponenziali antipodali con simboli non equiprobabili, soglia MAP e probabilità d'errore (primo compitino del 21 novembre 2025, es. 193)
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Testo (primo compitino del 21 novembre 2025, corso di Fondamenti di Telecomunicazioni, Ing. Informatica UniPD). Si consideri la modulazione binaria con la seguente segnalazione al ricevitore: con periodo di simbolo ms. Il segnale viene ricevuto su canale AWGN con potenza del rumore .
- Calcolare l'energia dei segnali e disegnare la costellazione, specificando le coordinate dei punti. Dire se la modulazione è ortogonale, antipodale o nessuna delle due, giustificando la risposta.
- Assumendo che la probabilità di trasmettere il simbolo 1 sia volte la probabilità di trasmettere il simbolo 2, specificare il criterio di decisione ottimo da adottare al ricevitore, giustificando la risposta.
- Nelle ipotesi del punto precedente, trovare il confine delle regioni di decisione.
- Nelle ipotesi del punto 2, calcolare la probabilità di errore sul bit.
- Assumendo ora che i simboli vengano trasmessi con la stessa probabilità, trovare la potenza del rumore che porta la probabilità di errore a .
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 →, 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 →, 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) Energia, costellazione e tipo di modulazione
Il segnale è un esponenziale decrescente su (in unità di : , da a ), e ne è l'opposto.
Grafico interattivo: s₁(t) in unità di 1/√T, con T = 1: l'esponenziale e^{−t/T} decresce da 1 a 0,37 nell'intervallo di simbolo; s₂ è il suo opposto
Energia: (il segno non conta per ). Con un solo segnale indipendente () la base è unidimensionale: e le coordinate sono Tipo: i due segnali sono uno l'opposto dell'altro, , cioè : la modulazione è antipodale (non ortogonale, che richiederebbe ). La distanza è .
(2) Criterio di decisione ottimo
Dato che e non sono uguali (, quindi ), il criterio a minima distanza non è ottimo: serve il MAP (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 →). Le probabilità si ricavano da e :
(3) Confine delle regioni di decisione
Si decide il simbolo 1 se . Con il logaritmo (le costanti si semplificano): La differenza dei quadrati vale , dunque Il confine è spostato verso il punto meno probabile (): la regione del simbolo più probabile si allarga. (Formula generale in , con : è la stessa.)
Grafico interattivo: D(ρ; m) = p_m·densità: la curva del simbolo 1 (più probabile) è più alta; il confine MAP ρ* = −0,171 è dove le due curve si incontrano, spostato a sinistra rispetto al punto medio (0, minima distanza)
(4) Probabilità di errore sul bit
Per una modulazione binaria un errore di simbolo è un errore sul bit: . Con e soglia : Gli argomenti: e . Allora Un confronto: con la soglia a metà (, minima distanza) si avrebbe , quindi il MAP riduce l'errore di circa il (verificato con una simulazione di simboli: e ).
(5) Potenza del rumore per con simboli equiprobabili
Con simboli equiprobabili la soglia è in e (modulazione antipodale, ). Da si ha , quindi Il rumore deve quindi essere circa la metà (in potenza: da a ) rispetto al valore di partenza, per scendere da a .
Versione ripasso
Dati. su , , ms, (), .
- , .
- (una dimensione, ). : , antipodale.
(2) Criterio
- : MD non ottimo, serve il MAP. , .
- .
- ; : spostato verso il punto meno probabile.
- .
- Con soglia : .
Errori tipici
- Leggere " 0,9 volte" come : è .
- Spostare la soglia verso il simbolo più probabile.
- Usare nel confine al posto di (nella formula compare la varianza).
Teoria collegata
- Spazio dei segnali - base ortonormale, coordinate e Gram-Schmidt
- Regioni di decisione - criteri MAP, ML e minima distanza
- Probabilità d'errore delle modulazioni binarie - funzione Q e coefficiente di correlazione
- Variabili aleatorie continue - uniforme, gaussiana, esponenziale e funzione Q
- Demodulatore digitale - proiezione del rumore e teorema di irrilevanza