Esercizio 32capacità di canali gaussiano, binario simmetrico e a cancellazione (esercizio del corso)
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Testo (eserciziario di un corso UniPD equivalente, esercizio sulla capacità). Calcolare la capacità dei seguenti canali con ingresso e uscita , tempo di simbolo s, specificando la statistica di che raggiunge la capacità:
- , , con gaussiano a media nulla e varianza ;
- , , con gaussiano a media e varianza ;
- , con demodulazione a minima distanza, gaussiano a media nulla e varianza unitaria;
- , e .
Teoria usata: Capacità di canale - canale binario simmetrico, a cancellazione e AWGNLa capacità $C=\max_{p_x}I(x;y)$ è il massimo di informazione mutua tra ingresso e uscita del canale; per il teorema di Shannon si può comunicare con probabilità d'errore arbitrariamente piccola se e solo se il rate è minore di $C$. Per il canale binario simmetrico $C=1-H_2(p)$ bit per uso (ingresso uniforme), per il canale a cancellazione $C=1-\varepsilon$, per l'AWGN $C=\frac12\log_2(1+\text{SNR})$ per uso reale, cioè $C=B\log_2(1+\text{SNR})$ bit/s su una banda $B$. Il limite $R_b<C$ dà il minimo $\frac{E_b}{N_0}\ge\frac{2^\nu-1}\nu$ ($-1{,}59$ dB per $\nu\to0$).Capacità di canale - canale binario simmetrico, a cancellazione e AWGN →, Informazione ed entropiaL'informazione di un evento di probabilità $p$ è $\log_2\frac1p$ bit; l'entropia $H(x)=\sum p\log_2\frac1p$ è l'informazione media e misura l'incertezza della sorgente: $0\le H\le\log_2M$, con il massimo quando i simboli sono equiprobabili. Per più simboli: $H(x,y)\le H(x)+H(y)$ (uguaglianza se indipendenti), $H(x|y)=H(x,y)-H(y)$. Per una sorgente con $F_s$ simboli al secondo il rate di informazione è $F_sH_s$, il rate nominale $F_s\log_2M$ e l'efficienza $\eta=\frac{H_s}{\log_2M}$.Informazione ed entropia →, Variabili aleatorie e vettori aleatori per le comunicazioniUna variabile aleatoria è descritta da una PMD (discreta) o da una PDF (continua) e dalla funzione di ripartizione; per la gaussiana $P[x>a]=Q\left(\frac{a-m}{\sigma}\right)$ con la funzione coda $Q$. Media $m_x$, varianza $\sigma_x^2$ e potenza statistica $M_x=\sigma_x^2+m_x^2$. Per un vettore aleatorio contano l'indipendenza, le probabilità condizionate (totali e di Bayes) e la correlazione; combinazioni lineari di gaussiane sono gaussiane, e gaussiane scorrelate sono indipendenti.Variabili aleatorie e vettori aleatori per le comunicazioni →.
(1) Canale AWGN
È un canale additivo gaussiano con guadagno : la potenza del segnale utile all'uscita è e quella del rumore , quindi . La capacità si raggiunge con ingresso gaussiano a media nulla e varianza (imposta dal vincolo di potenza): (Il fattore perché è reale: un uso del canale ogni secondi, bit per uso.)
(2) AWGN con rumore a media non nulla
Il rumore ha media : con . La costante è nota e si sottrae all'uscita senza perdere informazione, quindi l'informazione mutua non cambia: stesso ingresso (gaussiano, media nulla, varianza ) e
(3) Ingresso binario con demodulatore a soglia: canale binario simmetrico
Il demodulatore a minima distanza decide con : i due punti sono , la soglia è in , il rumore ha . La probabilità di errore sul bit è Il canale con ingresso e uscita binari e probabilità di errore (simmetrica per i due ingressi) è un canale binario simmetrico, con capacità bit per uso, raggiunta da ingresso uniforme ():
(4) Canale a cancellazione simmetrico
; l'uscita è con probabilità oppure ("cancellazione": il ricevitore vede che il simbolo è andato perso, non è un errore) con probabilità . È un canale a cancellazione binario simmetrico con raggiunta da ingresso uniforme ().
Riepilogo
| Canale | Ingresso ottimo | [bit/s] |
|---|---|---|
| 1 AWGN, | gaussiano | |
| 2 AWGN, rumore con media | gaussiano | |
| 3 BSC, | uniforme | |
| 4 cancellazione, | uniforme |
Il canale 3 ha lo stesso rumore del canale 2 (, guadagno ), ma con ingresso binario e decisione a soglia non può superare bit per uso, cioè bit/s: bit/s sono quasi il massimo del canale binario, mentre il gaussiano del canale 2 arriva a bit/s perché ogni uso porta più di un bit.
Grafico interattivo: Capacità C = (1/T)·½·log₂(1 + 9/σ²) in bit/s del canale AWGN con guadagno 3, M_x = 1 e T = 0,2 s, in funzione della varianza σ² del rumore: 4,25 bit/s per σ² = 4 (canale 1) e 8,30 per σ² = 1 (canale 2); con ingresso binario e decisione a soglia (canale 3, σ² = 1) il massimo è 1/T = 5 bit/s e si ottiene 4,93
(Verificato con Python: , , , , , .)
Errori comuni
- Dimenticare il fattore nella capacità reale (ottenendo bit/s invece di ).
- Calcolare l'SNR con il guadagno non al quadrato ( invece di ).
- Pensare che la media del rumore ridotta cambi la capacità: una costante nota si sottrae.
- Confondere cancellazione ed errore: il canale a cancellazione ha , un BSC con ha .
Versione ripasso
Testo. Capacità con s per quattro canali: con e gaussiano a media nulla e varianza ; stesso canale con a media e varianza ; con demodulazione a minima distanza e ; con cancellazione . Per ciascuno si indica la statistica di che raggiunge la capacità.
- . Ingresso gaussiano .
- bit/s. Il fattore viene dal fatto che è reale.
(2) AWGN con media del rumore
- La media è nota: si sottrae all'uscita senza perdere informazione. Stesso ingresso gaussiano.
- bit/s.
(3) Ingresso binario con soglia: BSC
- Con e punti , la soglia è in : .
- Canale binario simmetrico (Informazione ed entropiaL'informazione di un evento di probabilità $p$ è $\log_2\frac1p$ bit; l'entropia $H(x)=\sum p\log_2\frac1p$ è l'informazione media e misura l'incertezza della sorgente: $0\le H\le\log_2M$, con il massimo quando i simboli sono equiprobabili. Per più simboli: $H(x,y)\le H(x)+H(y)$ (uguaglianza se indipendenti), $H(x|y)=H(x,y)-H(y)$. Per una sorgente con $F_s$ simboli al secondo il rate di informazione è $F_sH_s$, il rate nominale $F_s\log_2M$ e l'efficienza $\eta=\frac{H_s}{\log_2M}$.Informazione ed entropia →): , con bit. Si raggiunge con ingresso uniforme.
- bit/s.
(4) Canale a cancellazione
- Uscita con probabilità , oppure (cancellazione) con .
- bit/s, con ingresso uniforme.
Riepilogo
- Canale 1: bit/s con ingresso . Canale 2: bit/s con stesso ingresso. Canale 3: bit/s con ingresso uniforme. Canale 4: bit/s con ingresso uniforme.
Errori tipici
- Dimenticare il nella capacità reale.
- Usare il guadagno invece di nell'SNR.
- Pensare che una media costante nota cambi la capacità.
- Confondere cancellazione e BSC: un BSC con ha , non .