Esercizio - otto segnali sinusoidali, base ortonormale, distanza minima e bit rate
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Testo (scheda di esercizi n. 4, modulazione digitale, esercizio 4). Si considerino le seguenti forme d'onda, usate da una modulazione digitale ottonaria per trasmettere un flusso di bit equiprobabili e indipendenti: , , , , , , , , tutte limitate in durata a , con V, s, MHz e . a) Rappresentare i segnali in un'opportuna base ortonormale; b) calcolare la distanza minima e l'energia media trasmessa; c) trovare il bit-rate trasmesso implicato da questa modulazione.
Teoria usata: Spazio dei segnali e Gram-SchmidtNella modulazione digitale ogni simbolo di un alfabeto di $M$ elementi è associato a una forma d'onda $s_j(t)$ di energia finita, trasmessa in un tempo di simbolo $T$. Le forme d'onda sono elementi dello spazio $\mathcal L^2$ con prodotto scalare $\langle x,y\rangle=\int xy^,dt$ e energia $E_x=\lVert x\rVert^2$; con una base ortonormale ${\varphi_i}{i=1}^I$ ($I\le M$, trovata con Gram-Schmidt) ogni segnale è un punto $\mathbf s_j=[\langle s_j,\varphi_i\rangle]i$ e l'insieme dei punti è la costellazione. Il rumore bianco gaussiano ha componenti sulla base indipendenti $\mathcal N(0,\frac{N_0}2)$ (la parte fuori dallo spazio dei segnali è irrilevante), quindi il ricevuto è $\mathbf r=\mathbf s_j+\mathbf w$.Spazio dei segnali e Gram-Schmidt →, Probabilità d'errore e funzione QPer due segnali di energie $E_1,E_2$ con coefficiente di correlazione $\rho=\frac{\langle s_1,s_2\rangle}{\sqrt{E_1E_2}}$ la distanza è $d{12}=\sqrt{E_1+E_2-2\rho\sqrt{E_1E_2}}$ e, con rumore AWGN, simboli equiprobabili e criterio MD, $P[E]=Q\left(\frac{d{12}}{2\sigma_I}\right)=Q\left(\sqrt{\frac{E_s(1-\rho)}{N_0}}\right)$ con $\sigma_I^2=\frac{N_0}2$ e $Q$ la coda della gaussiana. Il caso antipodale ($\rho=-1$) dà $Q\left(\sqrt{\frac{2E_s}{N_0}}\right)$, l'ortogonale ($\rho=0$) $Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{N_0}}\right)$: 3 dB peggio. Con $M>2$ segnali si usano limiti: $\frac{N^}M Q\left(\frac{d_{min}}{2\sigma_I}\right)\le P[E]\le(M-1)Q\left(\frac{d_{min}}{2\sigma_I}\right)$ (union bound); la probabilità dipende solo da $\frac{E_s}{N_0}$, cioè dall'SNR.Probabilità d'errore e funzione Q →.
a) Base ortonormale
Ortogonalità tra le sinusoidi. Con (intero) e , tutti gli integrali su di una sinusoide a frequenza intera multipla di valgono esattamente , e anche basterebbe per l'approssimazione. Quindi , , e sono a due a due ortogonali (costante contro sinusoide: l'integrale di una sinusoide su un numero intero di periodi è ; seno contro coseno alla stessa frequenza: ; frequenze diverse: ).
I segnali sono combinazioni lineari di queste quattro funzioni (per esempio , , perché ), quindi la dimensione è e la base ortonormale, senza bisogno di Gram-Schmidt (Spazio dei segnali e Gram-SchmidtNella modulazione digitale ogni simbolo di un alfabeto di $M$ elementi è associato a una forma d'onda $s_j(t)$ di energia finita, trasmessa in un tempo di simbolo $T$. Le forme d'onda sono elementi dello spazio $\mathcal L^2$ con prodotto scalare $\langle x,y\rangle=\int xy^*,dt$ e energia $E_x=\lVert x\rVert^2$; con una base ortonormale ${\varphi_i}_{i=1}^I$ ($I\le M$, trovata con Gram-Schmidt) ogni segnale è un punto $\mathbf s_j=[\langle s_j,\varphi_i\rangle]_i$ e l'insieme dei punti è la costellazione. Il rumore bianco gaussiano ha componenti sulla base indipendenti $\mathcal N(0,\frac{N_0}2)$ (la parte fuori dallo spazio dei segnali è irrilevante), quindi il ricevuto è $\mathbf r=\mathbf s_j+\mathbf w$.Spazio dei segnali e Gram-Schmidt →), è (Normalizzazione: e .) Con V e V le coordinate sono:
| segnale | espressione | coordinate | valori numerici (V) | |
|---|---|---|---|---|
Le righe particolari: per , (coordinata su ) e (coordinata su ). Per si sviluppa il coseno della somma: , con coordinate e . (Tutte le coordinate sono state verificate con un'integrazione numerica.)
b) Distanza minima ed energia media
Distanza minima. Con dimensioni conviene cercare le coppie più vicine guardando le coordinate (in unità : , , , , , , , ). La coppia più vicina è : , cioè Le altre distanze sono più grandi: per esempio (segnali ortogonali tra loro con energia : ) e . Si conferma anche numericamente (matrice di tutte le distanze) che è il minimo, ottenuto solo per la coppia .
Energia media (simboli equiprobabili: ):
c) Bit-rate
Gli simboli sono equiprobabili e indipendenti, quindi ogni simbolo porta bit e dura s:
Osservazioni
- Per stimare la probabilità d'errore con questo non si può usare la union bound senza criterio: è un limite "troppo largo" perché solo la coppia è a distanza minima. Meglio con vicini medi a (due simboli su otto, e , ne hanno uno) (Probabilità d'errore e funzione QPer due segnali di energie $E_1,E_2$ con coefficiente di correlazione $\rho=\frac{\langle s_1,s_2\rangle}{\sqrt{E_1E_2}}$ la distanza è $d_{12}=\sqrt{E_1+E_2-2\rho\sqrt{E_1E_2}}$ e, con rumore AWGN, simboli equiprobabili e criterio MD, $P[E]=Q\left(\frac{d_{12}}{2\sigma_I}\right)=Q\left(\sqrt{\frac{E_s(1-\rho)}{N_0}}\right)$ con $\sigma_I^2=\frac{N_0}2$ e $Q$ la coda della gaussiana. Il caso antipodale ($\rho=-1$) dà $Q\left(\sqrt{\frac{2E_s}{N_0}}\right)$, l'ortogonale ($\rho=0$) $Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{N_0}}\right)$: 3 dB peggio. Con $M>2$ segnali si usano limiti: $\frac{N^*}M Q\left(\frac{d_{min}}{2\sigma_I}\right)\le P[E]\le(M-1)Q\left(\frac{d_{min}}{2\sigma_I}\right)$ (union bound); la probabilità dipende solo da $\frac{E_s}{N_0}$, cioè dall'SNR.Probabilità d'errore e funzione Q →).
- Non servono le frequenze esatte: basta che perché le sinusoidi siano ortogonali (con intero è esatto).
Errori comuni
- Dire che la dimensione è (una per segnale) o : i segnali sono combinazioni di sole quattro funzioni ortogonali.
- Dimenticare che si scrive con : contiene la componente alla frequenza .
- Prendere al posto di come coordinata di una sinusoide (la base ha il fattore ).
Versione ripasso
- Combinazioni: , , , ().
b) Distanza ed energia. , V.
c) Bit-rate. , bit per simbolo, s: .
Errori tipici
- Contare dimensioni invece di : i segnali sono combinazioni di quattro funzioni.
- Dimenticare che contiene la frequenza .
- Usare come coordinata di una sinusoide: il fattore è .
- Altre distanze: ; .
- Per la probabilità d'errore non usare la union bound: vicini medi a , quindi .
- Ortogonalità: con e interi, gli integrali su sono esattamente nulli.
- Coordinate di : , cioè .