Esercizio - quaternaria ortogonale e biortogonale, probabilità di bit
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Testo (appunti di esercitazione di Bressanone, modulazioni M-arie). Per una modulazione quaternaria (M=4, parole di bit 00,01,10,11) con rumore AWGN e simboli equiprobabili si vuole la probabilità d'errore sul bit in funzione di N0Es nei due casi: (a) modulazione ortogonale a 4 segnali; (b) modulazione biortogonale a 4 segnali (due segnali ortogonali e i loro opposti). Calcolare poi i valori per N0Es=8 dB.
Per la modulazione ortogonale M-aria djk=dmin=2Es per ogni coppia, e con 2σIdmin=N0Es (indichiamo Q0=Q(N0Es)) si ha, per M=4 (M−1=3 vicini a dmin),
P[E]≃3Q0.
I tre errori 1→2, 1→3, 1→4 sono equiprobabili (stessa distanza dal punto trasmesso): ognuno ha probabilità 3P[E]. Non tutti gli errori di simbolo cambiano lo stesso numero di bit. Con le parole 1=00, 2=01, 3=10, 4=11, dal simbolo 1:
errore
1→2
1→3
1→4
parola ricevuta
01
10
11
bit sbagliati
1
1
2
(per qualunque altro simbolo di partenza la statistica è la stessa: due errori su un solo bit e uno su due.) Il numero medio di bit sbagliati dato un errore di simbolo è
32⋅1+31⋅2=34bit su 2,
quindi una frazione 24/3=32 dei bit. Perciò
Pbit=P[E]⋅log2M#medio di bit sbagliati=32P[E]=32⋅3Q0=2Q(N0Es).
(Coerente con la regola generale P[E]Pbit=2(M−1)M=32 per M=4.)
(b) Biortogonale
I quattro segnali sono ±s1,±s2 con s1⊥s2. Ogni simbolo ha due vicini a dmin=2Es (i segnali ortogonali) e un opposto a 2Es; il limite P[E]≤(M−2)Q0+Q(N02Es) dà, trascurando il termine dell'opposto,
P[E]≃2Q0.
Qui la mappa conta e conviene una mappa di Gray ciclica: s1=00, s2=01, −s1=11, −s2=10 (vicini a distanza di Hamming 1, opposti a distanza 2 — i simboli più lontani hanno la parola più diversa, "scelta furba"). Gli errori verso i due vicini ortogonali, i più probabili, cambiano un solo bit:
Pbit=log2MP[E]=2P[E]=Q(N0Es).
(Se si tiene anche l'errore verso l'opposto, che cambia due bit, si ottiene un valore compreso fra 2Q0 e Q0; sopra N0Es di pochi dB il contributo è irrilevante.)
Valori numerici per N0Es=8 dB
N0Es=100,8=6,31, 6,31=2,51 e Q0=Q(2,51)=6,0⋅10−3.
Usare Pbit=log2MP[E] per l'ortogonale: vale solo con una mappa di Gray in cui gli errori più probabili sono verso vicini unici; con tutti gli errori equiprobabili la frazione è 2(M−1)M (qui 32, non 21).
Non scegliere la mappa nel caso biortogonale: con una mappa sbagliata (opposti a distanza di Hamming 1 e un vicino a distanza 2) si perde il fattore 2.
b) Biortogonale{±s1,±s2}: P[E]≃2Q0. Con mappa di Gray ciclica 00,01,11,10, gli errori più probabili cambiano un solo bit: Pbit=2P[E]=Q(N0Es).