Testo (scheda di esercizi n. 4, modulazione digitale, esercizio 1). Si considerino i segnali s 1 ( t ) s_1(t) s 1 ( t ) e s 2 ( t ) s_2(t) s 2 ( t ) della figura, usati da un modulatore binario: s 1 ( t ) = E s / T s_1(t)=\sqrt{E_s/T} s 1 ( t ) = E s / T per 0 < t < T 0<t<T 0 < t < T e s 2 ( t ) = 2 E s / T s_2(t)=\sqrt{2E_s/T} s 2 ( t ) = 2 E s / T per 0 < t < T 2 0<t<\frac T2 0 < t < 2 T (zero altrove). Dopo avere verificato che entrambi hanno energia E s E_s E s , trovare una base ortonormale (per esempio con il procedimento di Gram-Schmidt a partire da s 1 ( t ) s_1(t) s 1 ( t ) ), cioè span { s 1 , s 2 } = span { φ j } \operatorname{span}\{s_1,s_2\}=\operatorname{span}\{\varphi_j\} span { s 1 , s 2 } = span { φ j } con ∥ φ j ∥ = 1 \lVert\varphi_j\rVert=1 ∥ φ j ∥ = 1 . Qual è la dimensione dello spazio generato? Scrivere il coefficiente di correlazione ρ = ∫ 0 T s 1 ( t ) s 2 ∗ ( t ) d t E s \rho=\frac{\int_0^Ts_1(t)s_2^*(t)\,dt}{E_s} ρ = E s ∫ 0 T s 1 ( t ) s 2 ∗ ( t ) d t . Infine scrivere i segnali s 1 s_1 s 1 e s 2 s_2 s 2 nella base trovata.
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 → .
Grafico interattivo: I due segnali con T = 1 e E_s = 1: s₁ = 1 per 0 < t < 1; s₂ = √2 ≈ 1,414 per 0 < t < 0,5. Hanno la stessa energia ma forma diversa
1. Energie
E 1 = ∫ 0 T E s T d t = E s , E 2 = ∫ 0 T / 2 2 E s T d t = 2 E s T ⋅ T 2 = E s . E_1=\int_0^T\frac{E_s}T\,dt=E_s,\qquad E_2=\int_0^{T/2}\frac{2E_s}T\,dt=\frac{2E_s}T\cdot\frac T2=E_s . E 1 = ∫ 0 T T E s d t = E s , E 2 = ∫ 0 T /2 T 2 E s d t = T 2 E s ⋅ 2 T = E s .
Entrambe valgono E s E_s E s come richiesto.
2. Gram-Schmidt
Prima funzione di base. φ 1 = s 1 E 1 = 1 T \varphi_1=\frac{s_1}{\sqrt{E_1}}=\frac1{\sqrt T} φ 1 = E 1 s 1 = T 1 per 0 < t < T 0<t<T 0 < t < T (norma: 1 T ⋅ T = 1 \frac1T\cdot T=1 T 1 ⋅ T = 1 ).
Proiezione di s 2 s_2 s 2 su φ 1 \varphi_1 φ 1 .
c = ⟨ s 2 , φ 1 ⟩ = ∫ 0 T / 2 2 E s T ⋅ 1 T d t = 2 E s T 1 T T 2 = 2 E s 2 = E s 2 . c=\langle s_2,\varphi_1\rangle=\int_0^{T/2}\sqrt{\frac{2E_s}T}\cdot\frac1{\sqrt T}\,dt=\sqrt{\frac{2E_s}T}\,\frac1{\sqrt T}\,\frac T2=\frac{\sqrt{2E_s}}2=\sqrt{\frac{E_s}2}. c = ⟨ s 2 , φ 1 ⟩ = ∫ 0 T /2 T 2 E s ⋅ T 1 d t = T 2 E s T 1 2 T = 2 2 E s = 2 E s .
Parte ortogonale. Poiché c ≠ E 2 c\ne\sqrt{E_2} c = E 2 , s 2 s_2 s 2 non è proporzionale a s 1 s_1 s 1 e serve una seconda funzione di base. L'energia della parte ortogonale è E 2 − c 2 = E s − E s 2 = E s 2 E_2-c^2=E_s-\frac{E_s}2=\frac{E_s}2 E 2 − c 2 = E s − 2 E s = 2 E s , e la funzione è
φ ~ 2 = s 2 − c φ 1 = { 2 E s T − E s 2 1 T = E s T ( 2 − 1 2 ) = E s 2 T 0 < t < T 2 − E s 2 1 T = − E s 2 T T 2 < t < T \tilde\varphi_2=s_2-c\,\varphi_1=\begin{cases}\sqrt{\frac{2E_s}T}-\sqrt{\frac{E_s}2}\frac1{\sqrt T}=\sqrt{\frac{E_s}T}\left(\sqrt2-\frac1{\sqrt2}\right)=\sqrt{\frac{E_s}{2T}}&0<t<\frac T2\\[4pt]-\sqrt{\frac{E_s}2}\frac1{\sqrt T}=-\sqrt{\frac{E_s}{2T}}&\frac T2<t<T\end{cases} φ ~ 2 = s 2 − c φ 1 = ⎩ ⎨ ⎧ T 2 E s − 2 E s T 1 = T E s ( 2 − 2 1 ) = 2 T E s − 2 E s T 1 = − 2 T E s 0 < t < 2 T 2 T < t < T
Normalizzando con E s / 2 \sqrt{E_s/2} E s /2 :
φ 2 ( t ) = φ ~ 2 E s / 2 = { 1 T 0 < t < T 2 − 1 T T 2 < t < T \varphi_2(t)=\frac{\tilde\varphi_2}{\sqrt{E_s/2}}=\begin{cases}\frac1{\sqrt T}&0<t<\frac T2\\-\frac1{\sqrt T}&\frac T2<t<T\end{cases} φ 2 ( t ) = E s /2 φ ~ 2 = { T 1 − T 1 0 < t < 2 T 2 T < t < T
(un'onda quadra: norma 1 T ⋅ T = 1 \frac1T\cdot T=1 T 1 ⋅ T = 1 , ortogonale a φ 1 \varphi_1 φ 1 perché ha area nulla). Il segno di φ 2 \varphi_2 φ 2 è arbitrario.
Dimensione dello spazio: I = 2 I=2 I = 2 (due segnali linearmente indipendenti).
3. Correlazione e vettori
Il prodotto scalare è ⟨ s 1 , s 2 ⟩ = ∫ 0 T / 2 E s T 2 E s T d t = 2 E s T ⋅ T 2 = E s 2 \langle s_1,s_2\rangle=\int_0^{T/2}\sqrt{\frac{E_s}T}\sqrt{\frac{2E_s}T}\,dt=\frac{\sqrt2E_s}T\cdot\frac T2=\frac{E_s}{\sqrt2} ⟨ s 1 , s 2 ⟩ = ∫ 0 T /2 T E s T 2 E s d t = T 2 E s ⋅ 2 T = 2 E s , quindi
ρ = ⟨ s 1 , s 2 ⟩ E s = 1 2 = 0 , 707 ( θ = 4 5 ∘ , ρ = cos θ ) . \rho=\frac{\langle s_1,s_2\rangle}{E_s}=\frac1{\sqrt2}=0{,}707\qquad(\theta=45^\circ,\ \rho=\cos\theta). ρ = E s ⟨ s 1 , s 2 ⟩ = 2 1 = 0 , 707 ( θ = 4 5 ∘ , ρ = cos θ ) .
I vettori nella base { φ 1 , φ 2 } \{\varphi_1,\varphi_2\} { φ 1 , φ 2 } sono
s 1 = ( E s , 0 ) , s 2 = ( c , E 2 − c 2 ) = ( E s 2 , E s 2 ) = E s ( cos 4 5 ∘ , sin 4 5 ∘ ) . \mathbf s_1=\left(\sqrt{E_s},\ 0\right),\qquad\mathbf s_2=\left(c,\ \sqrt{E_2-c^2}\right)=\left(\sqrt{\frac{E_s}2},\ \sqrt{\frac{E_s}2}\right)=\sqrt{E_s}\,\left(\cos45^\circ,\sin45^\circ\right). s 1 = ( E s , 0 ) , s 2 = ( c , E 2 − c 2 ) = ( 2 E s , 2 E s ) = E s ( cos 4 5 ∘ , sin 4 5 ∘ ) .
La distanza è d 12 = 2 E s ( 1 − ρ ) = E s 2 − 2 = 0 , 765 E s d_{12}=\sqrt{2E_s(1-\rho)}=\sqrt{E_s}\sqrt{2-\sqrt2}=0{,}765\sqrt{E_s} d 12 = 2 E s ( 1 − ρ ) = E s 2 − 2 = 0 , 765 E s (si può verificare: ∥ s 1 − s 2 ∥ 2 = ( E s − E s / 2 ) 2 + E s 2 = E s ( 1 − 2 + 1 2 + 1 2 ) = E s ( 2 − 2 ) \lVert\mathbf s_1-\mathbf s_2\rVert^2=\left(\sqrt{E_s}-\sqrt{E_s/2}\right)^2+\frac{E_s}2=E_s(1-\sqrt2+\frac12+\frac12)=E_s(2-\sqrt2) ∥ s 1 − s 2 ∥ 2 = ( E s − E s /2 ) 2 + 2 E s = E s ( 1 − 2 + 2 1 + 2 1 ) = E s ( 2 − 2 ) ).
Grafico interattivo: Costellazione dell'esercizio in unità √E_s: s₁ = (1; 0), s₂ = (0,707; 0,707) a un angolo di 45° (ρ = cos 45° = 0,707); la distanza tra i punti è d₁₂ = 0,765·√E_s. Con rumore AWGN la probabilità d'errore è Q(√(E_s(1 − ρ)/N₀)) = Q(0,541·√(E_s/N₀))
Osservazione
Con questi segnali e rumore AWGN, la probabilità d'errore è P [ E ] = Q ( E s ( 1 − ρ ) N 0 ) = Q ( 0 , 293 E s N 0 ) P[E]=Q\left(\sqrt{\frac{E_s(1-\rho)}{N_0}}\right)=Q\left(\sqrt{0{,}293\frac{E_s}{N_0}}\right) P [ E ] = Q ( N 0 E s ( 1 − ρ ) ) = Q ( 0 , 293 N 0 E s ) (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 → ): peggiore di 10 log 10 2 1 − ρ = 10 log 10 6 , 83 = 8 , 3 10\log_{10}\frac{2}{1-\rho}=10\log_{10}6{,}83=8{,}3 10 log 10 1 − ρ 2 = 10 log 10 6 , 83 = 8 , 3 dB rispetto all'antipodale e di 10 log 10 1 1 − ρ = 5 , 3 10\log_{10}\frac1{1-\rho}=5{,}3 10 log 10 1 − ρ 1 = 5 , 3 dB rispetto all'ortogonale (ρ = 0 \rho=0 ρ = 0 ), a parità di E s E_s E s .
Errori comuni
Normalizzare con T \sqrt T T per la seconda funzione: la parte ortogonale ha energia E s 2 \frac{E_s}2 2 E s e si normalizza con E s / 2 \sqrt{E_s/2} E s /2 .
Dimenticare di sottrarre la proiezione prima di normalizzare (s 2 s_2 s 2 non è ortogonale a φ 1 \varphi_1 φ 1 : ρ ≠ 0 \rho\ne0 ρ = 0 ).
Dire che la dimensione è 1 1 1 perché i segnali sono entrambi rettangoli: hanno durate diverse, quindi sono indipendenti.
Versione ripasso
Energie. E 1 = E 2 = E s E_1=E_2=E_s E 1 = E 2 = E s (il secondo ha ampiezza 2 E s / T \sqrt{2E_s/T} 2 E s / T su metà periodo).
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 → )
φ 1 = 1 T \varphi_1=\frac1{\sqrt T} φ 1 = T 1 su [ 0 , T ] [0,T] [ 0 , T ] .
Proiezione c = ⟨ s 2 , φ 1 ⟩ = E s 2 c=\langle s_2,\varphi_1\rangle=\sqrt{\frac{E_s}2} c = ⟨ s 2 , φ 1 ⟩ = 2 E s ; resto di energia E s − E s 2 = E s 2 E_s-\frac{E_s}2=\frac{E_s}2 E s − 2 E s = 2 E s .
φ 2 = + 1 T \varphi_2=+\frac1{\sqrt T} φ 2 = + T 1 su [ 0 , T 2 ] [0,\frac T2] [ 0 , 2 T ] , − 1 T -\frac1{\sqrt T} − T 1 su [ T 2 , T ] [\frac T2,T] [ 2 T , T ] . Dimensione I = 2 I=2 I = 2 .
Correlazione. ⟨ s 1 , s 2 ⟩ = E s 2 \langle s_1,s_2\rangle=\frac{E_s}{\sqrt2} ⟨ s 1 , s 2 ⟩ = 2 E s , quindi ρ = 1 2 = 0 , 707 \rho=\frac1{\sqrt2}=0{,}707 ρ = 2 1 = 0 , 707 (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 → ).
Vettori. s 1 = ( E s , 0 ) \mathbf s_1=(\sqrt{E_s},0) s 1 = ( E s , 0 ) , s 2 = ( E s 2 , E s 2 ) \mathbf s_2=\left(\sqrt{\frac{E_s}2},\sqrt{\frac{E_s}2}\right) s 2 = ( 2 E s , 2 E s ) , distanza d 12 = E s ( 2 − 2 ) = 0 , 765 E s d_{12}=\sqrt{E_s(2-\sqrt2)}=0{,}765\sqrt{E_s} d 12 = E s ( 2 − 2 ) = 0 , 765 E s .
Errori tipici
Normalizzare la parte ortogonale con T \sqrt T T invece che con E s / 2 \sqrt{E_s/2} E s /2 .
Dimenticare di sottrarre la proiezione prima di normalizzare.
Concludere che la dimensione è 1 1 1 perché i segnali sono entrambi rettangolari.
Errore P [ E ] = Q ( E s ( 1 − ρ ) / N 0 ) P[E]=Q\left(\sqrt{E_s(1-\rho)/N_0}\right) P [ E ] = Q ( E s ( 1 − ρ ) / N 0 ) : 8 , 3 8{,}3 8 , 3 dB sotto l'antipodale e 5 , 3 5{,}3 5 , 3 dB sotto l'ortogonale.
Verifica della distanza: ∥ s 1 − s 2 ∥ 2 = E s ( 2 − 2 ) \lVert\mathbf s_1-\mathbf s_2\rVert^2=E_s(2-\sqrt2) ∥ s 1 − s 2 ∥ 2 = E s ( 2 − 2 ) .
Il segno di φ 2 \varphi_2 φ 2 è arbitrario: cambia solo la rappresentazione, non la distanza.