Читайте также: |
|
4.2.3. Частотная манипуляция
Общее аналитическое выражение для частотно-манипулированного сигнала (frequency shift keying — FSK) имеет следующий вид:
(4.8)
Здесь частота со,- может принимать М дискретных значений, а фаза ф является произвольной константой. Схематическое изображение FSK-модулированного сигнала дано на рис. 4.5, б, где можно наблюдать типичное изменение частоты (тона) в моменты переходов между символами. Такое поведение характерно только для частного случая FSK, называемого частотной манипуляцией без разрыва фазы (continuous-phase FSK — CPFSK); она описана в разделе 9.8. В общем случае многочастотной манипуляции (multiple frequency shift keying — MFSK) переход к другому тону может быть довольно резким, поскольку непрерывность фазы здесь не обязательна. В приведенном примере М = 3, что соответствует такому же числу типов сигналов (троичной передаче); отметим, что значение М = 3 было выбрано исключительно для демонстрации на рисунке взаимно перпендикулярных осей. На практике М обычно является ненулевой степенью двойки (2, 4, 8, 16,...), что довольно сложно изобразить графически. Множество сигналов описывается в декартовой системе координат, где каждая координатная ось представляет синусоиду определенной частоты. Как говорилось ранее, множества сигналов, которые описываются подобными взаимно перпендикулярными векторами, называются ортогональными. Не все схемы FSK относятся к ортогональным. Чтобы множество сигналов было ортогональным, оно должно удовлетворять критерию, выраженному в формуле (3.69). Этот критерий навязывает определенные условия на взаимное размещение тонов множе
ства. Расстояние по частоте между тонами, необходимое для удовлетворения требования ортогональности, рассмотрено в разделе 4.5.4.
4.2.4. Амплитудная манипуляция
Амплитудно-манипулированный сигнал (amplitude shift keying — ASK), изображенный на рис. 4.5, в, описывается выражением
Sj(t) = у—cos(°W + Ф) 0<t<T (4.9)
i = 1,
где амплитудный член может принимать М дискретных значений, а фазо
вый член ф — это произвольная константа. На рис. 4.5, в М выбрано равным 2, что соответствует двум типам сигналов. Изображенный на рисунке ASK-модулированный сигнал может соответствовать радиопередаче с использованием двух сигналов, амплитуды которых равны 0 и >/2Е/Т. В векторном представлении использованы те же фазово-амплитудные полярные координаты, что и в примере для модуляции PSK. Правда, в данном случае мы видим один вектор, соответствующий максимальной амплитуде с точкой в начале координат, и второй, соответствующий нулевой амплитуде. Передача сигналов в двухуровневой модуляции ASK — это одна из первых форм цифровой модуляции, изобретенных для беспроводной телеграфии. В настоящее время простая схема ASK в системах цифровой связи уже не используется, поэтому в данной книге мы не будем рассматривать ее подробно.
4.2.5. Амплитудно-фазовая манипуляция
Амплитудно-фазовая манипуляция (amplitude phase keying — АРК) — это комбинация схем ASK и PSK. АРК-модулированный сигнал изображен на рис. 4.5, г и выражается как
s/(0 = ^^p^-cos(co0f+ ф,(г)) 0<t<T (4-10)
i = I....... М
с индексированием амплитудного и фазового членов. На рис. 4.5, г можно видеть характерные одновременные (в моменты перехода между символами) изменения фазы и амплитуды АРК-модулированного сигнала. В приведенном примере М=8, что соответствует 8 сигналам (восьмеричной передаче). Возможный набор из восьми векторов сигналов изображен на графике в координатах “фаза-амплитуда”. Четыре показанных вектора имеют одну амплитуду, еще четыре — другую. Векторы ориентированы так, что угол между двумя ближайшими векторами составляет 45°. Если в двухмерном пространстве сигналов между М сигналами набора угол прямой, схема называется квадратурной амплитудной модуляцией (quadrature amplitude modulation — QAM); примеры QAM рассмотрены в главе 9.
Векторные представления модуляций, изображенные на рис. 4.5 (за исключением случая FSK), изображены графиками, полярные координаты которых представляют амплитуду и фазу сигнала. Схема FSK подразумевает ортогональную передачу (см. раздел 4.5.4) и описывается в декартовой системе координат, где каждая ось представляет тон частоты (cos ay), совокупность которых формирует Л/-значный набор ортогональных тонов.
4.2.6. Амплитуда сигнала -
Амплитуды сигналов, представленные в формулах (4.7)—(4.10), имеют одинаковый вид ^2EIT для всех форматов модуляции. Выведем это. Сигнал описывается формулой
s(t) = A cos cor, (4.11)
где А — максимальная амплитуда сигнала. Поскольку максимальное значение в -J2 раза больше его среднеквадратического (root-mean-square — rms) значения, можем записать следующее:
s(t) = V2 Arms cos cor =
= V2Ar2ms cos ™ •
Предполагается, что сигнал выражен через колебания тока или напряжения, так что
представляет среднюю мощность Р (нормированную на 1 Ом). Значит, можем записать следующее:
s(t) = у[2Р cos ш. (4.12)
Заменяя Р (единицы измерения — ватг) на Е (джоули)/Г (секунды), получаем следующее:
(4.13)
Итак, амплитуду сигнала можно записать либо в общем виде, как в формуле (4.11), либо через ^2EIT, как в формуле (4.13). Поскольку ключевой параметр при определении вероятности ошибки в процессе детектирования — это энергия принятого сигнала, зачастую удобнее использовать запись в форме (4.13), так как в этом случае вероятность ошибки РЕ можно получить сразу как функцию энергии сигнала.
4.3. Детектирование сигнала в гауссовом шуме
Полосовая модель процесса детектирования, рассмотренная в данной главе, практически идентична низкочастотной модели, представленной в главе 3. Дело в том, что принятый полосовой сигнал вначале преобразовывается в низкочастотный, после чего наступает этап финального детектирования. Для линейных систем математика процесса детектирования не зависит от смещения частоты. Фактически теорему эквивалентности можно определить следующим образом: выполнение полосовой линейной обработки сигнала с последующим переносом частоты сигнала (превращением полосового сигнала в низкочастотный) дает те же результаты, что и перенос частоты сигнала с последующей низкочастотной линейной обработкой сигнала. Термин “перенос частоты сигнала” (heterodyning) обозначает преобразование частоты или процесс смешивания, вызывающий смещение спектра сигнала. Как следствие теоремы эквивалентности, любая линейная модель обработки сигналов может использоваться для низкочастотных сигналов (что предпочтительнее с точки зрения простоты) с теми же результатами, что и для полосовых сигналов. Это означает, что производительность большинства цифровых систем связи часто можно описать и проанализировать, считая канал передачи низкочастотным.
Гпявя 4 Полосовая Monvflflunn и neMOnvflnunfl
4.3.1. Области решений
Предположим, что двухмерное пространство сигналов, изображенное на рис. 4.6, — это геометрическое место точек, возмущенных шумом двоичных векторов- прототипов (s, + п) и (s2 + п). Вектор шума п — это случайный вектор с нулевым средним значением; следовательно, вектор принятого сигнала г — это случайный вектор со средним значением s, или s2. Задачей детектора после получения г является принятие решения, какой из сигналов (s, или s2) действительно передан. Этот метод является обычным для решения, имеющего минимальную вероятность ошибки Рв, хотя возможны и другие стратегии принятия решения [2]. Для случая М = 2 с равновероятными сигналами s, и s2 и при шуме AWGN (additive' white Gaussian noise — аддитивный белый гауссов шум) использование при принятии решения критерия минимума ошибки равносильно такому выбору класса сигнала, чтобы расстояние, d(r, s,) = ||г — s,|| было минимальным, где ||х|| — норма или абсолютная величина вектора х. Последнее правило часто формулируется в терминах областей решений. Обратимся к рис. 4.6 и рассмотрим формирование областей решений. Итак, вначале необходимо соединить концы векторов-прототипов s, и s2. Затем через середину полученного отрезка проводится плоскость, перпендикулярная к нему. Отметим, что если амплитуды сигналов s, и s2 равны, эта плоскость проходит через начало координат и является биссектрисой угла, образованного векторами- прототипами. Эта биссекторная плоскость, изображенная на рис. 4.6 для случая М = 2, является геометрическим местом точек, равноудаленных от векторов s, и s2; следовательно, она является границей между областью решений 1 и областью решений 2. Правило принятия решения, используемое детектором, формулируется в терминах областей решений следующим образом: если сигнал расположен в области
1 — отнести принятый сигнал к s,; если в области 2 — выбрать сигнал s2. Если угол 0 (рис. 4.6) равен 180°, набор сигналов S! и s2 описывает модуляцию BPSK. Впрочем, для иллюстрации идеи области решений вообще угол 0 на рисунке был заведомо выбран меньшим 180°.
Рис. 4.6. Двухмерное пространство сигналов с равными по модулю произвольными векторами S| и s2 |
4.3.2. Корреляционный приемник
В разделе 3.2 было рассмотрено детектирование низкочастотных двоичных сигна лов в гауссовом шуме. Поскольку при детектировании полосовых сигналов используются те же понятия, в данном разделе мы просто обобщим ключевые результаты. Основное внимание будет уделено реализации согласованного фильтра, известного как коррелятор. Помимо двоичного детектирования будет рассмотрен более общий случай Л/-арного детектирования. Предполагается, что сигнал искажается только вследствие шума AWGN. Принятый сигнал будем описывать как сумму переданного сигнала и случайного шума:
r(t) — s,(t) + n(t) 0<t<T
i=l,...,М.
При наличии подобного принятого сигнала процесс детектирования, как показано на рис. 3.1, включает два основных этапа. На первом этапе принятый сигнал r(t) усекается до одной случайной переменной z(T) или до набора случайных переменных z,(T) (/ = 1,..., М), формируемых на выходе демодулятора и устройства дискретизации в момент времени t = T, где Т — длительность символа. На втором этапе на основе сравнения z(T) с порогом или на основе выбора максимума z,(T) принимается решение относительно значения символа. Вообще, этап 1 можно рассматривать как преобразование сигнала в точку в пространстве решений. Эту точку, представляющую собой важнейшую контрольную точку в приемнике, можно назвать додетекторной (predetection point). Когда мы говорим о мощности принятого сигнала, мощности принятых шумов или отношении E/JN0, все эти величины всегда рассматриваются относительно додетекторной точки. Иногда такие параметры определяются относительно выхода принимающей антенны. Отметим, что хотя мощности сигнала и шума в разных точках системы имеют различные значения, параметр SNR можно смоделировать так, чтобы он был одинаковым в различных опорных точках (см. раздел 5.5.5). Обратите внимание, что отношение энергии бита к N0 определено там, где еще не существует бита. Биты появятся только после завершения процесса детектирования. Пожалуй, параметр EJN0 лучше было бы назвать энергией эффективного бита на N0. Этап 2 можно рассматривать как определение того, в какой области решений расположена данная точка. Для оптимизации детектора (в смысле минимизации вероятности ошибки) необходимо оптимизировать преобразование сигнала в случайную переменную с использованием согласованных фильтров или корреляторов на этапе 1 и оптимизировать критерий принятия решения на этапе 2.
В разделах 3.2.2 и 3.2.3 показывалось, что согласованный фильтр обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на выходе фильтра в момент t-T. Как одна из реализаций согласованного фильтра описывался коррелятор. Теперь мы можем определить корреляционный приемник, состоящий, как показано на рис. 4.7, а, из М корреляторов, выполняющих преобразование принятого сигнала r(t) в последовательность М чисел или выходов коррелятора, z,(T) (/ = 1,..., М). Каждый выход коррелятора описывается следующим интегралом произведения или корреляцией с принятым сигналом:
т о |
Опорные сигналы а) |
Опорные сигналы б) Рис. 4.7. Корреляционный приемник: а) корреляционный приемник с опорными сигналами {s,(0}; б) корреляционный приемник с опорными сигналами {%(/)} |
Глагол “коррелировать” означает “совпадать”, “согласовываться”. Корреляторы пытаются найти соответствие принятого сигнала r(t) с каждым возможным сигналом- прототипом s,(t), известным приемнику априори. Разумное правило принятия решения звучит так: выбирать сигнал s,(t), лучше всего согласующийся (или имеющий наибольшую корреляцию) с r(t). Другими словами, правило принятия решения выглядит следующим образом:
выбрать сигнал индекс которого
соответствует максимальной z,(7). 16)
Следуя формуле (3.10), любой набор сигналов {j,{f)} 0 = 1, •••, М) можно выразить через определенный набор базисных функций {у/О} (/=!»•••> W)> гДе N<M. Таким образом, группу из М корреляторов, изображенную на рис. 4.7, а, можно заменить группой из N корреляторов, показанной на рис. 4.7, б, где в качестве опорных сигналов используется набор базисных функций (у//)}. Для принятия решения с помощью указанных корреляторов необходима логическая схема выбора сигнала sfj). Выбор производится на основе определения наилучшего согласования коэффициентов фигурирующих в формуле (3.10), с набором выходов {z/7)}. Если набор сигналов-прототипов формирует ортогональное
207
множество, реализация приемника, показанная на рис. 4.7, а, идентична реализации, показанной на рис. 4.7, б (могут отличаться масштабом). Если же {s,(t)} не является ортогональным множеством, приемник (рис. 4.7, б), использующий N корреляторов с опорными сигналами {у,<г)} вместо М, представляет более рентабельную реализацию. В разделе 4.4.3 мы рассмотрим применение подобного устройства для детектирования MPSK- модулированного сигнала (multiple phase shift keying — многофазная манипуляция).
В случае двоичного детектирования корреляционный приемник, как показано на рис. 4.8, а, можно построить как согласованный фильтр или интегратор произведений с опорным сигналом, равным разности двоичных сигналов-прототипов s,(r) - s2(t). Выход коррелятора z(T) используется непосредственно в процессе принятия решения.
z(T)=a,{T) + n0[T) | & z(T)Z у H2 | ||
* | J 0 |
Схема принятия решений |
■т |
а) |
Опорные сигналы s,(t) б) Рис. 4.8. Двоичный корреляционный приемник: а) использование одного коррелятора; б) применение двух корреляторов |
При двоичном детектировании корреляционный приемник можно изобразить как два согласованных фильтра или интегратора произведений, один из которых согласовывается с *,(/), а второй — с s2(t) (рис. 4.8, б). На этапе принятия решения теперь может использоваться правило, приведенное в формуле (4.16), или же из выхода одного коррелятора можно вычесть выход другого и на этапе принятия решения использовать разность
z(T) = Zi(T) - z2(T), (4.17)
как показано на рис. 4.8, б. Здесь z(T), называемое тестовой статистикой, подается в схему принятия решения, как и в случае только одного коррелятора. В отсутствие шума на выходе мы получаем z(T) = а,(Т), где а,(Т) — сигнальный компонент. Входной шум п(Т) при этом является случайным гауссовым процессом. Поскольку коррелятор — это линейное устройство, выходной шум также является случайным гауссовым процессом [2]. Таким образом, можно записать выражение с выхода коррелятора в момент взятия выборки t - Т:
z(T) = а,(Т) + п0(Т) /=1,2,
Г* по do А Плплглвоа njtnnwnai i ма ■ л покп п\/nai iua
где п0(Т) — компонент шума. Для сокращения записи мы иногда будем выражать z(t) как а, + по. Компонент шума п0 — это гауссова случайная переменная с нулевым средним; следовательно, z(T) — это гауссова случайная переменная со средним а, или а2, в зависимости от того, была передана двоичная единица или двоичный нуль.
4.3.2.1. Порог двоичного решения
На рис. 4.9 для случайной переменной z(T) показаны две плотности условных вероятностей — p(z|si) и p(z\s2) — со средними значениями а, и а2. Эти функции, именуемые правдоподобием j, и правдоподобием s2, были представлены в разделе 3.1.2. Приведем их повторно:
(4.18,а)
и
(4.18,6)
Здесь о02 — дисперсия шума. На рис. 4.9 правая функция правдоподебия р(ф|) иллюстрирует вероятностное распределение сигналов на выходе детектора z(T) при переданном сигнале st. Подобным образом левая функция правдоподобия p(z\s2) демонстрирует вероятнбстное распределение сигналов на выходе детектора z(T) при переданном сигнале s2. Абсцисса z(T) представляет полный диапазон возможных значений выборок на выходе корреляционного приемника, показанного на рис. 4.8.
%
Линия решений
Область 2 |
Область 1 |
Правдоподобие S2 p(zls2) |
Правдоподобие Si |
PUUi) |
г(Л |
Рис. 4.9. Плотности условных вероятностей р(&\) и /ЧФг) |
При рассмотрении задачи оптимизации порога двоичного решения относительно принадлежности принятого сигнала к одной из двух областей, в разделе 3.2.1 было показано, что критерий минимума ошибки для равновероятных двоичных сигналов, искаженных гауссовым шумом, можно сформулировать следующим образом:
(4.19)
4.3 Л^трк’тмпппяиме» гмгиапа о га\/г*г'г\1эг\*л шч/дло
Здесь а.\ — сигнальный компонент z(T) при передаче si(f), а аг— сигаальный компонент z(T) при передаче s2(t). Порог у0, равный (а, + аг)12, — это оптимальный порог для минимизации вероятности принятия неверного решения при равновероятных сигналах и симметричных функциях правдоподобия. Правило принятия решения, приведенное в формуле (4.19), указывает, что гипотеза Я, (решение, что переданный сигнал — это s,(t)) выбирается при z(T) > Уо, а гипотеза Н2 (решение, что переданный сигнал — это s\(t)) — при z(T) < уо- Если z(T) = уо, решение может быть любым. При равновероятных антиподных сигналах с равными энергиями, где si(f) = -s2(t) и а,=-й2, оптимальное правило принятия решения принимает следующий вид:
z(T) % Yo=0. Я,
или
|
| ||||
| |||||
4.4. Когерентное детектирование
4.4.1. Когерентное детектирование сигналов PSK
На рис. 4.7 показан детектор, который может использоваться для когерентного детектирования любого цифрового сигнала. Подобный корреляционный детектор часто называется детектором, работающим по критерию максимального правдоподобия (maximum likelihood detector). Рассмотрим следующую бинарную модуляцию PSK (BPSK). Пусть
(4.21,а)
(4.21,6)
и
n(t) — случайный белый гауссов процесс с нулевым средним.
Здесь фазовый член ф — произвольная константа, которую мы для удобства положим равной нулю. Параметр Е — это энергия сигнала, приходящаяся на символ, а Т — длительность символа. Для данного антиподного случая требуется одна базисная функция. Используя формулы (3.10) и (3.11) и предполагая пространство ортонормированным (т.е. Kj = 1), базисную функцию \|/,(г) можно выразить следующим образом:
для 0 < t < Т. |
(4.22)
Г“nnnn Л Плплплплп илпкппиип tit поилпипаима
Следовательно, переданный сигнал s,(t) можно выразить через функцию у,(г) и коэффициенты
| |||
| |||
Предположим, что был передан сигнал.?,(/). Тогда математические ожидания на выходах интеграторов произведений, изображенных на рис/4.7, б, при опорном сигнале \j/i(f) имеют следующий вид:
(4.24,а)
(4.24,6)
и
Здесь Е[-} обозначает среднее по ансамблю, так называемое математическое ожидание (expected value). В уравнении (4.25) Е{и(/)} =0. На этапе принятия решения, путем определения местоположения переданного сигнала в сигнальном пространстве, необходимо определить значение данного сигнала. В приведенном примере, где в качестве
базисной функции была взята\)/1(г) = Л/2/7’ cosco0f, значения Е{г,(7)} равны ±т[Ё ■
Сигналы-прототипы {5,(0} аналогичны опорным сигналам {у7(г)), с точностью до нормирующего множителя. На этапе принятия решения выбирается сигнал с большим значением z,(T). Следовательно, в приведенном выше примере принятый сигнал определен как $,(/). Вероятность ошибки при подобном когерентном детектировании сигналов BPSK рассмотрена в разделе 4.7.1.
4.4.2. Цифровой согласованный фильтр
В разделе 3.2.2 рассматривалась основная особенность согласованного фильтра — то, что его импульсная характеристика представляет собой запаздывающую версию зеркального отображения (поворота относительно оси / = 0) входного сигнала. Таким образом, если сигнал равен s(t), его зеркальное отображение имеет вид а зеркальное отображение, запаздывающее на Т секунд, имеет вид s(T-t). Следовательно, импульсная характеристика Л(г), соответствующая сигналу s(t), будет равна следующему:
кг-f) 0<t<T h{t) = \
[ 0 для других t
На рис. 4.7 и 4.8 представлена основная функция коррелятора — интегрирование произведения принятого зашумленного сигнала с каждым опорным сигналом и определение наилучшего соответствия. Схемы, показанные на этих рисунках, подразумевают использование аналоговой аппаратуры (умножителей и интеграторов) и непрерывных сигналов. На них не отражена возможность реализации коррелятора или согласованного фильтра с использованием цифровых технологий и дискретных сигналов. Пример подобной реализации приведен на рис. 4.10, где показан согласованный фильтр, использующий цифровую аппаратуру. Входной сигнал r(t) состоит из сигнала-прототипа s,(t) и шума n(t); ширина полосы сигнала W=U2T, где Т— длительность передачи символа. Таким образом, минимальная частота дискретизации по Найквисту равна /5= 2W = l/Т, а время взятия выборки (TJ должно быть не больше времени передачи символа. Другими словами, на символ должно приходиться не менее одной выборки. В реальных системах подобная дискретизация производится с частотой, в 4 или более раз превышающей минимальную частоту Найквиста. Платой за это является не увеличение полосы передачи, а увеличение быстродействия процессора. В моменты t = kTs выборки (как показано на рис. 4.10, а) сдвигаются в регистре, так что более ранние из них располагаются правее. При дискретизации (взятии выборки) полученного сигнала непрерывное время t заменяется дискретным kTs или просто к, что дает право использовать дискретную запись:
r(k) = s,(k) + п(к) /=1,2 к = 0, 1,....
Здесь индекс i определяет символ из М-арного набора (в нашем случае — двоичного), а к — дискретное время. На рис. 4.10 согласованный фильтр аппроксимируется регистром сдвига с весовыми коэффициентами с,(и), где п = 0,..., N- 1 — временной индекс весовых коэффициентов и разрядов регистра. В приведенном примере число разрядов регистра и количество выборок на символ равны 4. Итак, суммирование, показанное на рисунке, происходит в моменты времени от п = 0 до п = 3. Из расположения сумматора на схеме понятно, что решение относительно значения принятого сигнала принимается после заполнения регистра 4 выборками. Отметим, что для простоты в примере на рис. 4.10, б выборки s,(k) могут принимать только три значения (0, ±1). В реальных системах каждая выборка (и весовой коэффициент) — это 6-10 бит. Множеству весовых коэффициентов фильтра {с,(и)} соответствует импульсная характеристика фильтра; согласование весовых коэффициентов с выборками сигнала производится согласно дискретному варианту уравнения (4.26):
с,(п) = s,[(N- 1) - и] = *,(3 - п).
Использование дискретной формы интеграла свертки из уравнения (А.44,б) позволяет записать выражение с выхода коррелятора в момент времени, соответствующий к-й выборке:
к = 0,1,..., по модулю N.
Г ПОВО И Плпллппчп linnunnilliin IjI ПОИ/Л n\fflnl 1МП
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
|
Дата добавления: 2015-10-28; просмотров: 61 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Основы теории принятая статистических решений 1051 16 страница | | | Основы теории принятая статистических решений 1051 18 страница |