Corso di Fondamenti di Telecomunicazioni 7 – INFLUENZA DEI DISTURBI SULLE PRESTAZIONI DEI SISTEMI DI COMUNICAZIONE Prof. Mario Barbera [parte 3] 1 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Sistemi di trasmissione binario Cercheremo una procedura generale per il calcolo della probabilità che un simbolo di informazione a valle del decisore sia errato: BER 2 (Bit Error Rate) 1 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Segnale in uscita al ricevitore Indichiamo con T l’intervallo necessario per la trasmissione di un simbolo Il segnale trasmesso sull’intervallo di segnalazione (0,T) è allora: s (t ) 0 < t ≤ T s (t ) = 1 s 2 (t ) 0 < t ≤ T per il simbolo binario 1 per il simbolo binario 0 cioè s1(t) ed s2(t) sono le forme d’onda utilizzate per trasmettere rispettivamente il bit 1 e 0. Il segnale all’ingresso del ricevitore (comprensivo di rumore), sarà: r (t ) 0 < t ≤ T r0 (t ) = 01 r02 (t ) 0 < t ≤ T se è stato trasmesso il simbolo 1 se è stato trasmesso il simbolo 0 3 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Segnale in uscita al ricevitore Il segnale r0(t) viene campionato ad un opportuno istante di campionamento t0 all’interno dell’intervallo (0,T), cioè 0 < t0 ≤ T. Per cui: r (t ) 0 < t ≤ T r0 (t 0 ) = 01 0 r02 (t 0 ) 0 < t ≤ T se è stato trasmesso il simbolo 1 se è stato trasmesso il simbolo 0 Visto che il segnale ricevuto è disturbato da un processo di rumore aleatorio, r0(t0) sarà una variabile aleatoria continua. Per semplificare la notazione, d’ora in poi la indicheremo con: r r0 = r0 (t 0 ) = 01 r02 se è stato trasmesso il simbolo 1 se è stato trasmesso il simbolo 0 4 2 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Statistiche del rumore Per il calcolo della BER abbiamo bisogno di conoscere la statistica delle variabili aleatorie r01 ed r02. In particolare siamo interessati alle seguenti densità di probabilità: f (r0 | s1 trasmesso) f (r0 | s 2 trasmesso) Ci serve quando r0=r02 Ci serve quando r0=r01 Dipendono da: • caratteristiche del disturbo introdotto nel canale • filtri utilizzati • rivelatore utilizzato • tipo di segnale binario trasmesso Verranno determinate di volta in volta 5 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Espressione generale della BER Supponiamo che, in assenza di rumore, si abbia r0>VT per il simbolo trasmesso 1 e r0<VT per il simbolo trasmesso 0. (VT = Tensione di soglia del decisore). Si ha errore quando avendo trasmesso il simbolo 1, si ha r0<VT. La probabilità di questo evento è: VT P(errore | s1 trasmesso) = ∫ f (r | s )dr −∞ 0 1 0 Oppure si ha errore quando avendo trasmesso il simbolo 0, si ha r0>VT. La probabilità di questo evento è: P (errore | s 2 trasmesso) = +∞ ∫ f (r | s )dr 0 2 0 VT 6 3 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Espressione generale della BER Dal teorema delle probabilità totali abbiamo quindi: BER = P (errore | s1 trasmesso) P ( s1 trasmesso) + P (errore | s 2 trasmesso) P ( s 2 trasmesso) Ovvero: VT ∫ ∫ +∞ BER = P ( s1 trasmesso) f (r0 | s1 )dr0 + P ( s 2 trasmesso) f (r0 | s 2 )dr0 −∞ VT Molto spesso si pone: P ( s1 trasmesso) = P ( s 2 trasmesso) = 1 2 7 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER nel caso di rumore gaussiano Supponiamo che: • Il rumore introdotto dal canale sia un processo stazionario gaussiano in senso lato a media nulla • Il ricevitore, ad eccezione del dispositivo di decisione, sia lineare Il rumore in uscita al sistema lineare è anch’esso gaussiano a media nulla. r0 = s0 + n0 dove r0 = r0 (t 0 ); s0 = s0 (t 0 ); n0 = n0 (t 0 ) s s0 = 01 s02 se è stato trasmesso il simbolo 1 se è stato trasmesso il simbolo 0 dove s01 ed s02 sono costanti note ogni qualvolta, per un dato ricevitore, sono fissate le forme d’onda d’ingresso s1(t) ed s2(t). 8 4 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER nel caso di rumore gaussiano Se n0 è una variabile aleatoria gausiana a media nulla, il campione r0 sarà anch’esso gaussiano con valo medio s01 oppure s02, a seconda che venga trasmesso il bit 1 o il bit 0. Quindi: − 1 f (r0 | s1 ) = 2π σ 0 (r 0 −s01 )2 2σ 02 e 1 f (r0 | s 2 ) = 2π σ 0 − e (r 0 −s02 )2 2σ 02 2 2 dove σ 0 = n0 (t ) rappresenta la potenza media del campione di rumore all’uscita del ricevitore. Quindi, nel caso di bit equiprobabili si ottiene: VT ∫ ∫ +∞ Pe = BER = P ( s1 trasmesso) f (r0 | s1 )dr0 + P ( s 2 trasmesso) f (r0 | s 2 )dr0 = −∞ = 1 2 VT ∫ −∞ (r 0 −s01 )2 − 1 2π σ 0 2σ 02 e dr0 + 1 2 VT ∫ +∞ VT (r 0 −s02 )2 − 1 2π σ 0 2σ 02 e dr0 9 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER nel caso di rumore gaussiano Dopo un semplice cambio di variabili si ottiene: 1 Pe = 2 = 1 2 ∫ VT ∫ −∞ − 1 2π σ 0 +∞ 1 2π −(VT − s01 ) σ 0 (r 0 −s01 )2 2σ 02 e e − λ2 2 1 dr0 + 2 dλ + 1 2 ∫ ∫ +∞ VT +∞ (VT −s02 ) σ 0 − 1 2π σ 0 1 2π e e − λ2 2 (r 0 −s02 )2 2σ 02 dr0 = dλ Infine: Pe = dove: Q( x) = ∫ +∞ x 1 − VT + s01 1 VT − s02 + Q Q 2 σ 2 σ 0 0 1 2π e − x2 2 dx 10 5 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Posizione ottima della soglia in caso di rumore gaussiano La posizione ottima della soglia VT è quella che minimizza la BER. Imponiamo quindi che la derivata della BER rispetto a VT sia nulla: dPe 1 = dVT 2 1 e 2π σ 0 cioè: − (V − s )2 − T 01 2σ 02 1 − 2 (VT − s01 )2 2σ 02 e =e − 1 e 2π σ 0 (V −s )2 − T 02 2σ 02 =0 (VT −s02 )2 2σ 02 il che implica la condizione: (V T − s 01 ) = (VT − s 02 ) 2 2 Di conseguenza otteniamo la minima probabilità di errore scegliendo per la soglia del comparatore il valore VT = s01 + s02 2 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 11 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Probabilità di errore con rumore gaussiano e soglia ottima Sostituendo l’espressione della soglia ottima nella relazione per il calcolo della BER si trova: s −s Pe = Q 01 02 2σ 0 = Q (s 2 − s02 ) 4σ 02 01 Osservazione: Per massimizzare la BER occorre massimizzare l’argomento della funzione Q. Obiettivo: Trovare quel particolare filtro di ricezione che massimizzi il rapporto [s (t 0 ) − s02 (t 0 )] 2 01 σ 02 Soluzione: FILTRO ADATTATO = [s (t 0 )] 2 d σ 02 12 6 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Filtro adattato Consideriamo il sistema: r(t) = s(t) + n(t) FILTRO ADATTATO H(f) h(t) r0(t) = s0(t) + n0(t) • Supponiamo di conoscere la forma d’onda del segnale s(t), e che esso sia un segnale a durata limitata. • Supponiamo inoltre di conoscere la densità spettrale di potenza Pn(f) del rumore additivo (stazionario). 2 • Ci proponiamo di trovare h(t) in modo tale che il rapporto S = s0 (t ) N out n02 (t ) risulti massimo in corrispondenza di un certo istante di campionamento t0. OSSERVAZIONE IMPORTANTE: Il filtro adattato non conserva la forma d’onda del segnale in ingresso. La sua funzione è quella di distorcere il segnale d’ingresso e il rumore in modo che all’istante di campionamento t0, il livello del segnale utile sia il più elevato possibile rispetto al valore efficace del rumore. 13 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Filtro adattato: TEOREMA Il filtro adattato ha risposta in frequenza H( f ) = K S * ( f ) − j 2π t e Pn ( f ) 0 dove S(f) è la trasformata di Fourier del segnale d’ingresso avente durata pari a T secondi, Pn(f) è la densità spettrale di potenza del rumore in ingresso, t0 è l’istante di campionamento in corrispondenza del quale valutiamo il rapporto (S/N) in uscita e K è una costante arbitraria diversa da zero. 14 7 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Filtro adattato: Dimostrazione Il segnale in uscita dal filtro all’istante t0 è: s0 (t 0 ) = +∞ ∫ H ( f ) S ( f )e jωt0 df −∞ Mentre la potenza di rumore in uscita vale: n02 (t 0 ) = +∞ ∫ H( f ) −∞ 2 Pn ( f )df Da cui: +∞ ∫ H ( f )S ( f )e df ∫ H ( f ) P ( f )df s (t ) S = 2 0 = n0 (t 0 ) N out 2 0 jωt0 −∞ +∞ 2 n −∞ 15 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Filtro adattato: Dimostrazione Ricordando la diseguaglianza di Schwarz: ∫ 2 +∞ A( f ) B( f )df −∞ ≤ +∞ +∞ ∫ A( f ) df ∫ B( f ) 2 −∞ 2 df −∞ E ponendo: B( f ) = A( f ) = H ( f ) Pn ( f ) S ( f )e jωt 0 Pn ( f ) Si ottiene: +∞ S = N out +∞ +∞ ∫ H ( f )S ( f )e df ≤ ∫ H ( f ) P ( f )df ∫ S ( f ) P ( f ) df ∫ H ( f ) P ( f )df ∫ H ( f ) P ( f )df −∞ +∞ −∞ jωt0 2 n −∞ +∞ 2 n −∞ S ≤ N out ∫ +∞ −∞ S( f ) −∞ 2 n 2 n 2 Pn ( f ) df 16 8 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Filtro adattato: Dimostrazione S ≤ N out ∫ +∞ −∞ S( f ) 2 Pn ( f ) df Il massimo del rapporto (S/N) si ottiene quando vale il segno di uguaglianza, che, secondo Schwarz, si ottiene quando A(f) = KB*(f), ovvero quando: H ( f ) Pn ( f ) = KS * ( f )e − jωt 0 Pn ( f ) ossia: H( f ) = KS * ( f )e − jωt0 Pn ( f ) che corrisponde alla tesi. 17 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Filtro adattato in caso di rumore bianco Se supponiamo che il rumore in ingresso sia rumore bianco con densità spettrale di potenza costante e pari a N0/2, l’espressione della funzione di trasferimento del filtro adattato diventa: H( f ) = 2K * S ( f )e − jωt0 N0 Calcolando la risposta all’impulso si trova: h (t ) = F −1 +∞ {H ( f )} = 2 K ∫ S N0 * −∞ ( f )e − jωt0 e jωt df = * 2 K +∞ 2K * S ( f )e j 2πf (t0 −t ) df = s 0 (t 0 − t ) N 0 −∞ N0 ∫ Se il segnale s(t) è reale: h(t ) = 2K s(t 0 − t ) N0 Quindi nel caso di rumore bianco, la risposta impulsiva del filtro adattato è semplicemente il segnale (noto) d’ingresso, ruotato intorno 18 all’asse delle ordinate e traslato di t0. 9 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Rapporto (S/N) in uscita dal filtro adattato in caso di rumore bianco Calcolando il rapporto (S/N) in uscita dal filtro adattato otteniamo: S = N out ∫ +∞ −∞ S( f ) 2 N0 2 df = 2 N0 +∞ ∫ s (t )dt −∞ 2 0 Teorema di Parseval Quindi: Energia del segnale 2Es S = N N0 out Quindi il rapporto (S/N) in uscita dal filtro adattato dipende dall’energia del segnale e dal livello della densità spettrale di potenza del rumore, ma non dalla particolare forma d’onda impiegata. Ovviamente è possibile innalzare il livello dell’energia del segnale per migliorare il rapporto (S/N)out incrementandone l’ampiezza, la durata, o entrambi questi parametri. 19 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER nel caso di rumore bianco e impiego del filtro adattato Il nostro obiettivo era quello di cercare quel particolare filtro di ricezione che massimizzasse il rapporto [s (t 0 ) − s02 (t 0 )] 2 01 = [s (t 0 )] 2 d σ 02 σ 02 Adesso sappiamo che questo può essere ottenuto con un filtro adattato al segnale differenza sd(t) = s01(t) - s02(t), ossia con un filtro la cui risposta all’impulso è: h(t ) = C [s1 (t 0 − t ) − s 2 (t 0 − t )] con C = 2K N0 Dai risultati sul filtro adattato, sappiamo che in questo caso: [s (t 0 )] 2 d σ 2 0 = 2Ed N0 con Ed = ∫ [s (t ) − s (t )] dt T 2 1 2 0 E d Quindi, in questo caso, la BER vale: Pe = Q 2N 0 20 10 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Prestazioni dei sistemi binari in banda base: segnalazione unipolare Le due forme d’onda in banda base corrispondenti rispettivamente ai simboli binari 1 e 0 sono: s1 (t ) = + A 0<t ≤T (simbolo binario 1) s 2 (t ) = 0 0<t ≤T (simbolo binario 0) Consideriamo due casi: • impiego di un filtro passa-basso • impiego di un filtro adattato 21 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER per segnalazione unipolare con filtro passa-basso La banda B del filtro va scelta • abbastanza larga in modo tale che il segnale utile unipolare non venga apprezzabilmente distorto; ad esempio B > 2/T • abbastanza stretta in modo che allo stesso tempo la componente di rumore abbia potenza ridotta Sotto queste ipotesi si può supporre che: s 2 (t 0 ) ≈ 0 s1 (t 0 ) ≈ A σ 02 = N0 (2 B ) = N 0 B 2 Quindi il valore della soglia ottima è: VT = Mentre la BER vale: Pe = Q (s s 01 + s02 A = 2 2 2 − s02 ) A2 = Q 2 4N0 B 4σ 0 01 22 11 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER per segnalazione unipolare con filtro adattato Scegliendo come istante di campionamento t0 = T; ed essendo l’energia del segnale differenza Ed = A2T, si trova: Ed Pe = Q 2N0 2 = Q A T 2N0 = Q Eb N0 dove Eb rappresenta l’energia media per bit. Si dimostra facilmente che in questo caso il filtro adattato è un integratore, per cui la soglia ottima vale: VT = 1 T AT Adt + 0 = 2 0 2 ∫ 23 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Prestazioni dei sistemi binari in banda base: segnalazione polare Le due forme d’onda in banda base corrispondenti rispettivamente ai simboli binari 1 e 0 sono: s1 (t ) = + A 0<t ≤T (simbolo binario 1) s 2 (t ) = − A 0<t ≤T (simbolo binario 0) In questo caso si trova facilmente che: • nel caso si utilizzi un un filtro passa-basso Pe = Q (s 2 A2 − s02 ) = Q N0B 4σ 02 01 VT = s 01 + s 02 =0 2 • nel caso si utilizzi un filtro adattato Ed Pe = Q 2N 0 2 = Q 2 A T N0 = Q 2 E b N 0 VT = s01 + s 02 =0 2 A parità di BER il sistema con segnalazione polare ha prestazioni migliori rispetto al 24 sistema unipolare in quanto richiede un rapporto Eb/N0 di 3 dB inferiore 12 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Prestazioni dei sistemi binari in banda base: segnalazione bipolare Le due forme d’onda in banda base corrispondenti rispettivamente ai simboli binari 1 e 0 sono: s1 (t ) = ± A 0<t ≤T (simbolo binario 1) s 2 (t ) = 0 0<t ≤T (simbolo binario 0) In questo caso si trova che: • nel caso si utilizzi un un filtro passa-basso 3 A2 Pe = Q 2 4 N 0 B 2 soglie A VT = ± 2 • nel caso si utilizzi un filtro adattato Pe = 3 Eb Q 2 N 0 VT = ± A 2 La BER di una segnalazione bipolare è pari a 3/2 quella relativa ad una segnalazione 25 unipolare Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER in sistemi con modulazione OOK: demodulazione coerente Le due forme d’onda in banda base corrispondenti rispettivamente ai simboli binari 1 e 0 sono: s1 (t ) = A cos(ω c t + θ c ) 0<t ≤T (simbolo binario 1) s 2 (t ) = 0 0<t ≤T (simbolo binario 0) In questo caso si trova che: • nel caso si utilizzi un un filtro passa-basso A2 Pe = Q 8N 0 B VT = A 2 • nel caso si utilizzi un filtro adattato Eb Pe = Q N0 T ∫ VT = A cos 2 (ω c t + θ c )dt 0 La BER del ricevitore per segnali OOK è esattamente la stessa di quella che si ha con 26 segnalazione unipolare in banda base 13 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER in sistemi con modulazione OOK: demodulazione ad inviluppo Si trova: Pe = 1 A Q 2 2σ A2 1 − 8σ + e 2 2 VT = A 2 2 Con σ = N 0 B p e Bp = Banda del filtro in ingresso al ricevitore La BER del ricevitore con demodulazione ad inviluppo per segnali OOK ha prestazioni inferiori rispetto a quello con demodulazione coerente 27 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER in sistemi con modulazione BPSK: demodulazione coerente Le due forme d’onda in banda base corrispondenti rispettivamente ai simboli binari 1 e 0 sono: s1 (t ) = A cos(ω c t + θ c ) 0<t ≤T (simbolo binario 1) s 2 (t ) = − A cos(ω c t + θ c ) 0<t ≤T (simbolo binario 0) In questo caso si trova che: • nel caso si utilizzi un un filtro passa-basso A2 Pe = Q 2N0 B VT = 0 • nel caso si utilizzi un filtro adattato E Pe = Q 2 b N 0 VT = 0 Le prestazioni della modulazione BPSK sono le stesse della segnalazione polare in banda 28 base e sono superiori di 3 dB rispetto a quelle fornite dal sistema OOK. 14 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER in sistemi con modulazione FSK: demodulazione coerente Le due forme d’onda in banda base corrispondenti rispettivamente ai simboli binari 1 e 0 sono: s1 (t ) = A cos(ω1t + θ c ) 0<t ≤T (simbolo binario 1) s 2 (t ) = A cos(ω 2 t + θ c ) 0<t ≤T (simbolo binario 0) In questo caso si trova che: • nel caso si utilizzi un un filtro passa-basso A2 Pe = Q 4N0 B VT = 0 • nel caso si utilizzi un filtro adattato Eb Pe = Q N0 VT = 0 Le prestazioni della modulazione FSK sono le stesse di quelle ottenute con la OOK e 29 inferiori di 3 dB rispetto a quelle fornite dal sistema BPSK. Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER in sistemi con modulazione FSK: demodulazione ad inviluppo 2 Si trova: Pe = 1 − 4Aσ e 2 2 VT = 0 2 Con σ = N 0 B p e Bp = Banda del filtro in ingresso al ricevitore Si può vedere ce il ricevitore FSK non coerente richiede un rapporto Eb/N0 superiore a quello necessario al coerente di meno di 1 dB quando la Pe è dell’ordine di 10-4 o meno. Visto che il ricevitore non coerente è molto più semplice del coerente, in quanto non richiede il recupero della fase della portante, la maggior parte dei ricevitori FSK utilizza in pratica la rivelazione non coerente. 30 15 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] Confronto della BER in diversi schemi di segnalazione digitale 31 Fondamenti di TLC - Prof. M. Barbera 7 – Influenza dei disturbi sui sistemi di comunicazione [parte 3] BER per modulazioni multilivello Per sistemi MPSK: E π Pe ≤ Q 2 b (log 2 M )sin 2 N0 M Per sistemi QAM: E Pe ≤ 4Q 2 b N0 η M ηM M - 4 dB 16 QAM - 6 dB 32 QAM - 8.5 dB 64 QAM - 10.2 dB 128 QAM - 13.3 dB 256 QAM 32 16