Corso di Fondamenti di Telecomunicazioni Sistemi di trasmissione

Corso di Fondamenti di Telecomunicazioni
7 – INFLUENZA DEI DISTURBI SULLE
PRESTAZIONI DEI SISTEMI DI COMUNICAZIONE
Prof. Mario Barbera
[parte 3]
1
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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7
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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
−∞
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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

∫
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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