最大后验概率准则·
对于数字通信系统来说,可靠性的评价标准是 误码率,接收机要做的是以最小的错误概率猜出接收到的比特是 1 还是 0.
对于一个二进制传输系统来说,误码率定义为
Pe=P(S1)P(H2∣S1)+P(S2)P(H1∣S2)=P(S1)∫x∈R2f(x∣S1)dx+P(S2)∫x∈R1f(x∣S2)dx=P(S1)∫x∈R2f(x∣S1)dx+P[S2](1−∫x∈R2f(x∣S2)dx)(R1∪R2=R)=P(S2)+P(S1)∫x∈R2f(x∣S1)dx−P(S2)∫x∈R2f(x∣S2)dx=P(S2)+∫x∈R2[P(S1)f(x∣S1)−P(S2)f(x∣S2)]dx
其中 P(S1) 和 P(S2) 是发送集合元素的 先验概率,P(H2∣S1)=∫x∈R2f(x∣S1)dx 为发送 S1 时,接收信号条件概率密度函数在判决区域 R2 的积分,P(H1∣S2) 同理。
最后,在先验概率一定的情况下,要想使得误码率 Pe 最小,需要让 P(S1)f(x∣S1)−P(S2)f(x∣S2) 越小越好,最好是绝对值很大的负数,于是得到条件
P(S1)f(x∣S1)⟺P(S1∣x)≤P(S2)f(x∣S2)⟺f(x)P(S1)f(x∣S1)≤f(x)P(S2)f(x∣S2)≤P(S2∣x)
这种判定方法称为 最大后验概率准则 MAP.也就是说,最佳接受机可以等效于一个 AP计算器+比较器。
最佳接收机·
某数字通信系统如下:
- 发送端发射 M 元波形为 {s1(t),s2(t),⋯,sM(t)};
- 经过高斯白噪声信道(x(t) 双边功率谱密度为 2n0),得到接收信号位 r(t)=sm(t)+x(t)
现在要设计一个接收机结构,使得接收错误概率最小。执行如下操作,若
P(sn(t)∣r(t))≥P(sm(t)∣r(t))
判定接收到的符号为 sn(t).
下面使用“采样法”计算波形与波形的后验概率:
如图,经过一个通带增益为 1,通带为 ∣f∣≤2fs 的抗混叠滤波器,再经过采样以后,得到的波形变为离散序列 r[n]=r(t)∣t=nTs,每个时域采样点可以表示为 r[n]=s(nTs)+x(nTs)=s[n]+x[n].
其中,随机变量 x[n] 服从高斯分布,σ2=2Tsn0,且 {x[n]∣n=1,2,⋯,N} 相互独立
于是,随机变量 r[n] 的 N 维随机概率密度函数为
f(r∣sm)=(2πσ1)N⋅e−2σ2∑n=1N[r[n]−sm[n]]2
后验概率可以表示为
P(sm∣r)=f(r)f(r∣sm)P(sm)
要对 {P(sm∣r)∣n=1,2,⋅,M}(M 表示 M 元波形)进行 AP 比较,不妨忽略与 m 无关的项,于是后验概率的比较可以改为比较
f(r∣sm)P(sm)→ln[f(r∣sm)P(sm)]=lnf(r∣sm)+lnP(sm)=Nln2πσ1−2σ21n=1∑N[r[n]−sm[n]]2+lnP(sm)=Nln2πσ1−n0Tsn=1∑N[r[n]−sm[n]]2+lnP(sm)
去掉与 m 无关的项,得到
f(r∣sm)P(sm)f(r∣sm)P(sm)∝−n01n=1∑N[r[n]−sm[n]]2Ts+lnP(sm)(K→∞,Ts→0)∝−n01∫0T[r(t)−sm(t)]2dt+lnP(sm)∝∫0Tr(t)sm(t)dt−n0∫0Tsm2(t)dt+lnP(sm)
之前为了计算波形与波形的后验概率,用到了抗混叠滤波器,上式计算时将采样周期趋向于 0,也就是说不再需要抗混叠滤波器。
经过一番推导,收到接收信号 r(t) 后,对 m 个 P(sm∣r) 进行比较,等效于比较
∫0Tr(t)sm(t)dt−n0εm+lnP(sm),εm=∫0Tsm2(t)dt
据此构造出相关接收机结构为
- 各元素有相同能量 → 步骤 Ⅱ 可以省略;
- 各元素先验概率相等 → 步骤 Ⅲ 可以省略;
匹配滤波器·
最佳接收,目的是使错误概率达到最小,也就是误码率最小,而决定误码率的因素有信噪比(负相关)、码间串扰。匹配滤波器要实现 在抽样时刻,滤波器的输出信噪比最大。
常规的滤波器设计是采用 参数化设计,是一个不断优化参数的过程。而匹配滤波器是要 解出使信噪比最大的滤波器的方程。下面开始推导:
设时域确定性波形 s(t),(0≤t≤T),经过一个恶心的信道,噪声是一个双边功率谱密度为 2n0 的高斯白噪声,则信噪比可以定义为
SNR=E[xo2(t)]so2(t),
在 t0 时刻抽样,现在要导出输出信噪比最大的 h(t)。其中输出波形 so(t) 在 t0 时刻为
so(t0)=2π1∫−∞+∞S(Ω)H(Ω)ejωt0dΩ
噪声波形的功率 E[xo2(t)] 为
E[xo2(t)]=σ2=2π1∫−∞+∞2n0∣H(Ω)∣2dΩ
于是有 SNR 表达式如下:
SNRSNRmax=E[xo2(t)]so2(t)=πn01∫−∞+∞∣H(Ω)∣2dΩ[∫−∞+∞S(Ω)H(Ω)ejωt0dΩ]2≤πn01∫−∞+∞∣H(Ω)∣2dΩ∫−∞+∞∣S(Ω)∣2dΩ∫−∞∞∣H(Ω)∣2dΩ(Cauchy−Buniakowsky−SchwarzInequality)=πn01∫−∞+∞∣S(Ω)∣2dΩ=n02⋅2π1∫−∞+∞∣S(Ω)∣2dΩ=n0/2Es
量纲:W/HzJ=s⋅Hz=1
最终得到信噪比的最大值为 n0/2Es,根据柯西……不等式取等条件有:
H(Ω)h(t)=k⋅S∗(Ω)e−jΩt0=ks(t0−t)
即为匹配滤波器的表达式。匹配滤波器实际上是原波形先翻转移位~而且可以发现,最大信噪比只与输入波形能量和噪声功率谱密度有关,与波形的形状无关!
那么波形的形状可以用来满足其它的要求,比如无码间串扰条件。
基于匹配滤波器的最佳接受机·
将 相关器 用 匹配滤波器+采样 代替,即上面的步骤 Ⅰ 使用
hm(t)=sm(T−t)→Sample(t=T)
相关器的输出信噪比仍满足 n0/2Es.
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