Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.8Z: AWGN Channel"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Linearkombinationen von Zufallsgrößen
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Linear_Combinations_of_Random_Variables
 
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[[File:P_ID413__Sto_Z_4_8.png|right|Modell für den AWGN-Kanal]]
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[[File:P_ID413__Sto_Z_4_8.png|right|frame|Channel model  "AWGN"]]
Wir betrachten hier ein analoges Nachrichtensignal $s(t)$, dessen Amplitudenwerte gaußverteilt sind. Der Effektivwert $\sigma_s$ dieses mittelwertfreien Signals beträgt $1 \hspace{0.05cm} \rm V$. Diese Größe bezeichnet man auch als die ''Streuung''.
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We consider here an analog message signal  $s(t)$  whose amplitude values are Gaussian distributed.  The standard deviation of this zero mean signal is  $\sigma_s=1 \hspace{0.05cm} \rm V$.  
  
Bei der Übertragung wird $s(t)$ von einem Störsignal $n(t)$ additiv überlagert, das ebenso wie $s(t)$ als gaußverteilt und mittelwertfrei angenommen werden kann. Der Effektivwert (die Streuung) des Störsignals sei allgemein $\sigma_n$. Es kann angenommen werden, dass zwischen Nutzsignal $s(t)$ und Störsignal $n(t)$ keine statistischen Abhängigkeiten bestehen.
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During transmission  $s(t)$  is additively overlaid by noise  $n(t)$  which like  $s(t)$  can be assumed to be Gaussian distributed and zero mean.  
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*Let the standard deviation of the noise be generally  $\sigma_n$.  
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*It is assumed that there are no statistical dependencies between the signals  $s(t)$  and  $n(t)$.
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*Such a constellation is called  "Additive White Gaussian Noise"  $\rm (AWGN)$. 
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*The quality criterion for the received signal  $r(t)= s(t)+n(t)$  the  "signal-to-noise power ratio":
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:$${\rm SNR} = {\sigma_s^2}/{\sigma_n^2}.$$
  
Man bezeichnet eine solche Konstellation als <i>Additive White Gaussian Noise</i> (AWGN) und verwendet als Qualitätskriterium für das Empfangssignal $r(t)$ das Signal-zu-Stör-Leistungsverhältnis (''Signal-to-Noise-Ratio''):
 
:$${\rm SNR} =  {\sigma_s^2}/{\sigma_n^2}.$$
 
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Linearkombinationen_von_Zufallsgrößen|Linearkombinationen von Zufallsgrößen]].
 
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Zweidimensionale_Gaußsche_Zufallsgrößen|Zweidimensionale Gaußsche Zufallsgrößen]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Linear_Combinations_of_Random_Variables|Linear Combinations of Random Variables]].
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*Reference is also made to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Two-Dimensional_Gaussian_Random_Variables|Two-dimensional Gaussian random variables]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Geben Sie die WDF $f_r(r)$ des Empfangssignals $r(t)$ allgemein an. Wie gro&szlig; ist der Effektivwert $\sigma_r$, wenn $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$ betr&auml;gt?
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{Give the PDF $f_r(r)$&nbsp; of the received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; in general.&nbsp; What is the standard deviation&nbsp; $\sigma_r$&nbsp; when&nbsp; $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$?
 
|type="{}"}
 
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$\sigma_r \ = $ { 1.25 3% } $ \ \rm V$
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$\sigma_r \ = \ $ { 1.25 3% } $ \ \rm V$
  
  
{Berechnen Sie den Korrelationskoeffizienten $\rho_{sr}$, der zwischen den beiden Signalen $s(t)$) und $r(t)$ besteht. Welcher Wert ergibt sich f&uuml;r $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$?
+
{Calculate the correlation coefficient&nbsp; $\rho_{sr}$&nbsp; between the two signals&nbsp; $s(t)$&nbsp; and&nbsp; $r(t)$.&nbsp; What value results for&nbsp; $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$?
 
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$\rho_{sr} \ = $ { 0.8 3% }
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$\rho_{sr} \ = \ $ { 0.8 3% }
  
  
{Berechnen Sie den Korrelationskoeffizienten $\rho_{sr}$ abhängig vom SNR des AWGN-Kanals. Leiten Sie eine N&auml;herung f&uuml;r gro&szlig;es SNR ab.  
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{Calculate the correlation coefficient&nbsp; $\rho_{sr}$&nbsp; depending on the SNR of the AWGN channel.&nbsp; Derive an approximation for large SNR.
<br>Welcher Koeffizient ergibt sich f&uuml;r $10 \cdot {\rm lg \ SNR = 30 \ dB}$?
 
 
|type="{}"}
 
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$10 \cdot {\rm lg \ SNR = 30 \ dB}$: &nbsp; $\rho_{sr} \ = $ { 0.9995 0.1% }
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$\rho_{sr} \ = \ $ { 0.8 3% }  
  
  
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</quiz>
 
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===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Es gilt $r(t) = s(t)+n(t)$. Somit kann $f_r(r)$ aus der Faltung der beiden Dichtefunktionen $f_s(s)$ und $f_n(n)$ berechnet werden. Da beide Signale gau&szlig;verteilt sind, liefert die Faltung ebenfalls eine Gau&szlig;funktion:
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'''(1)'''&nbsp; It holds&nbsp; $r(t) = s(t)+n(t)$.&nbsp; Thus $f_r(r)$&nbsp; can be calculated from the convolution of the two density functions $f_s(s)$&nbsp; and $f_n(n)$&nbsp; .
:$$f_r(r)= \frac {1}{\sqrt{2 \pi} \cdot \sigma_r} \cdot {\rm e}^{-r^2/(2 \sigma_r^2)}.$$
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*Since both signals are Gaussian distributed, the convolution also yields a Gaussian function:
 
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$$f_r(r)= \frac {1}{\sqrt{2 \pi} \cdot \sigma_r} \cdot {\rm e}^{-r^2/(2 \sigma_r^2)}.$$
Die Varianzen von $s(t)$ und  $n(t)$ addieren sich. Deshalb erh&auml;lt man mit  $\sigma_s =1 \hspace{0.05cm} \rm V$ und $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$:
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*The variances of&nbsp; $s(t)$&nbsp; and&nbsp; $n(t)$&nbsp; add up.&nbsp; Therefore, with&nbsp; $\sigma_s =1 \hspace{0.05cm} \rm V$&nbsp; and&nbsp; $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$:
 
:$$\sigma_r = \sqrt{\sigma_s^2 + \sigma_n^2} =\sqrt{{(\rm 1\hspace{0.1cm}V)^2} + {(\rm 0.75\hspace{0.1cm}V)^2}}\hspace{0.15cm}\underline{ = {\rm 1.25\hspace{0.1cm}V}}.$$
 
:$$\sigma_r = \sqrt{\sigma_s^2 + \sigma_n^2} =\sqrt{{(\rm 1\hspace{0.1cm}V)^2} + {(\rm 0.75\hspace{0.1cm}V)^2}}\hspace{0.15cm}\underline{ = {\rm 1.25\hspace{0.1cm}V}}.$$
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'''(2)'''&nbsp; For the correlation coefficient, with the joint moment&nbsp; $m_{sr}$:
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:$$\rho_{sr } = \frac{m_{sr }}{\sigma_s \cdot \sigma_r}.$$
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*This takes into account that&nbsp; $s(t)$&nbsp; and also&nbsp; $r(t)$&nbsp; are zero mean, so that&nbsp; $\mu_{sr} =m_{sr}$&nbsp; holds.
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*Since&nbsp; $s(t)$&nbsp; and&nbsp; $n(t)$&nbsp; were assumed to be statistically independent of each other and thus uncorrelated, it further holds:
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:$$m_{sr} = {\rm E}\big[s(t) \cdot r(t)\big] = {\rm E}\big[s^2(t)\big] + {\rm E}\big[s(t) \cdot n(t)\big] ={\rm E}\big[s^2(t)\big] = \sigma_s^2.$$
 +
:$$\rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{sr } = \frac{\sigma_s}{ \sigma_r} = \sqrt{\frac{\sigma_s^2}{\sigma_s^2 + \sigma_n^2}} = \left (1+ {\sigma_n^2}/{\sigma_s^2}\right)^{-1/2}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; F&uuml;r den Korrelationskoeffizienten gilt mit dem gemeinsamen Moment $m_{sr}$:
+
*With&nbsp; $\sigma_s =1 \hspace{0.05cm} \rm V$,&nbsp; $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$&nbsp; and&nbsp; $\sigma_r =1.25 \hspace{0.05cm} \rm V$&nbsp; one obtains&nbsp; $\rho_{sr }\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.8}$.
:$$\rho_{sr } = \frac{m_{sr }}{\sigma_s \cdot \sigma_r}.$$
 
  
Hierbei ist ber&uuml;cksichtigt, dass $s(t)$ und auch $r(t)$ mittelwertfrei sind, so dass $\mu_{sr} =m_{sr}$ gilt. Da $s(t)$ und  $n(t)$ als statistisch unabhängig voneinander und damit als unkorreliert  vorausgesetzt wurden, gilt weiter:
 
:$$m_{sr} = {\rm E}[s(t) \cdot r(t)] = {\rm E}[s^2(t)] +  {\rm E}[s(t) \cdot n(t)] ={\rm E}[s^2(t)] = \sigma_s^2.$$
 
:$$\rightarrow \hspace{0.5cm} \rho_{sr } = \frac{\sigma_s}{  \sigma_r} = \sqrt{\frac{\sigma_s^2}{\sigma_s^2 + \sigma_n^2}} = \left (1+ \frac{\sigma_n^2}{\sigma_s^2}\right)^{-1/2}.$$
 
  
Mit $\sigma_s =1 \hspace{0.05cm} \rm V$, $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$ und $\sigma_r =1.25 \hspace{0.05cm} \rm V$ erhält man $\rho_{sr }\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.8}$.
 
  
'''(3)'''&nbsp; Der in der letzten Teilaufgabe berechnete Ausdruck kann mit der Abkürzung ${\rm SNR} =\sigma_s^2/\sigma_n^2$ wie folgt dargestellt werden:
+
'''(3)'''&nbsp; The expression calculated in the last subtask can be represented by the abbreviation&nbsp; ${\rm SNR} =\sigma_s^2/\sigma_n^2$&nbsp; as follows:
:$$\rho_{sr } = \frac{1}{  \sqrt{1 + \frac{1}{{{\rm SNR}}}} \approx \frac{1}{  {1 + \frac{1}{2 \cdot {\rm SNR}}}} \approx  1 - \frac{1}{2 \cdot {\rm SNR}}.$$
+
:$$\rho_{sr } = \rm \frac{1}{  \sqrt{1 + \frac{1}{SNR}}} \approx \frac{1}{  {1 + \frac{1}{2 \cdot SNR}}} \approx  1 - \frac{1}{2 \cdot SNR}.$$
:$$\rho_{sr } =  {\sqrt{1+\frac{1}{{\rm SNR}}} $$
 
  
Der Signal-zu-Stör-Abstand $10 \cdot {\rm lg \ SNR = 30 \ dB}$ führt zum absoluten Wert $\rm SNR = 1000$. In die obige Gleichung eingesetzt ergibt dies n&auml;herungsweise einen Korrelationskoeffizienten von $\rho_{sr }\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.9995}$.
+
*The signal-to-noise ratio&nbsp; $10 \cdot {\rm lg \ SNR = 30 \ dB}$&nbsp; leads to the absolute value&nbsp; $\rm SNR = 1000$.  
 +
*Inserted into the above equation, this gives an approximate correlation coefficient of&nbsp; $\rho_{sr }\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.9995}$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^4.3 Linearkombinationen^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^4.3 Linear Combinations^]]

Latest revision as of 15:22, 27 February 2022

Channel model  "AWGN"

We consider here an analog message signal  $s(t)$  whose amplitude values are Gaussian distributed.  The standard deviation of this zero mean signal is  $\sigma_s=1 \hspace{0.05cm} \rm V$.

During transmission  $s(t)$  is additively overlaid by noise  $n(t)$  which like  $s(t)$  can be assumed to be Gaussian distributed and zero mean.

  • Let the standard deviation of the noise be generally  $\sigma_n$.
  • It is assumed that there are no statistical dependencies between the signals  $s(t)$  and  $n(t)$.
  • Such a constellation is called  "Additive White Gaussian Noise"  $\rm (AWGN)$. 
  • The quality criterion for the received signal  $r(t)= s(t)+n(t)$  the  "signal-to-noise power ratio":
$${\rm SNR} = {\sigma_s^2}/{\sigma_n^2}.$$



Hints:



Questions

1

Give the PDF $f_r(r)$  of the received signal  $r(t)$  in general.  What is the standard deviation  $\sigma_r$  when  $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$?

$\sigma_r \ = \ $

$ \ \rm V$

2

Calculate the correlation coefficient  $\rho_{sr}$  between the two signals  $s(t)$  and  $r(t)$.  What value results for  $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$?

$\rho_{sr} \ = \ $

3

Calculate the correlation coefficient  $\rho_{sr}$  depending on the SNR of the AWGN channel.  Derive an approximation for large SNR.

$\rho_{sr} \ = \ $


Solution

(1)  It holds  $r(t) = s(t)+n(t)$.  Thus $f_r(r)$  can be calculated from the convolution of the two density functions $f_s(s)$  and $f_n(n)$  .

  • Since both signals are Gaussian distributed, the convolution also yields a Gaussian function:

$$f_r(r)= \frac {1}{\sqrt{2 \pi} \cdot \sigma_r} \cdot {\rm e}^{-r^2/(2 \sigma_r^2)}.$$

  • The variances of  $s(t)$  and  $n(t)$  add up.  Therefore, with  $\sigma_s =1 \hspace{0.05cm} \rm V$  and  $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$:
$$\sigma_r = \sqrt{\sigma_s^2 + \sigma_n^2} =\sqrt{{(\rm 1\hspace{0.1cm}V)^2} + {(\rm 0.75\hspace{0.1cm}V)^2}}\hspace{0.15cm}\underline{ = {\rm 1.25\hspace{0.1cm}V}}.$$

(2)  For the correlation coefficient, with the joint moment  $m_{sr}$:

$$\rho_{sr } = \frac{m_{sr }}{\sigma_s \cdot \sigma_r}.$$
  • This takes into account that  $s(t)$  and also  $r(t)$  are zero mean, so that  $\mu_{sr} =m_{sr}$  holds.
  • Since  $s(t)$  and  $n(t)$  were assumed to be statistically independent of each other and thus uncorrelated, it further holds:
$$m_{sr} = {\rm E}\big[s(t) \cdot r(t)\big] = {\rm E}\big[s^2(t)\big] + {\rm E}\big[s(t) \cdot n(t)\big] ={\rm E}\big[s^2(t)\big] = \sigma_s^2.$$
$$\rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{sr } = \frac{\sigma_s}{ \sigma_r} = \sqrt{\frac{\sigma_s^2}{\sigma_s^2 + \sigma_n^2}} = \left (1+ {\sigma_n^2}/{\sigma_s^2}\right)^{-1/2}.$$
  • With  $\sigma_s =1 \hspace{0.05cm} \rm V$,  $\sigma_n =0.75 \hspace{0.05cm} \rm V$  and  $\sigma_r =1.25 \hspace{0.05cm} \rm V$  one obtains  $\rho_{sr }\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.8}$.


(3)  The expression calculated in the last subtask can be represented by the abbreviation  ${\rm SNR} =\sigma_s^2/\sigma_n^2$  as follows:

$$\rho_{sr } = \rm \frac{1}{ \sqrt{1 + \frac{1}{SNR}}} \approx \frac{1}{ {1 + \frac{1}{2 \cdot SNR}}} \approx 1 - \frac{1}{2 \cdot SNR}.$$
  • The signal-to-noise ratio  $10 \cdot {\rm lg \ SNR = 30 \ dB}$  leads to the absolute value  $\rm SNR = 1000$.
  • Inserted into the above equation, this gives an approximate correlation coefficient of  $\rho_{sr }\hspace{0.15cm}\underline{ = 0.9995}$.