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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.17Z: Rayleigh and Rice Distribution"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Trägerfrequenzsysteme mit nichtkohärenter Demodulation}}  
+
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Non-Coherent_Demodulation}}  
  
[[File:P_ID2079__Dig_Z_4_17.png|right|frame|Rice- (oben) und Rayleighverteilung (unten)]]
+
[[File:P_ID2079__Dig_Z_4_17_ret.png|right|frame|Rice (top) and Rayleigh (bottom)]]
Für die Untersuchung von Nachrichtensystemen haben die Rayleigh– und die Rice–Verteilung eine große Bedeutung. Im Folgenden sei y eine rayleigh– oder eine riceverteilte Zufallsgröße und η jeweils eine Realisierung hiervon.
+
For the study of transmission systems,  the Rayleigh and Rice distributions are of great importance.  In the following let  y  be a Rayleigh or a Rice distributed random variable and  η  in each case a realization of it.
* Die <i>Rayleighverteilung</i> ergibt sich dabei für die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (kurz: WDF) einer Zufallsgröße y, die sich aus den beiden gaußverteilten und statistisch unabhängigen Komponenten u und $\upsilon$ (beide mit der Streuung σn) wie folgt ergibt:
+
* The&nbsp; "Rayleigh distribution"&nbsp; results thereby for the probability density function&nbsp; $\rm (PDF)$&nbsp; of a random variable&nbsp; y,&nbsp; which results from the two Gaussian distributed and statistically independent components&nbsp; u&nbsp; and&nbsp; $v$&nbsp; $($both with the standard deviation&nbsp; $\sigma_n)$&nbsp; as follows:
 
:$$y = \sqrt{u^2 + v^2} \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} p_y (\eta) = \frac{\eta}{\sigma_n^2}
 
:$$y = \sqrt{u^2 + v^2} \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} p_y (\eta) = \frac{\eta}{\sigma_n^2}
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2}{2 \sigma_n^2}\right ]
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2}{2 \sigma_n^2}\right ]
 
  \hspace{0.01cm}.$$
 
  \hspace{0.01cm}.$$
  
* Die <i>Riceverteilung</i> erhält man unter sonst gleichen Randbedingungen für den Anwendungsfall, dass bei einer der beiden Komponenten noch eine Konstante C addiert wird, zum Beispiel:
+
* The&nbsp; "Rice distribution"&nbsp; is obtained under otherwise identical boundary conditions for the application case where a constant&nbsp; C&nbsp; is still added to one of the two components,&nbsp; for example:
 
:$$y = \sqrt{(u+C)^2 + v^2} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_y (\eta) = \frac{\eta}{\sigma_n^2}
 
:$$y = \sqrt{(u+C)^2 + v^2} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_y (\eta) = \frac{\eta}{\sigma_n^2}
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 + C^2}{2 \sigma_n^2}\right ] \cdot {\rm I }_0 \left [ \frac{\eta \cdot  C}{ \sigma_n^2}\right ]
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 + C^2}{2 \sigma_n^2}\right ] \cdot {\rm I }_0 \left [ \frac{\eta \cdot  C}{ \sigma_n^2}\right ]
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
In dieser Gleichung bezeichnet I0(x) die [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_nichtkoh%C3%A4renter_Demodulation#Rayleigh.E2.80.93_und_Riceverteilung| modifizierte Besselfunktion nullter Ordnung]].
+
In this equation,&nbsp; I0(x)&nbsp; denotes the&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Non-Coherent_Demodulation#Rayleigh_and_Rice_Distribution|"modified zero-order Bessel function"]].
  
In der Grafik sind die beiden Dichtefunktionen dargestellt, wobei allerdings nicht angegeben wird, ob pI(η) bzw. pII(η) zu einer Rayleigh&ndash; oder zu einer Riceverteilung gehören. Bekannt ist nur, dass je eine Rayleigh&ndash; und eine Riceverteilung dargestellt ist. Der Parameter σn ist bei beiden gleich.
+
In the graph,&nbsp; the two probability density functions are shown,&nbsp; but it is not indicated whether&nbsp; pI(η)&nbsp; or&nbsp; pII(η)&nbsp; belong to a Rayleigh or a Rice distribution,&nbsp; respectively.
 +
* It is only known that one Rayleigh and one Rice distribution is shown.
  
Für Ihre Entscheidung, ob Sie pI(η) oder pII(η) der Riceverteilung zuordnen, und für die Ermittlung der WDF&ndash;Parameter können Sie folgende Aussagen berücksichtigen:
+
* The parameter&nbsp; σn&nbsp; is the same for both distributions.
* Für große Werte des Quotienten $C/\sigma_n$ lässt sich die Riceverteilung durch eine Gaußverteilung mit Mittelwert C und Streuung σn annähern.
 
* Die der Grafik zugrunde liegenden Werte von C und σn sind ganzzahlig.
 
  
  
Hinsichtlich der Rayleighverteilung ist zu beachten:
+
For your decision whether to assign&nbsp; pI(η)&nbsp; or&nbsp; pII(η)&nbsp; to the Rice distribution and for the determination of the PDF parameters you can consider the following statements:
* Für beide Verteilungen ist das gleiche σn zugrunde gelegt.
+
* For large values of the quotient&nbsp; C/σn,&nbsp; the Rice distribution can be approximated by a Gaussian distribution with mean&nbsp; C&nbsp; and standard deviation&nbsp; σn.&nbsp;
* Für die Streuung (Wurzel aus der Varianz) der Rayleighverteilung gilt:
+
 +
* The values of&nbsp; C&nbsp; and&nbsp; σn&nbsp; underlying the graph are integers.
 +
 
 +
 
 +
Regarding the Rayleigh distribution,&nbsp; note:
 +
* The same&nbsp; σn&nbsp; is used for both distributions.
 +
 
 +
* For the standard deviation&nbsp; (root of the variance)&nbsp; of the Rayleigh distribution holds:
 
:$$\sigma_y = \sigma_n  \cdot  \sqrt{2 - {\pi}/{2 }} \hspace{0.2cm} \approx \hspace{0.2cm} 0.655 \cdot \sigma_n   
 
:$$\sigma_y = \sigma_n  \cdot  \sqrt{2 - {\pi}/{2 }} \hspace{0.2cm} \approx \hspace{0.2cm} 0.655 \cdot \sigma_n   
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
* Für die Streuung bzw. für die Varianz der Riceverteilung kann allgemein nur ein komplizierter Ausdruck mit hypergeometrischen Funktionen angegeben werden, ansonsten nur eine Näherung für Cσn entsprechend der Gaußverteilung.
 
  
 +
* For the standard deviation or for the variance of the Rice distribution in general only a complicated expression with hypergeometric functions can be given,&nbsp; otherwise only an approximation for&nbsp; Cσn&nbsp; corresponding to the Gaussian distribution.
  
  
''Hinweise:''
+
 
* Diese Aufgabe gehört zum Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_nichtkoh%C3%A4renter_Demodulation| Trägerfrequenzsysteme mit nichtkohärenter Demodulation]].
+
 
* Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
 
* Gegeben ist zudem das folgende unbestimmteIntegral:
+
 
 +
Notes:
 +
* This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Non-Coherent_Demodulation|"Carrier Frequency Systems with Non-Coherent Demodulation"]].
 +
 +
* Given is also the following indefinite integral:
 
:$$\int x \cdot {\rm e }^{-x^2} \,{\rm d} x =
 
:$$\int x \cdot {\rm e }^{-x^2} \,{\rm d} x =
 
   -{1}/{2} \cdot {\rm e }^{-x^2} + {\rm const. } $$
 
   -{1}/{2} \cdot {\rm e }^{-x^2} + {\rm const. } $$
Line 42: Line 52:
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Ordnen Sie die Grafiken der Rayleigh&ndash; bzw. Riceverteilung zu.
+
{Assign the graphs to the Rayleigh and Rice distributions, respectively.
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- pI(η) entspricht der Rayleighverteilung, pII(η) der Riceverteilung.
+
- pI(η)&nbsp; corresponds to the Rayleigh distribution, &nbsp;pII(η)&nbsp; to the Rice distribution.
+ pI(η) entspricht der Riceverteilung, pII(η) der Rayleighverteilung.
+
+ pI(η)&nbsp; corresponds to the Rice distribution, &nbsp;pII(η)&nbsp; to the Rayleigh distribution.
  
{Geben Sie die Parameter der hier dargestellten Riceverteilung an.
+
{Give the parameters of the Rice distribution shown here.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
C=  { 4 3% }
 
C=  { 4 3% }
 
σn =  { 1 3% }
 
σn =  { 1 3% }
  
{Welche Verteilung besitzt eine größere Varianz?
+
{Which distribution has a larger variance?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Die Rayleighverteilung,
+
- The Rayleigh distribution,
+ die Riceverteilung?.
+
+ the Rice distribution?
  
{Berechnen Sie die Überschreitungswahrscheinlichkeiten der Rayleighverteilung
+
{Calculate the excess probabilities of the Rayleigh distribution.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Pr(y>σn)=  { 60.7 3% }  %
 
Pr(y>σn)=  { 60.7 3% }  %
Line 66: Line 76:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>zweite Lösungsvorschlag</u>..:
+
'''(1)'''&nbsp; The&nbsp; <u>second solution</u>&nbsp; is correct:
*Die obere Grafik zeigt näherungsweise eine Gaußverteilung und gehört dementsprechend zur Riceverteilung.  
+
*The upper graph shows approximately a Gaussian distribution and belongs accordingly to the Rice distribution.
 +
 
  
  
'''(2)'''&nbsp; Man erkennt aus der Grafik: Der Mittelwert der Gaußverteilung ist C=4_ und die Streuung ist σn=1_. <br>Vorgegeben war ja, dass C und σn ganzzahlig seien. Damit lauten die beiden Dichtefunktionen:
+
'''(2)'''&nbsp; You can see from the graph:&nbsp; The mean value of the Gaussian distribution is&nbsp; C=4_ and the standard deviation is σn=1_.  
 +
*It was given that&nbsp; C&nbsp; and&nbsp; σn&nbsp; were integers.&nbsp; Thus the two density functions are:
 
:$$p_{\rm I} (\eta) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} {\eta}
 
:$$p_{\rm I} (\eta) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} {\eta}
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 + 16}{2 }\right ] \cdot {\rm I }_0 (4\eta ) \approx
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 + 16}{2 }\right ] \cdot {\rm I }_0 (4\eta ) \approx
Line 79: Line 91:
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 }{2 }\right ] \hspace{0.05cm}.$$
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 }{2 }\right ] \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>, wie bereits aus der Grafik ersichtlich ist. Eine Rechnung bestätigt dieses Ergebnis:
+
 
 +
'''(3)'''&nbsp; <u>Solution 2</u>&nbsp; is correct,&nbsp; as can already be seen from the graph.&nbsp; A calculation confirms this result:
 
:σ2Rice = σ2n=1,
 
:σ2Rice = σ2n=1,
 
:$$ \sigma_{\rm Rayl}^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} \sigma_n^2  \cdot  ({2 - {\pi}/{2 }})  \approx 0.429   
 
:$$ \sigma_{\rm Rayl}^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} \sigma_n^2  \cdot  ({2 - {\pi}/{2 }})  \approx 0.429   
Line 85: Line 98:
  
  
'''(4)'''&nbsp; Allgemein ist die Wahrscheinlichkeit, dass y größer ist als ein Wert y0, gleich
+
'''(4)'''&nbsp; In general,&nbsp; the probability that&nbsp; y&nbsp; is greater than a certain value&nbsp; y0&nbsp; is equal to
 
:$${\rm Pr}(y > y_0) = \int_{y_0}^{\infty} \frac{\eta}{\sigma_n^2}
 
:$${\rm Pr}(y > y_0) = \int_{y_0}^{\infty} \frac{\eta}{\sigma_n^2}
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 }{2 \sigma_n^2}\right ] \,{\rm d} \eta   
 
  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{\eta^2 }{2 \sigma_n^2}\right ] \,{\rm d} \eta   
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Mit der Substitution x2=η2/(2σ2n) kann hierfür geschrieben werden:
+
*With the substitution&nbsp; x2=η2/(2σ2n)&nbsp; can be written for this:
 
:$${\rm Pr}(y > y_0) = 2 \cdot \hspace{-0.05cm}\int_{y_0/(\sqrt{2}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.03cm} \sigma_n)}^{\infty} \hspace{-0.5cm}x
 
:$${\rm Pr}(y > y_0) = 2 \cdot \hspace{-0.05cm}\int_{y_0/(\sqrt{2}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.03cm} \sigma_n)}^{\infty} \hspace{-0.5cm}x
 
  \cdot {\rm e }^{ - x^2} \,{\rm d} x = \left [{\rm e }^{ - x^2} \right ]_{\sqrt{2}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.03cm} \sigma_n}^{\infty}
 
  \cdot {\rm e }^{ - x^2} \,{\rm d} x = \left [{\rm e }^{ - x^2} \right ]_{\sqrt{2}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.03cm} \sigma_n}^{\infty}
 
  = {\rm exp } \left [ -\frac{ y_0^2 }{2 \sigma_n^2 }\right ]\hspace{0.05cm}.$$
 
  = {\rm exp } \left [ -\frac{ y_0^2 }{2 \sigma_n^2 }\right ]\hspace{0.05cm}.$$
  
Hierbei wurde das vorne angegebene unbestimmte Integral benutzt. Insbesondere gilt:
+
*Here the indefinite integral given in the front was used.&nbsp; In particular:
 
:Pr(y>σn) = e0.560.7%_,
 
:Pr(y>σn) = e0.560.7%_,
 
:Pr(y>2σn) = e2.013.5%_,
 
:Pr(y>2σn) = e2.013.5%_,
Line 104: Line 117:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^4.5 Inkohärente Demodulation^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^4.5 Non-Coherent Demodulation^]]

Latest revision as of 13:41, 10 October 2022

Rice (top) and Rayleigh (bottom)

For the study of transmission systems,  the Rayleigh and Rice distributions are of great importance.  In the following let  y  be a Rayleigh or a Rice distributed random variable and  η  in each case a realization of it.

  • The  "Rayleigh distribution"  results thereby for the probability density function  (PDF)  of a random variable  y,  which results from the two Gaussian distributed and statistically independent components  u  and  v  (both with the standard deviation  σn)  as follows:
y=u2+v2py(η)=ησ2nexp[η22σ2n].
  • The  "Rice distribution"  is obtained under otherwise identical boundary conditions for the application case where a constant  C  is still added to one of the two components,  for example:
y=(u+C)2+v2py(η)=ησ2nexp[η2+C22σ2n]I0[ηCσ2n].

In this equation,  I0(x)  denotes the  "modified zero-order Bessel function".

In the graph,  the two probability density functions are shown,  but it is not indicated whether  pI(η)  or  pII(η)  belong to a Rayleigh or a Rice distribution,  respectively.

  • It is only known that one Rayleigh and one Rice distribution is shown.
  • The parameter  σn  is the same for both distributions.


For your decision whether to assign  pI(η)  or  pII(η)  to the Rice distribution and for the determination of the PDF parameters you can consider the following statements:

  • For large values of the quotient  C/σn,  the Rice distribution can be approximated by a Gaussian distribution with mean  C  and standard deviation  σn
  • The values of  C  and  σn  underlying the graph are integers.


Regarding the Rayleigh distribution,  note:

  • The same  σn  is used for both distributions.
  • For the standard deviation  (root of the variance)  of the Rayleigh distribution holds:
σy=σn2π/20.655σn.
  • For the standard deviation or for the variance of the Rice distribution in general only a complicated expression with hypergeometric functions can be given,  otherwise only an approximation for  Cσn  corresponding to the Gaussian distribution.




Notes:

  • Given is also the following indefinite integral:
xex2dx=1/2ex2+const.



Questions

1

Assign the graphs to the Rayleigh and Rice distributions, respectively.

pI(η)  corresponds to the Rayleigh distribution,  pII(η)  to the Rice distribution.
pI(η)  corresponds to the Rice distribution,  pII(η)  to the Rayleigh distribution.

2

Give the parameters of the Rice distribution shown here.

C= 

σn = 

3

Which distribution has a larger variance?

The Rayleigh distribution,
the Rice distribution?

4

Calculate the excess probabilities of the Rayleigh distribution.

Pr(y>σn)= 

 %
Pr(y>2σn) = 

 %
Pr(y>3σn) = 

 %


Solution

(1)  The  second solution  is correct:

  • The upper graph shows approximately a Gaussian distribution and belongs accordingly to the Rice distribution.


(2)  You can see from the graph:  The mean value of the Gaussian distribution is  C=4_ and the standard deviation is σn=1_.

  • It was given that  C  and  σn  were integers.  Thus the two density functions are:
pI(η) = ηexp[η2+162]I0(4η)12πexp[(η4)22],
pII(η) = ηexp[η22].


(3)  Solution 2  is correct,  as can already be seen from the graph.  A calculation confirms this result:

σ2Rice = σ2n=1,
σ2Rayl = σ2n(2π/2)0.429.


(4)  In general,  the probability that  y  is greater than a certain value  y0  is equal to

Pr(y>y0)=y0ησ2nexp[η22σ2n]dη.
  • With the substitution  x2=η2/(2σ2n)  can be written for this:
Pr(y>y0)=2y0/(2σn)xex2dx=[ex2]2σn=exp[y202σ2n].
  • Here the indefinite integral given in the front was used.  In particular:
Pr(y>σn) = e0.560.7%_,
Pr(y>2σn) = e2.013.5%_,
Pr(y>3σn) = e4.51.1%_.