Contents
- 1 Betrachtetes Szenario und Voraussetzungen
- 2 MAP– und Maximum–Likelihood–Entscheidungsregel
- 3 Maximum–Likelihood–Entscheidung bei Gaußscher Störung
- 4 Matched–Filter–Empfänger vs. Korrelationsempfänger
- 5 Darstellung des Korrelationsempfängers im Baumdiagramm
- 6 Korrelationsempfänger bei unipolarer Signalisierung
- 7 Aufgaben zum Kapitel
Betrachtetes Szenario und Voraussetzungen
Alle bisher beschriebenen Digitalempfänger treffen stets symbolweise Entscheidungen. Werden dagegen mehrere Symbole gleichzeitig entschieden, so können bei der Detektion statistische Bindungen zwischen den Empfangssignalabtastwerten berücksichtigt werden, was eine geringere Fehlerwahrscheinlichkeit zur Folge hat – allerdings auf Kosten einer zusätzlichen Laufzeit.
In diesem – teilweise auch im nächsten Kapitel – wird von folgendem Übertragungsmodell ausgegangen:
Gegenüber den letzten beiden Kapiteln ergeben sich folgende Unterschiede:
- Q∈{Qi} mit i=0, ... , M−1 bezeichnet eine zeitlich begrenzte Quellensymbolfolge ⟨qν⟩, deren Symbole vom optimalen Empfänger gemeinsam entschieden werden sollen.
- Beschreibt Q eine Folge von N redundanzfreien Binärsymbolen, so ist M=2N zu setzen. Dagegen gibt M bei symbolweiser Entscheidung die Stufenzahl der digitalen Quelle an.
- Im obigen Modell werden eventuelle Kanalverzerrungen dem Sender hinzugefügt und sind somit bereits im Grundimpuls gs(t) und im Signal s(t) enthalten. Diese Maßnahme dient lediglich einer einfacheren Darstellung und stellt keine Einschränkung dar.
- Der optimale Empfänger sucht unter Kenntnis des aktuell anliegenden Empfangssignals s(t) aus der Menge {Q0, ... , QM−1} der möglichen Quellensymbolfolgen die am wahrscheinlichsten gesendete Folge Qj und gibt diese als Sinkensymbolfolge V aus.
- Vor dem eigentlichen Entscheidungsalgorithmus muss durch eine geeignete Signalvorverarbeitung aus dem Empfangssignal r(t) für jede mögliche Folge Qi ein Zahlenwert Wi abgeleitet werden. Je größer Wi ist, desto größer ist die Rückschlusswahrscheinlichkeit, dass Qi gesendet wurde.
- Die Signalvorverarbeitung muss für die erforderliche Rauschleistungsbegrenzung und – bei starken Kanalverzerrungen – für eine ausreichende Vorentzerrung der entstandenen Impulsinterferenzen sorgen. Außerdem beinhaltet die Vorverarbeitung auch die Abtastung zur Zeitdiskretisierung.
MAP– und Maximum–Likelihood–Entscheidungsregel
Man bezeichnet den (uneingeschränkt) optimalen Empfänger als MAP–Empfänger, wobei „MAP” für „Maximum–a–posteriori” steht.
Definition: Der MAP–Empfänger ermittelt die M Rückschlusswahrscheinlichkeiten Pr[Qi|r(t)] und setzt seine Ausgangsfolge V gemäß der Entscheidungsregel, wobei für den Index gilt: i=0, ..., M−1 sowie i≠j:
- Pr[Qj|r(t)]>Pr[Qi|r(t)].
Die Rückschlusswahrscheinlichkeit Pr[Qi|r(t)] gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Folge Qi gesendet wurde, wenn das Empfangssignal r(t) am Entscheider anliegt. Mit dem Satz von Bayes kann diese Wahrscheinlichkeit wie folgt berechnet werden:
- Pr[Qi|r(t)]=Pr[r(t)|Qi]⋅Pr[Qi]Pr[r(t)].
Die MAP–Entscheidungsregel lässt sich somit wie folgt umformulieren bzw. vereinfachen:
Man setze die Sinkensymbolfolge V=Qj, falls für alle i≠j gilt:
- Pr[r(t)|Qj]⋅Pr[Qj)Pr(r(t)]>Pr[r(t)|Qi]⋅Pr[Qi]Pr[r(t)]⇒Pr[r(t)|Qj]⋅Pr[Qj]>Pr[r(t)|Qi]⋅Pr[Qi].
Eine weitere Vereinfachung dieser MAP–Entscheidungsregel führt zum ML–Empfänger, wobei „ML” für „Maximum–Likelihood” steht.
Definition: Der Maximum–Likelihood–Empfänger – abgekürzt ML – entscheidet nach den bedingten Vorwärtswahrscheinlichkeiten Pr[r(t)|Qi] und setzt die Folge V=Qj, falls für alle i≠j gilt:
- Pr[r(t)|Qj]>Pr[r(t)|Qi].
Ein Vergleich dieser beiden Definitionen zeigt:
- Bei gleichwahrscheinlichen Quellensymbolen verwenden der ML–Empfänger und der MAP–Empfänger gleiche Entscheidungsregeln und sind somit äquivalent.
- Bei nicht gleichwahrscheinlichen Symbolen ist der ML–Empfänger dem MAP–Empfänger unterlegen, da er für die Detektion nicht alle zur Verfügung stehenden Informationen nutzt.
Beispiel 1: Zur Verdeutlichung von ML– und MAP–Entscheidungsregel konstruieren wir nun ein sehr einfaches Beispiel mit nur zwei Quellensymbolen (M=2).
- Die beiden möglichen Symbole Q0 und Q1 werden durch die Sendesignale s=0 bzw. s=1 dargestellt.
- Das Empfangssignal kann – warum auch immer – drei verschiedene Werte annehmen, nämlich r=0, r=1 und zusätzlich r=0.5.
Die Empfangswerte r=0 und r=1 werden sowohl vom ML– als auch vom MAP–Entscheider den Senderwerten s=0 (Q0) bzw. s=1 (Q1) zugeordnet. Dagegen werden die Entscheider bezüglich des Empfangswertes r=0.5 ein anderes Ergebnis liefern:
- Die Maximum–Likelihood–Entscheidungsregel führt zum Quellensymbol Q0, wegen
- Pr(r=0.5|Q0)=0.4>Pr(r=0.5|Q1)=0.2.
- Die MAP–Entscheidung führt dagegen zum Quellensymbol Q1, da entsprechend der Grafik gilt:
- Pr(Q1|r=0.5)=0.6>Pr(Q0|r=0.5)=0.4.
Maximum–Likelihood–Entscheidung bei Gaußscher Störung
Wir setzen nun voraus, dass sich das Empfangssignal r(t) additiv aus einem Nutzsignal s(t) und einem Störanteil n(t) zusammensetzt, wobei die Störung als gaußverteilt und weiß angenommen wird ⇒ AWGN–Rauschen:
- r(t)=s(t)+n(t).
Eventuelle Kanalverzerrungen werden zur Vereinfachung bereits dem Signal s(t) beaufschlagt.
Die notwendige Rauschleistungsbegrenzung wird durch einen Integrator realisiert; dies entspricht einer Mittelung der Rauschwerte im Zeitbereich. Begrenzt man das Integrationsintervall auf den Bereich t1 bis t2, so kann man für jede Quellensymbolfolge Qi eine Größe Wi ableiten, die ein Maß für die bedingte Wahrscheinlichkeit Pr[r(t)|Qi] darstellt:
- Wi=∫t2t1r(t)⋅si(t)dt−1/2⋅∫t2t1s2i(t)dt=Ii−Ei/2.
Diese Entscheidungsgröße Wi kann über die k–dimensioniale Verbundwahrscheinlichkeitsdichte der Störungen (mit k→∞) und einigen Grenzübergängen hergeleitet werden.
Das Ergebnis lässt sich wie folgt interpretieren:
- Die Integration dient der Rauschleistungsbegrenzung. Werden vom ML–Detektor N Binärsymbole gleichzeitig entschieden, so ist bei verzerrungsfreiem Kanal t1=0 und t2=N⋅T zu setzen.
- Der erste Term der obigen Entscheidungsgröße Wi ist gleich der über das endliche Zeitintervall NT gebildeten Energie–Kreuzkorrelationsfunktion zwischen r(t) und si(t) an der Stelle τ=0:
- Ii=φr,si(τ=0)=∫N⋅T0r(t)⋅si(t)dt.
- Der zweite Term gibt die halbe Energie des betrachteten Nutzsignals si(t) an, die zu subtrahieren ist. Die Energie ist gleich der AKF des Nutzsignals an der Stelle τ=0:
- Ei=φsi(τ=0)=∫N⋅T0s2i(t)dt.
- Bei verzerrendem Kanal ist die Impulsantwort hK(t) nicht diracförmig, sondern beispielsweise auf den Bereich −TK≤t≤+TK ausgedehnt. In diesem Fall muss für die beiden Integrationsgrenzen t1=−TK und t2=N⋅T+TK eingesetzt werden.
Matched–Filter–Empfänger vs. Korrelationsempfänger
Es gibt verschiedene schaltungstechnische Implementierungen des Maximum–Likelihood–Empfängers.
Beispielsweise können die erforderlichen Integrale durch lineare Filterung und anschließender Abtastung gewonnen werden. Man bezeichnet diese Realisierungsform als Matched–Filter–Empfänger, da hier die Impulsantworten der M parallelen Filter formgleich mit den Nutzsignalen s0(t), ... , sM−1(t) sind.
- Die M Entscheidungsgrößen Ii sind dann gleich den Faltungsprodukten r(t)⋆si(t) zum Zeitpunkt t=0.
- Beispielsweise erlaubt der im Kapitel Optimierung der Basisband–Übertragungssysteme ausführlich beschriebene „optimale Binärempfänger” eine Maximum–Likelihood–Entscheidung mit den ML–Parametern M=2 und N=1.
Eine zweite Realisierungsform bietet der Korrelationsempfänger entsprechend der folgenden Grafik.
Man erkennt aus diesem Blockschaltbild für die angegebenen Parameter:
- Dieser Korrelationsempfänger bildet insgesamt M=8 Kreuzkorrelationsfunktionen zwischen dem Empfangssignal r(t)=sk(t)+n(t) und den möglichen Sendesignalen si(t), i=0, ... , M−1. Vorausgesetzt ist für diese Beschreibung, dass das Nutzsignal sk(t) gesendet wurde.
- Der Korrelationsempfänger sucht nun den maximalen Wert Wj aller Korrelationswerte und gibt die dazugehörige Folge Qj als Sinkensymbolfolge V aus. Formal lässt sich die ML–Entscheidungsregel wie folgt ausdrücken:
- V=Qj,fallsWj>Wif¨urallei≠j.
- Setzt man weiter voraus, dass alle Sendesignale si(t) die genau gleiche Energie besitzen, so kann man auf die Subtraktion von Ei/2 in allen Zweigen verzichten. In diesem Fall werden folgende Korrelationswerte miteinander verglichen (i=0, ... , M−1):
- Ii=∫NT0sj(t)⋅si(t)dt+∫NT0n(t)⋅si(t)dt.
- Mit großer Wahrscheinlichkeit ist Ij=Ik größer als alle anderen Vergleichswerte ij≠k. Ist das Rauschen nt) allerdings zu groß, so kann auch der Korrelationsempfänger eine Fehlentscheidung treffen.
Darstellung des Korrelationsempfängers im Baumdiagramm
Verdeutlichen wir uns die Funktionsweise des Korrelationsempfängers im Baumdiagramm, wobei die 23=8 möglichen Quellensymbolfolgen Qi der Länge N=3 durch bipolare rechteckförmige Sendesignale si(t) repräsentiert werden:
Die möglichen Symbolfolgen Q0=LLL, ... , Q7=HHH und die zugehörigen Sendesignale s0(t), ... , s7(t) sind oben aufgeführt.
- Aufgrund der bipolaren Amplitudenkoeffizienten und der Rechteckform sind alle Signalenergien gleich: E0=...=E7=N⋅EB, wobei EB die Energie eines Einzelimpulses der Dauer T angibt.
- Deshalb kann auf die Subtraktion des Terms Ei/2 in allen Zweigen verzichtet werden ⇒ eine auf den Korrelationswerten Ii basierende Entscheidung liefert ebenso zuverlässige Ergebnisse wie die Maximierung der korrigierten Werte Wi.
Beispiel 2: In der Grafik sind die fortlaufenden Integralwerte dargestellt, wobei vom tatsächlich gesendeten Signal s5(t) und dem rauschfreien Fall ausgegangen wird. Für diesen Fall gilt für die zeitabhängigen Integralwerte und die Integralendwerte:
- ii(t)=∫t0r(τ)⋅si(τ)dτ=∫t0s5(τ)⋅si(τ)dτ⇒Ii=ii(3T).
Die Grafik kann wie folgt interpretiert werden::
- Wegen der Rechteckform der Signale si(t) sind alle Funktionsverläufe ii(t) geradlinig. Die auf 3T normierten Endwerte sind +3, +1, −1 und −3.
- Der maximale Endwert ist I5=3⋅EB (roter Kurvenverlauf), da tatsächlich das Signal s5(t) gesendet wurde. Ohne Rauschen trifft der Korrelationsempfänger somit natürlich immer die richtige Entscheidung.
- Der blaue Kurvenzug i1(t) führt zum Endwert I5=−EB+EB+EB=EB, da sich s1(t) von s5(t) nur im ersten Bit unterscheidet. Die Vergleichswerte I4 und I7 sind ebenfalls gleich EB.
- Da sich s0(t), s3(t) und s6(t) vom gesendeten s5(t) in zwei Bit unterscheiden, gilt I0=I3=I6=−EB. Die grüne Kurve zeigt s6(t), das zunächst ansteigt (erstes Bit stimmt überein) und dann über zwei Bit abfällt.<br
- Die violette Kurve führt zum Endwert I2=−3⋅EB. Das zugehörige Signal s2(t) unterscheidet sich von s5(t) in allen drei Symbolen und es gilt s2(t)=−s5(t).
Beispiel 3: Die Grafik zu diesem Beispiel beschreibt den gleichen Sachverhalt wie das Beispiel 2, doch es wird nun vom Empfangssignal r(t)=s5(t)+n(t) ausgegangen. Die Varianz des AWGN–Rauschens n(t) beträgt hierbei σ2n=4⋅EB/T.
Man erkennt aus dieser Grafik im Vergleich zum rauschfreien Fall:
- Die Funktionsverläufe sind aufgrund des Rauschanteils n(t) nicht mehr gerade und es ergeben sich auch etwas andere Endwerte als ohne Rauschen.
- Im betrachteten Beispiel entscheidet der Korrelationsempfänger aber mit großer Wahrscheinlichkeit richtig, da die Differenz zwischen I5 und dem zweitgrößeren Wert I7 mit 1.65⋅EB verhältnismäßig groß ist.
- Die Fehlerwahrscheinlichkeit ist in dem hier betrachteten Beispiel allerdings nicht besser als die des Matched–Filter–Empfängers mit symbolweiser Entscheidung. Entsprechend dem Kapitel Optimierung der Basisband–Übertragungssysteme gilt auch hier:
- pS=Q(√2⋅EB/N0)=1/2⋅erfc(√EB/N0).
Fazit:
- Weist das Eingangssignal keine statistischen Bindungen auf wie im letzten Beispiel , so ist durch die gemeinsame Entscheidung von N Symbolen gegenüber der symbolweisen Entscheidung keine Verbesserung zu erzielen.
- Bei Vorhandensein solcher statistischen Bindungen wird durch die gemeinsame Entscheidung von N Symbolen die Fehlerwahrscheinlichkeit gegenüber pS=Q(√2⋅EB/N0) (gültig für symbolweise Entscheidung) merklich verringert, da der Maximum–Likelihood–Empfänger dies berücksichtigt.
- Solche Bindungen können entweder durch sendeseitige Codierung bewusst erzeugt werden (siehe LNTwww-Buch Kanalcodierung oder durch (lineare) Kanalverzerrungen ungewollt entstehen.
- Bei Vorhandensein solcher Impulsinterferenzen ist die Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit deutlich schwieriger. Es können jedoch vergleichbare Näherungen wie beim Viterbi–Empfänger angegeben werden, die am Ende des nächsten Kapitels angegeben sind.
Korrelationsempfänger bei unipolarer Signalisierung
Bisher sind wir bei der Beschreibung des Korrelationsempfänger stets von binärer bipolarer Signalisierung ausgegangen:
- aν={+1−1f¨urf¨urqν=H,qν=L.
Nun betrachten wir den Fall der binären unipolaren Digitalsignalübertragung gilt:
- aν={10f¨urf¨urqν=H,qν=L.
Die 23=8 möglichen Quellensymbolfolgen Qi der Länge N=3 werden nun durch unipolare rechteckförmige Sendesignale si(t) repräsentiert. Nachfolgend aufgeführt sind die Symbolfolgen Q0=LLL, ... , Q7=HHH und die Sendesignale s0(t), ... , s7(t).
Durch Vergleich mit der entsprechenden Tabelle für bipolare Signalisierung erkennt man:
- Aufgrund der unipolaren Amplitudenkoeffizienten sind nun die Signalenergien Ei unterschiedlich, zum Beispiel gilt E0=0 und E7=3⋅EB.
- Hier führt die auf den Integralendwerten Ii basierende Entscheidung nicht zum richtigen Ergebnis.
- Vielmehr muss nun auf die korrigierten Vergleichswerte Wi=Ii−Ei/2 zurückgegriffen werden.
Beispiel 4: In der Grafik sind die fortlaufenden Integralwerte dargestellt, wobei vom tatsächlich gesendeten Signal s5(t) und dem rauschfreien Fall ausgegangen wird. Das entsprechende bipolare Äquivalent wurde im Beispiel 2 betrachtet.
Für dieses Beispiel ergeben sich folgende Vergleichswerte, jeweils normiert auf EB:
- I5=I7=2,I1=I3=I4=I6=1,I0=I2=0,
- W5=1,W1=W4=W7=0.5,
- W0=W3=W6=0,W2=−0.5.
Das bedeutet:
- Bei einem Vergleich hinsichtlich der maximalen Ii–Werte wären die Quellensymbolfolgen Q5 und Q7 gleichwertig.
- Bei Berücksichtigung der unterschiedlichen Energien(E5=2, E7=3) ist dagegen W5>W7.
- Der Korrelationsempfänger gemäß Wi=Ii−Ei/2 entscheidet also auch bei unipolarer Signalisierung richtig auf s(t)=s5(t).
Aufgaben zum Kapitel
A3.9 Korrelationsempfänger - unipolar