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42波形与矢量AWGN信道
4.2波形与矢量AWGN信道
波形AWGN信道由输入与输出的关系式描述: (1)
式中,是M个可能信号{,…… ,}之一,所选的每一个信号基于先验概率 ,是零均值高斯白噪声,其功率谱密度为/2。假设利用施密特正交化方法,导出标准正交基{,1}来表示信号,利用标准正交基得到信号的矢量表达形式为{,}。噪声过程不能以基{全部展开,我们将噪声过程分解为两个分量。一个分量(记为)是噪声中以{展开的部分,即噪声在这些基函数构建的空间中的投影;其余部分(记为)是噪声中不能以基函数表示的部分。以此定义,得到
=,= (2)
和 =— (3)
注意 =,= (4)
利用(2)和(3),式(1)可表示为
= (5)
由定义 (6)
式中
== (7)
得到=, (8)
由上述讨论可见,对最佳检测器的设计,AWGN波形信道
, (9)
等效于N维矢量信道 , (10)
4.2.1 矢量AWGN信道的最佳检测
加性AWGN矢量信道是对波形AWGN信道的等效矢量信道,它由(10)描述,式中噪声矢量的各分量是均值为零、方差为/2的高斯随机变量。
该信道的MAP检测器为
(11)
式中应用了简化公式的下列步骤:
(a): 是正常数,可以舍去。
(b):是增函数。
(c):/2是正的,且与正数相乘并不影响的结果。
(d):可以舍去,因为它与m和无关。
(e):已定义 (12)
为偏差项。
由式(11)可见,AWGN矢量信道的最佳(MAP)判决规则为
(13)
在信号等概率的特殊情况下,即(所有m),该关系式可以简化。在这种情况下,式(11)步骤(c)可写为
(14)
式中,的最大化等价于其负值的最小化,也就等价于其平方根最小化。
式(14)的几何解释特别方便。接收机接收r并以标准欧式距离在所有中寻找与r最近者,这样的检测器被称为最近邻或最小距离检测器。这也说明在这种情况下,由于信号等概率,MAP(最大后验概率)和ML(最大似然)检测器是一致的,两者都等价于最小距离检测。在这种情况下,判决和的边界是与和等距离的点的集合,就是这两个信号点连线的垂直平分线。一般来讲该边界是一个超平面。在N=2的情况下该边界是一条直线,当N=3时为平面。这些超平面完全确定了判决域。图4-2-1所示的例子为一个具有4个信号点的二维(N=2)星座,实线表示判决
域的边界,它是连接各信号点虚线的垂直平分线。
图4-2-1 等概率信号传输的判决域
当信号等概率且等能量时,偏差项独立于m,可以从式(13)中舍去。在这种情况下,最佳判决规则简化为
(15)
一般判决域为
(16)
注意,判决域至多用M-1个不等式描述,在某些情况下,其中一些不等式被其他不等式所支配因而是多余的。同时也注意每一个边界的一般形式为
(17)
该式为超平面方程。因此,各判决域的边界一般为超平面。
由式(2-2-47)得知, (18)
和 (19)
因此,AWGN信道的最佳MAP检测规则可表示为以下形式
(20)
以及ML检测器的形式为
(21)
在这点上引入三种度量是很方便的,后面讲经常用到。定义距离度量为
(22)
它表示r和之间欧式距离的平方。变型距离度量定义为
(23)
当与m无关而被舍去时,它等于距离度量。相关度量定义为变型距离度量的负值,即
(24)
尤其要注意,使用术语度量只是为了方便。一般,这些量都不是数学意义上的度量。根据这些定义,最佳检测规则(MAP规则)一般可表示为
(25)
且ML检测规则表示为
(26)
二进制双极性信号传输的最佳检测
在二进制双极性信号传输方式中,=和= —。消息1和2的概率分别为p和1-p。显然,这是N=1的情况,两个信号的实力表示只是标量=和= —,其中是每个信号的能量且等于。按照式(16),
判决域为
(27)
式中,门限定义为 (28)
星座和判决域如图4-2-2所示。
图4-2-2 双极性信号传输的判决域
注意,当时,全部直线变为;当
时,全部直线变为,这在预料之中。同时可见,当p=1/2时(即
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