43280

Оптимальный прием сигнала

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

При прохождении через линию связи с сигналом складывается случайный шум n имеющий нормальное гауссовское распределение плотности вероятности: . Два нормальных распределения плотности вероятности величины z w0 и w1 при действии сигналов s0 и s1 соответственно показаны на рисунке рис. Граница U1 определена для критерия максимального правдоподобия; U2 для критерия максимума апостериорной вероятности. вероятности передачи сигналов s0 и s1 равны 05; Рs0=Р0=05; Рs1=Р1=05.

Русский

2013-11-04

246.5 KB

4 чел.

Казанский Государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Кафедра Радиоуправления

Пояснительная записка к курсовой

работе по курсу

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

на тему:

Оптимальный прием сигнала

Выполнил студент гр.5312

Руководитель: Замалеев И.Г.____

Оценка ________________________

Комиссия  ________ ( _________ )

 ________ ( _________ )

 ________ ( _________ )

Казань 2006


Оглавление

  1.  Введение.    ___________________________3
  2.  Теоретическая часть.  ___________________________4
  3.  Расчетная часть.   ___________________________9
  4.  Заключение.   ___________________________14
  5.  Использованная литература. ___________________________15


1. Введение.

При передаче сигнала S(t) по каналу связи на него воздействуют различные шумы n(t). Это означает, что принятый сигнал Z(t) отличается от переданного сигнала S(t). Функция приемника заключается в нахождении переданного сигнала S(t) по принятому сигналу Z(t)=S(t)+n(t). Для этого были найдены методы оптимального приема сигналов. Они позволяют уменьшить вероятность ошибки на выходе.


2. Теоретическая часть.

Пусть дискретные сообщения закодированы двоичным кодом. При их передаче используются реализации сигнала s(t,bi), соответствующие кодовым символам b0=0; b1=1; где i=0;1; 0<t<T. Это означает, что полезный сигнал имеет две реализации, изменяется во времени и действует на промежутке времени (0;Т). Будем считать, что реализации сигнала постоянны на отрезке времени (0;Т), например: s1=5 мВ; s2=7 мВ. При прохождении через линию связи с сигналом складывается случайный шум n, имеющий нормальное (гауссовское) распределение плотности вероятности:

.

где m - математическое ожидание (у шума оно равно 0); - среднеквадратическое отклонение (2 определяет мощность шума).

Из теории вероятностей известно [1], что если входной сигнал z есть сумма постоянного сигнала s0 или s1 и случайного шума n, то z - случайная величина, распределенная нормально с математическим ожиданием m=s0 или m=s1 и среднеквадратическим отклонением . Два нормальных распределения плотности вероятности величины z - w0 и w1 при действии сигналов s0 и s1 соответственно показаны на рисунке рис.1. Здесь w0 - левая кривая; w1 - правая кривая.

Таким образом, на вход приемника поступает входной сигнал z=si+n, (i=0;1) который из-за действия шума n не совпадает в точности ни с одним из переданных сигналов si. В этом случае приемное устройство должно выбрать одну из двух взаимоисключающих гипотез:

Гипотеза H0: Передавался символ b0, т.е. был сигнал s0;

Гипотеза H1: Передавался символ b1, т.е. был сигнал s1.

Возникает вопрос, на каком основании приемник должен делать выбор в пользу одной из гипотез? Очевидно, что надо отдать предпочтение гипотезе H0, если входной сигнал z расположен ближе к s0, чем к s1, и наоборот, если z ближе к s1, то верна гипотеза H1.

Рис.1.1 Сигнально-шумовая ситуация и граница принятия решения.

Степень близости сигналов z и si, определяется по-разному, в зависимости от различных критериев качества принятия решения. Применение того или иного критерия зависит от полноты наших знаний о сигнале и шуме, а сами критерии определяют на множестве значений z положение некоторой границы U, задающей правило принятия решения. Если U известна, то при получении любого сигнала z<U принимается решение в пользу s0, если же z>U, то принимается решение, что был передан сигнал s1. Сказанное проиллюстрировано на рисунке. Здесь величина U представлена двумя значениями для разных правил принятия решения, о которых сказано ниже. Граница U1 определена для критерия максимального правдоподобия; U2 - для критерия максимума апостериорной вероятности.

Рассмотрим критерии качества более подробно и начнем с критерия максимального правдоподобия. Пусть мы знаем только плотности распределения вероятностей w0 и w1 (см. рис.). Тогда в качестве границы принятия решения U берут точку на оси z, в которой w0(z)=w1(z) или:

.

Данный критерий носит название критерия максимального правдоподобия, а выражение w0(z)/w1(z) называется отношением правдоподобия. Если при этом окажется, что z<U, то w0(z)>w1(z) и более правдоподобна будет гипотеза H0 (был сигнал s0). Если же z>=U, то w0(z)<=w1(z) и правдоподобнее будет гипотеза H1 (был сигнал s1). Таким образом, правило принятия решения по критерию максимального правдоподобия будет выглядеть:

,

где H0 и H1 - принимаемые гипотезы.

Для этого критерия предполагается, что сигналы s0 и s1 возникают с одинаковой частотой, т.е. вероятности передачи сигналов s0 и s1 равны 0,5; Р(s0)=Р0=0,5; Р(s1)=Р1=0,5. Эти вероятности называются априорными (доопытными) вероятностями возникновения сигналов s0 и s1.

Критерий максимума апостериорной вероятности. Пусть априорные вероятности не равны между собой и известны, например, Р0=0,7, а Р1=0,3. Это случай критерия максимума апостериорной вероятности. В соответствии с этим критерием правило принятия решения формулируется так: верна гипотеза H0, если

где Р(si|z) - апостериорная (послеопытная) вероятность того, что был передан сигнал si при условии прихода на вход сигнала z. Таким образом, будет принята та гипотеза, при которой апостериорная вероятность будет максимальна. Согласно известной формуле Байеса из теории вероятностей [1] апостериорная вероятность:

,

где wj - плотности вероятности, показанные на рисунке (i=0,1); Рi) - априорные вероятности передачи сигнала si - Р0 и Р1.

Подставим последнюю формулу в предпоследнюю и учтем, что w(z) в знаменателе одинакова в обеих частях неравенства и ее можно сократить. Тогда получим:

 

или в другой форме, через отношение правдоподобия:

.

Таким образом, при критерии максимума апостериорной вероятности, как и при критерии максимального правдоподобия, отношение правдоподобия сравнивается с некоторым порогом (но уже другим), и по результатам сравнения принимается решение в пользу той или иной гипотезы. Однако в этом случае, кроме плотностей распределений w0 и w1, необходимо знать еще и априорные вероятности передачи того или иного сигнала. В результате при использовании данного критерия мы будем иметь меньшую среднюю ошибку принятия решения в длинной серии испытаний, чем для критерия максимального правдоподобия.

Необходимо отметить, что в реальном приемнике плотности вероятности не вычисляются. С их помощью определяется граничное значение U, при котором отношение правдоподобия равно порогу соответствующего критерия качества. Это пороговое значение и используется затем в приемнике. Пришедший сигнал сравнивается со значением U и по результатам сравнения принимается решение.

Критерий минимума среднего риска. Этот критерий применяется, когда необходимо учесть различные последствия ошибок принятия решения. Он наиболее полно учитывает сведения о сигнале и шуме по сравнению с другими критериями и поэтому имеет наименьшую ошибку принятия решения.

Пусть, например, при передаче сигнала si был принят сигнал sj*. При ij (i=0;1 и j=0;1) имеет место ошибка. Чтобы учесть неравноценность различных ошибок, свяжем с каждой из них некоторую величину Lij, называемую потерей или платой за риск при принятии решения. Правильному приему обычно приписывается нулевая потеря. Величину Lij следует понимать так: это плата за принятие решения что был передан сигнал sj в то время как на самом деле был передан сигнал si. Для каждого переданного сигнала si можно ввести т.н. условный средний риск:

,

где Р(sj|si) - апостериорная вероятность приема сигнала sj при условии, что на самом деле был передан сигнал si. Правило принятия решения в этом случае, выраженное через отношение правдоподобия будет выглядеть:

,

т.е. по сравнению с критерием максимума апостериорной вероятности изменился порог принятия решения на основе учета потерь. Данный критерий является наилучшим среди рассмотренных в смысле минимизации ошибок, так как он наиболее полно учитывает информацию о сигналах. При равенстве потерь он превращается в критерий максимума апостериорной вероятности, а при равенстве еще и априорных вероятностей - в критерий максимального правдоподобия.

Суммарная вероятность ошибки при принятие решения Pош. Пусть мы имеем входной сигнал z=10 мВ, и приемник работает по критерию максимального правдоподобия, т.е. используется граница U1. В нашем случае z<u1 и будет принять решение о передаче сигнале s0. однако из рисунка видно, что сигнал z такоq величины мог иметь месть и при передаче w0 в той же точке. Площадь под кривой w1 на промежутке от - до U1 равна вероятности принятия ошибочного решения s0 вместо s1.вычислим эту вероятность интегрированием:

,

где P01 – вероятность ошибочного решения «S0», когда на самом деле был сигнал Si. Этот интеграл можно вычислить приближенно известными численными методами (метод прямоугольников, трапеций, парабол). Предел «-» можно заменить на «m1-3», т.к. известно, что вероятность попадания случайной величины в интервал от m1-3 до m1+3 составляет более 98% для нормального распределения. Вероятность ошибки другого рода P01, когда присутствует сигнал S0, а приемник выдает решение «S1», вычисляется аналогично:

Взвешенная сумма вероятностей этих ошибок и есть суммарная вероятность ошибки Pош:

,

где  - весовой коэффициент при слагаемом P01;  - весовой коэффициент при слагаемом P10. P0 и P1 – априорные вероятности появления сигнала S0 и S1 соответственно.

В случае критерия максимума апостериорной вероятности (плата за риск Lij неизвестны) полагаем, что они равны между собой, поэтому  и . В случае критерия максимального правдоподобия также пологам равным между собой и априорные вероятности P0=P1=0,5. Если для одной и той же сигнально-шумовой обстановки (m0=const; m1=const; =const) вычислять Pош для разных критериев качества, то мы увидим, что для критерия максимального правдоподобия вероятность ошибки будет наибольшей по сравнению с другими критериями, а для критерия минимума среднего риска наименьше.


3. Расчетная часть. Задание №20.

Дано:

На фоне аддитивной полигауссовой помехи с распределением wп(u)=q1N{m1,1}+q2N{m2,2} ведется прием полезного сигнала wc(u)=N{mc,c}. Априорная вероятность возникновения сигнала - 0.6. Решение о наличии сигнала принимается по методу максимума апостериорной вероятности. q1=0.3; q2=0.7; m1 =5В; m2, =10В; 1=2В; 2=3В mс =8В; с=1.2В.

Задание:

  1.  Построить графики wп и wcп и алгоритм принятия решения.
  2.  Определить зоны принятия решений для методов максимального правдоподобия и максимума апостериорной вероятности.
  3.  Определить суммарные ошибки для двух методов.

Решение:

Так как помеха аддитивная полигауссовская, то распределение плотности вероятности будет выглядеть:

.

где:  q1=0,3В;

q2=0,7В;

m1=5В;

m2=10В;

1=2;

2=3.

График распределения представлен на Рис.3.1

Рис.3.1 распределение плотности вероятности wп 

Для того, чтобы построить график wcп, необходимо наложить шум wп на сигнал wc

По условию сигнал распределен по нормальному закону:

где:  mс=8В;

с=1,2.

По условию помеха аддитивная полигауссовская:

где:  q1=0,3В;

q2=0,7В;

m1=5В;

m2=10В;

2=2;

1=3.

График распределения представлен на рис.3.2

Рис.3.2 распределение плотности вероятности wСП

Рис.3.3Алгоритм принятия решения для критерия максимума апостериорной вероятности


Определим зоны принятия решения для метода максимального правдоподобия.

В качестве границы принятия решения U1 берем точку на оси z, в которой wsп(z)=wп(z) или:

.

Определим границу принятия решения на графике на рис.3.4. Видим, что данное условие для границы U1 выполняется в точке z=12,5мВ.

Рис.3.4 График принятия решения по критерию максимального правдоподобия

Определим зоны принятия решения для метода максимума апостериорной вероятности.

В качестве границы принятия решения U2 берем точку на оси z, в которой вероятность возникновения помехи Pn=Р–Ps=1-0,6=0,4. В точке z=10мВ выполняется условие для границы U2.

Рис.3.4 График принятия решения по критерию максимума апостериорной вероятности

Определим суммарные ошибки для критериев максимального правдоподобия и максимума апостериорной вероятности.

Суммарная вероятность ошибки Pош:

,

В случае критерия максимума апостериорной вероятности  и .

В случае критерия максимального правдоподобия равны между собой априорные вероятности PN=PSN=0,5 и  и .

;  


4. Заключение

Таким образом, мы построили графики wп и wcп и алгоритм принятия решения, а также определили зоны принятия решений для методов максимального правдоподобия и максимума апостериорной вероятности и нашли суммарные ошибки для двух методов.


5. Использованная литература.

  1.  Зюко А.Г. и др. Теория передачи сигналов. -М.: Радио и связь, 1986.
  2.  Кловский Д.Д., Шилкин В.А. Теория электрической связи. -М.: Радио и связь, 1990.
  3.  Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники Т2. -М.: Советское Радио, 1975.
  4.  Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1969.
  5.  Седов С.С. Курс лекций. Оптимальный прием сигнала.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43485. Организация работы вагоносборочного участка по ремонту цистерн для перевозки спирта 466 KB
  Особое внимание уделяется оптимизации межремонтных периодов и сроков службы вагонов повышению качества ремонтных работ внедрению новых и совершенствование существующих форм организации производства созданию поточноконвейерных линий по ремонту вагонов и их отдельных частей. Большое внимание уделяется развитию технической базы для текущего ремонта вагонов. Создаются крупные механизированные пункты подготовки вагонов к перевозкам совершенствуется работа пунктов технического обслуживания расположенных на сортировочных и участковых станциях....
43486. Оптимизация портфеля ценных бумаг 609.5 KB
  Краткое описание задачи Портфель ценных бумаг. При инвестировании в ценные бумаги обычно инвестор сталкивается с различными целями инвестирования. Поэтому лицу осуществляемому инвестиции на рынке ценных бумаг сложно выбрать объект инвестирования так как вложения в отдельные активы имеют высокую доходность а соответственно и высокий риск либо относительно невысокий риск и низкую доходность. Для достижения оптимального соотношения доходности и риска инвесторы формируют портфель ценных бумаг содержащий в себе различные виды ценных...
43487. Птенцы гнезда Петрова 108.5 KB
  Содержание Введение Жизнь Петра I Оценка личности Петра Великого Оценка реформ Петра Птенцы гнезда Петрова Лефорт Франц Яковлевич Меншиков Александр Данилович Шереметев Борис Петрович Ромодановский Федор Юрьевич Брюс Роман Вилимович Заключение...
43488. АНАЛИЗ НАЛОГОВЫХ ОБЯЗАТЕЛЬСТВ ООО «ПРОФМЕДИА ФИНАНС» 293 KB
  Целью налогового учета является формирование полной и достоверной информации о порядке учета хозяйственных операций а также обеспечение информацией внутренних и внешних пользователей обеспечивающей контроль за правильностью исчисления полнотой и своевременностью уплаты в бюджет налога. В главе 25 НК РФ нашли отражение следующие принципы ведения налогового учета: принцип денежного измерения т. 271 272 НК РФ; принцип последовательности применения норм и правил налогового учета т. нормы и правила налогового учета должны применяться...
43489. Информационно-поисковая система веб-форума 402 KB
  Сортировка производится согласно выбранному алфавиту (по умолчанию используется шведский). Эту установку можно изменить при запуске сервера MySQL. Чтобы ознакомиться с примером очень грамотной сортировки, можно обратиться к коду сортировки для чешского языка. MySQL поддерживает много различных кодировок, которые можно задавать во время компиляции и в процессе работы.
43490. ГРАЖДАНСКОЕ ПРАВО. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 183 KB
  Общая характеристика договора розничной куплипродажи. Понятие договора розничной куплипродажи Элементы договора розничной куплипродажи. Виды договора розничной куплипродажи. Содержание договора розничной куплипродажи Обязанности продавца.
43491. ИСТОРИЯ ГОСУДАРСТВА И ПРАВА. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 72.5 KB
  При разработке темы курсовой работы следует использовать материалы учебников и учебных пособий по курсу соответствующей дисциплины дополняя их при необходимости сведениями из смежных юридических история государства и права России история политических и правовых учений римское право конституционное право административное право международное право и др. Основные черты древневосточного права Древнегреческий полис как форма античной государственности. Источники римского права.
43492. ИСТОРИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ГОСУДАРСТВА И ПРАВА. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИ 76 KB
  При написании курсовой работы студент овладевает навыками работы с источниками специальной литературой учится приемам самостоятельного творческого исследования. Ответственность за достоверность данных содержащихся в работе и за соответствие ее требованиям несет автор исполнитель курсовой работы. Алгоритм написания курсовой работы выглядит следующим образом: Шаг первый выбор темы.
43493. Информационная система Оценка оплаты отгруженного товара 2.45 MB
  В справочнике заказчиков хранятся данные о заказчиках: их наименованиях кодах адресах и датах заключения договоров. Условно постоянная информация Форма. Справочник готовой продукции Наименование изделия Код изделия Единица измерения Код единицы измерения Цена за единицу руб. 1 18 Форма 2 Данные о заказчиках взяты из договоров Наименование заказчика Код заказчика Адрес Дата заключения договора Магазин В школу 501 Ул.2010 Оперативно учетная информация Форма 3 Данные об отгрузке товаров из ТТН № ТТН Дата отгрузки Код заказчика...