3. Odbiór optymalny sygnałów cyfrowych

3.2. Realizacje odbiornika optymalnego

Zasadę optymalnego odbioru w transmisji binarnej (wzór 37) można przepisać w taki sposób, aby odnosiła się do sygnałów ciągłych:

\int_0^T[v(t)-s_1(t)]^2dt

\int_0^T[v(t)-s_1(t)]^2dt\geq\int_0^T[v(t)-s_0(t)]^2dt⇒"0"

(38)

Pierwszy wiersz (38) można przepisać w następującej postaci:

\int_{0}^{T}{v^2(t)dt-2}\int_{0}^{T}{v(t)s_1(t)dt+\int_{0}^{T}{s_1^2(t)dt\

a następnie uprościć i podzielić stronami przez (-2):

\int_{0}^{T}{v(t)s_1(t)dt-\frac{1}{2}\int_{0}^{T}{s_1^2(t)dt}} >\int_{0}^{T}{v(t)s_0(t)dt-\frac{1}{2}\int_{0}^{T}{s_0^2(t)dt}}\Rightarrow"1" (39)

Wzór (39) przedstawia zasadę działania odbiornika optymalnego w układzie korelatora – rys.36. 

Rysunek 36 Odbiornik optymalny kodu binarnego w układzie korelatora

Istotnie, całka \int_{0}^{T}{v(t)s_1(t)dt} przedstawia korelację sygnału odebranego z jednym z symboli.  Z kolei E_1=\int_{0}^{T}{s_1^2(t)dt\ } jest energią symbolu.
Wzór (39) można przepisać w nieco inny sposób:

\int_0^Tv(t)[s_1(t)-s_0(t)]dt>\frac12E_1-\frac12E_0\ ⇒\ "1" (40)

Jeśli korelacja sygnału odebranego v(t) z sygnałem różnicowym p(t)=s_1(t)-s_0(t) przekracza próg decyzyjny \frac{1}{2}E_1-\frac{1}{2}E_0 , wówczas podejmujemy decyzję, że odebrany sygnał jest zaszumionym sygnałem s_1(t). W przeciwnym wypadku uznajemy ten sygnał za s_0(t). Schemat zmodyfikowanego korelatora pokazano na rys.37. Korelację oznaczono przez y. 

 

Rysunek 37 Korelator z progiem decyzyjnym

Przy okazji warto zapoznać się z popularnym w teorii sygnałów pojęciem filtru dopasowanego. Układ obliczania korelacji (mnożenie i całkowanie na rys.37) można zastąpić filtrem dopasowanym do sygnału p(t). 
Z wyjścia filtru pobieramy próbkę pod koniec szczeliny czasowej przeznaczonej na odbiór symbolu – rys.38. Jest ona równa korelacji y z rys.37, co wynika z następujących przekształceń.

Rysunek 38 Odbiornik optymalny z filtrem dopasowanym

Odpowiedź impulsowa filtru wynosi h(t) = p(T-t). Sygnał wyjściowy filtru jest splotem sygnału wejściowego z odpowiedzią impulsową:

y(t)=v(t)\ast h(t)=\int_{-\infty}^{\infty}{v(\tau)h(t-\tau)d\tau}=\int_{-\infty}^{\infty}{v(\tau)p(T-t+\tau)d\tau}

Próbka sygnału y(t) pobrana w momencie t=T wynosi

y=y(t)\left|\begin{matrix}\ \\t=T\\\end{matrix}\right.=\int_{-\infty}^{\infty}{v(\tau)p(\tau)d\tau}=\int_{0}^{T}{v(\tau)p(\tau)d\tau} (41)

Kończy to dowód, że obliczanie korelacji można zastąpić filtracją dopasowaną.
Odbiornik przetwarzający próbki sygnałów (wzór 37), jak i odbiorniki przetwarzające sygnały ciągłe: wzór 38, rys. 26, rys.37, rys.38, realizują tę samą zasadę minimum odległości i są sobie równoważne. W szczególności oferują tę samą stopę błędów. Wynosi ona 

P_e=\frac{1}{2}erfc{(}\sqrt{\frac{E_{10}}{4\eta}\ \ \ }) (42)

gdzie E_{10}=\int_{0}^{T}{p^2(t)dt} jest energią sygnału różnicy p(t)=s_1(t)-s_0(t), h jest gęstością mocy szumu na wyjściu kanału, a erfc{(}x)=\frac{2}{\sqrt\pi}\int_{x}^{\infty}{exp{(}-u^2)du} jest tzw. komplementarną funkcją błędu. Jest ona silnie malejąca (rys.39), dlatego dążymy do jak największej wartości E10. Jest to oczywiste, gdyż energia E10 jest miarą różnicy między symbolami, która powinna być jak największa, jeśli mamy te sygnały rozpoznać w obecności szumu.  Pamiętajmy poza tym, że wzór (42) obowiązuje dla transmisji binarnej przy założeniu, że oba symbole pojawiają się z jednakowym prawdopodobieństwem.

Rysunek 39 Komplementarna funkcja błędu