115 年 國立臺灣大學電信工程學研究所乙組《通信原理》
第 1 題6 分
(1) Please illustrate the following terms:
(a) Gibb's phenomenon;
(b) Hilbert transform
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核心觀念
本題考查傅立葉分析中的兩個重要概念:傅立葉級數在不連續點附近的收斂特性,以及希爾伯特轉換所造成的相位改變。
(a)Gibbs 現象
將含有跳躍不連續的訊號以有限項傅立葉級數近似時,不連續點附近會出現振盪與超越現象,稱為 Gibbs 現象。增加級數項數會使振盪區域變窄,但最大超越量不會消失。
對跳躍大小為 的訊號,超越量約為
也就是跳躍幅度的約 。當傅立葉級數在不連續點收斂時,收斂值為左右極限的平均:
以振幅為 的方波為例,跳躍大小為 ,因此超越量約為 。有限項近似在跳躍附近會超過方波原有的 電平。
(b)希爾伯特轉換
希爾伯特轉換用來建立與原訊號正交的分量。其定義為
其中 表示柯西主值積分。
採用傅立葉轉換定義 時,希爾伯特轉換的頻域關係為
正頻率乘上 ,相位延遲 ;負頻率乘上 ,相位超前 。因此,希爾伯特轉換的頻率響應大小為 ,作用主要是改變相位。
解題方法
(a)說明 Gibbs 現象
判斷是否出現 Gibbs 現象,先看訊號是否具有跳躍不連續,再觀察有限項傅立葉級數近似在跳躍附近的波形。以方波為例,其傅立葉級數可寫成
第 2 題16 分
(2) Please determine
(a)
(b)
(c)
(d)
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核心觀念
本題主要考查:
-
狄利克雷積分
-
Parseval 型積分公式
-
正弦、餘弦乘積公式,以及不同頻率的正交性:
此式需採傅立葉廣義函數或頻率正交的意義理解。
解題方法與計算
(a)
題目為
套用狄利克雷積分公式,其中 :
因此
(b)
題目為
先提出常數:
使用公式
令 ,則
所以
因此
(c)
題目為
利用餘弦差角公式:
第 3 題12 分
(3) Please determine the inverse Z transforms of the following functions:
(It is OK to show only the causal solution).
(a)
(b)
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核心觀念
因果序列的常用反 轉換對為
其中 為單位階躍序列。分式可用部分分式展開;含對數的函數則可在收斂區域內使用泰勒級數,逐項對照 的係數。
解題方法
(a) 部分分式展開
令 ,先因式分解分母:
設
比較係數可得 、,因此
套用因果反 轉換對:
其收斂區域為 。
(b) 對數級數展開
使用
令 ,得
第 4 題16 分
(4) Suppose that is the continuous Fourier transform of .
(a) What is the Fourier transform of ? (where means taking the real part)
(b) What is the Fourier transform of ?
(c) Suppose that the bandwidth of is . Please estimate the bandwidth of .
(d) Continue in (c), how do we sample without aliasing effect?
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核心觀念
採用連續時間傅立葉轉換定義
本題運用時間縮放與位移、取實部的頻域關係、傅立葉轉換對偶性,以及時域相乘對應頻域摺積。以下依通信原理常用的基頻低通慣例,將 視為 的最高正頻率,單位為 Hz。
(a) 的傅立葉轉換
先令 。由時間縮放與位移性質,
利用取實部的頻域關係,
其中
因此
取實部會將頻譜與其共軛鏡射版本相加;時間縮放則將頻率軸伸展三倍。位移 帶來相位因子 。
(b) 的傅立葉轉換
由傅立葉轉換對偶性,
第 5 題12 分
Part 2: Principles of Communication
(Please simplify your answers as much as possible and write down detailed steps)
(5) In a fading channel the received signal is , where is a quadrature-amplitude modulation (QAM) signal and both the fading coefficient and noise are zero-mean complex-Gaussian distributed with variance .
(a) Please find the variance of the real part of .
(6%)
(b) Assume that . Also, the point is sent. The receiver knows the realization of . Please find the set of QAM constellation points having the largest pairwise error probability to under the maximum likelihood (ML) rule.
(6%)
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核心觀念
若複數高斯隨機變數 為零均值、圓對稱複數高斯,且 ,其實部與虛部具有相同變異數,且
在已知通道係數 的情況下,最大似然(ML)接收器選擇與接收訊號距離最近的星座點。兩個星座點之間的成對錯誤機率(pairwise error probability, PEP)隨其通道後距離增加而減小,因此最可能被誤判成的點,就是離傳送點最近的其他星座點。
解題方法
(a) 求 的變異數
由於 為零均值且圓對稱, 與 的變異數相同。利用 :
所以
(b) 找出對 成對錯誤機率最大的星座點
將星座點寫成座標 ,其中
第 5 題12 分
(c) Please use union-bound and Q-function to find the upper-bound of the symbol error probability of ML demodulator given realization . You can simplify the answer assuming P is high.
(d) Using the Q-function upper-bound , based on your simplified answer in (c), please find the upper-bound of the symbol error probability when is Chi-squared distributed with probability density function (PDF) .
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核心觀念
本題考查三個重點:
- 已知通道實現值 時,ML demodulator 的條件符號錯誤率。
- 以 union bound 將多符號錯誤事件上界化為成對錯誤機率總和。
- 通道衰落下,對 的機率密度函數取平均,得到平均符號錯誤率上界。
題目節錄未提供前文的星座定義,因此以下採用標準複數基頻模型:
其中 、,雜訊為
令星座中任兩個符號的歐氏距離為
最小符號距離為
解題方法:條件成對錯誤機率
當 已知時,ML 判決器選擇使下式最小的符號:
假設實際傳送 ,考慮誤判為 的成對錯誤事件。兩個接收訊號點之間的距離為
將雜訊投影到兩點連線方向後,成對錯誤機率為
其中 -function 定義為
(c) Union-bound 上界
對固定的傳送符號 ,錯誤事件可由所有成對錯誤事件聯集而成,因此由 union bound:
若共有 個等機率星座點,平均條件符號錯誤率為
由於 隨 遞減,而 ,可得到較簡潔的上界:
這是以最小距離取代所有符號間距離所得的保守 union bound。
高 時的簡化
當 很大時,錯誤主要來自最接近的鄰居,因此可只保留最小距離的鄰近符號。若每個符號平均有 個最近鄰居,則
若題目只要求以 個可能錯誤符號作上界,則答案為
第 6 題18 分
(6) Consider coding in a binary finite field. A 1-bit coded packet is sent at discrete time index , where message vectors and are and binary row vectors respectively while is binary coding vector. Let spaces be span and be span where is binary elementary basis with the -th element being 1. In noiseless channel, the receiver has knowledge space being span
(a) Let and where is the transpose. Find the rank at and where is set intersection.
(b) Continue from (a), find at and , where the linear sum space is the span of all vectors belong to set union .
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核心觀念
本題考查二元有限域 中的:
- 線性空間的 span 與維度(rank)
- 子空間交集
- 線性和空間
- 基底向量與線性獨立性
在 中,所有運算皆以模 進行,因此
令 表示第 個標準基底向量,則
代表前四個座標所形成的子空間;而
是整個 維二元向量空間。
接收端在時間 的知識空間為
解題方法
先將題目給定的 coding vectors 以標準基底表示:
由於 與 不相同,且在二元域中兩個非零向量只有相同時才線性相依,因此 線性獨立。
(a)計算
此時
因為 包含所有 維二元向量,所以
而 是非零向量,因此
所以
此時
由於 與 線性獨立,
同樣因為 是整個 ,
因此