108 年 國立中正大學電機工程學系碩士班信號與媒體通訊組《通訊原理》
第 1 題5 分
- To combat the effects of aliasing in practice, which of the following methods is correct?
(a) Use a high-pass filter to attenuate the in-band noise.
(b) The signal is sampled at a rate slightly lower than the Nyquist rate.
(c) Reduce the signal amplitude so that aliasing effect can be reduced.
(d) Use a low-pass filter to attenuate those high frequency components of the signal before sampling.
(e) None of the above.
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此題考察訊號取樣(Sampling)過程中,為避免或減緩がいびしんぐ(aliasing)現象所採取的預防措施。
核心觀念:
訊號取樣定理(Nyquist-Shannon Sampling Theorem)指出,若要無失真地重建一個頻寬為 的類比訊號,其取樣頻率 必須大於兩倍的最高頻率成分,即 。如果取樣頻率低於此值,則高頻成分會「折射」到低頻區域,產生がいびしんぐ現象。
選項分析:
(a) 使用高通濾波器(high-pass filter)主要用於濾除低頻雜訊,與がいびしんぐ的預防無直接關聯。
第 2 題5 分
- A PAM system produces the signal , where is the sampling period and is the message signal. Let be the Fourier transform of and be the Fourier transform of . Determine the Fourier transform of .
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) None of the above.
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核心觀念
本題考查脈波振幅調變(PAM)訊號的傅立葉轉換,以及等間隔取樣所造成的頻譜週期性複製。
連續時間傅立葉轉換定義為
PAM 訊號為
其中每個脈波 的振幅為取樣值 。
解題方法與推導
先對每一個位移脈波取傅立葉轉換:
因此
整理得
利用取樣函數的 Poisson summation formula:
代回可得
這表示:訊息頻譜 以取樣頻率 為週期重複,再乘上脈波頻率響應 ,並具有比例因子 。
選項分析
(a)
錯誤。脈波成形器 是對整個取樣訊號進行時間域卷積,因此在頻域中只需乘上 ,不是讓 也跟著每個頻譜副本平移。此外,公式也缺少 。
(b)
第 3 題5 分
- Let be the message signal and be the bandwidth of . The double-sideband suppressed carrier (DSB-SC) amplitude modulation has the modulated signal . Let the received signal be . Suppose we demodulate the received signal by first multiplying by a locally generated signal , and then passing the product through an ideal low pass filter with bandwidth . What will happen when ?
(a) The demodulated signal is zero.
(b) The demodulated signal has the maximum signal strength.
(c) The demodulated signal has the best signal-to-noise ratio.
(d) The demodulated signal has large frequency components.
(e) None of the above.
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此題考察雙邊帶抑制載波(DSB-SC)調變訊號的同步解調(Synchronous Demodulation)過程,特別是當載波相位不同步時的影響。
核心觀念:
- DSB-SC 調變:訊號 被乘以一個載波 ,得到 。
- 同步解調:接收到的訊號 (假設為 )與本地產生的載波 相乘,然後通過低通濾波器(LPF)以恢復原始訊號。
相乘結果為:
利用三角恆等式 :
第 4 題5 分
- For both FM and PM with sinusoidal message signal, we have . Let be the Bessel function of the first kind of order . What is the Fourier transform of ?
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) None of the above.
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核心觀念
本題考查正弦訊號進行角度調變(FM 或 PM)後的頻譜表示,核心工具為:
- Jacobi–Anger 展開式
-
餘弦函數的指數表示
-
傅立葉轉換基本對偶
因此
解題方法與推導
題目給定
先以 Bessel 函數展開其複指數形式:
因此
取實部後,得到時間域的 Bessel 展開:
對每一個餘弦項進行傅立葉轉換:
所以
這表示頻譜位於
及其負頻率位置,每條譜線的振幅與 成正比。
選項分析
(a)
第 5 題5 分
- Determine the power spectral density of .
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) None of the above.
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此題考察一個簡單的餘弦訊號的功率頻譜密度(Power Spectral Density, PSD)。
核心觀念:
訊號 的功率頻譜密度 與其傅立葉轉換 的關係為:
(對於能量訊號)
對於週期訊號,其傅立葉級數係數的平方和與功率有關。
然而,對於單一頻率的正弦訊號,其傅立葉轉換是兩個衝激函數。
訊號 。
我們知道 。
所以,。
對此訊號取傅立葉轉換:
。
第 6 題5 分
- A digital communication system generates the transmitted signal , where is an i.i.d. random process with , and is the symbol period. Define as the Fourier transform of . Determine the power spectral density of .
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) None of the above.
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核心觀念
本題考查線性脈衝振幅調變(PAM)訊號的功率頻譜密度(Power Spectral Density, PSD)。
訊號為
其中:
- 為獨立同分布符號;
- ;
- 為符號週期;
- 為脈衝波形 的傅立葉轉換。
對於隨機符號序列通過脈衝成形器 ,其 PSD 為
若符號平均值不為零,還可能在特定頻率產生離散譜線;本題中符號平均值為零,因此沒有額外的離散譜線。
解題方法與推導
1. 計算符號序列的平均值與變異數
符號平均值為
由於 只取 與 ,
因此變異數為
2. 符號序列的自相關
因為 彼此獨立且平均值為零,當 時,
當 時,
所以其離散時間自相關為
相對應的離散符號序列 PSD 為常數,即白色頻譜。
3. 通過脈衝成形器
每個符號經過 成形,頻域中會乘上 。功率頻譜密度會乘上系統頻率響應的平方大小:
由於符號率為
且符號變異數為 ,因此
所以正確的 PSD 為
第 7 題5 分
- Let be the Fourier transform of . Which of the following is a necessary and sufficient condition for to satisfy
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) None of the above.
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核心觀念
本題考查「時域等間隔取樣」與「頻域週期性頻譜疊加」之間的 Poisson summation formula。
若傅立葉轉換定義為
則取樣序列 的離散時間傅立葉轉換滿足
因此,若取樣值為
其離散時間傅立葉轉換就是
所以必須且充分滿足
亦即
解題方法
定義取樣後的離散序列
題目給定
其 DTFT 為
另一方面,連續時間訊號以週期 取樣後,頻域會產生間隔 的頻譜週期複本:
由於左側等於 ,得到
這正是選項 (b) 的形式。
此外,由於求和指標 遍歷所有整數,
只要令新的求和指標為 即可。因此 (a) 與 (b) 實際上完全等價。
選項分析
(a)
正確。
第 8 題5 分
- A binary communication system has the received signal for , where is the transmitted signal with , is the AWGN with power spectral density , and is the symbol period. Assume that the ML receiver is employed. Determine the bit error rate.
(a) , where
(b) , where
(c) , where
(d) , where
(e) None of the above.
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核心觀念
本題考查等先驗機率二元訊號在 AWGN 通道下,採用最大概似(Maximum Likelihood, ML)接收器時的位元錯誤率。
令兩個可能的傳送訊號為 與 ,其平方歐氏距離定義為
對於等先驗機率的二元訊號,ML 接收器等價於選擇距離接收訊號較近的訊號。其錯誤率公式為
其中 函數定義為
解題方法
設訊號差異為
ML 接收器比較兩個平方距離:
若接收到的訊號較接近 ,便判定傳送 ;否則判定為 。
將比較式整理後,可使用投影判決變數
其判決門檻為
假設實際傳送 ,則
因此
相較於判決門檻,訊號部分與門檻的差距為
AWGN 投影雜訊
為高斯隨機變數,其變異數為
因此,在傳送 時發生錯誤的機率為
第 9 題5 分
- Two signal vectors are employed for a binary communication system which are given by
The received signal can be represented as , where and is a 2-dimensional zero-mean Gaussian noise vector with for and . What is the bit error rate for the optimum detector?
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) None of the above.
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核心觀念
- 二元最佳偵測器(Optimum Detector for Binary Signals):
在等機率先驗條件()且為加性高斯白雜訊(AWGN)環境下,最大事後機率(MAP)準則等價於最大概似(ML)準則,最佳偵測器即為最小歐氏距離偵測器(Minimum Euclidean Distance Detector)。 - 位元錯誤率公式(Bit Error Rate, BER):
對於任意二元訊號向量 與 ,在雙邊功率譜密度為 的 AWGN 通道中,其位元錯誤率由兩訊號間的歐氏距離(Euclidean Distance) 唯一決定:
其中 為各維度高斯雜訊的標準差。 - 無關維度定理(Irrelevant Dimension / Sufficient Statistic):
若訊號向量在某一維度上的分量完全相同,該維度在判決時不提供任何區別資訊(Irrelevant Statistic),可予以忽略,問題等效於降維後的純量判決。
解題方法
本題可透過兩種視角推導:
方法一:幾何歐氏距離法(標準解法)
-
計算訊號向量間的歐氏距離 :
-
確定雜訊統計特性:
由題意可知,雜訊向量 為零均值高斯分佈,且:
-
代入二元對稱通道之錯誤率公式:
方法二:降維投影與純量判決法(物理意義驗證)
- 觀察接收訊號的兩維度分量:
- 第一維度:(無論發送 或 ,該維度訊號皆為 ,不具區別力)。
- 第二維度:
\begin{cases}
r_2 = +A + w_2, & \text{若發送 } s_1 \
r_2 = -A + w_2, & \text{若發送 } s_2
\end{cases}
$$
第 10 題5 分
- Under the same signal-to-noise ratio, which of the following binary modulation techniques has the best performance.
(a) Binary pulse position modulation.
(b) Binary frequency-shift keying.
(c) On-off keying.
(d) Binary phase-shift keying.
(e) None of the above.
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此題考察在相同訊號雜訊比(SNR)下,不同二元調變技術的效能比較。在數位通訊中,效能通常以位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)來衡量,BER 越低,效能越好。
核心觀念:
在 AWGN 通道下,對於相同的能量每位元(Energy per bit, )和相同的雜訊功率譜密度 (),不同二元調變技術的 BER 表現不同。通常,我們比較它們的 BER 公式,或者記憶其相對效能排序。
效能排序(從好到壞):
- BPSK (Binary Phase-Shift Keying):使用兩個反向的相位來表示二進位符號。其 BER 公式為 。
- BFSK (Binary Frequency-Shift Keying):使用兩個不同的頻率來表示二進位符號。其 BER 公式為 (相干接收)或 (非相干接收)。通常 BFSK 的效能比 BPSK 差。
- OOK (On-Off Keying):也稱為 ASK (Amplitude-Shift Keying),使用一個頻率的有或無來表示二進位符號。其 BER 公式為 。
第 1. (25%) 題25 分
- (25%) Consider the case of binary PAM signal over the AWGN channel with received signal .
where is the transmitted signal and is the AWGN with variance . The two
possible signal points are and , where is the energy per bit. The prior
probabilities are and .
(a) (10%) For the optimum detector, a threshold can be used to make decision on the
transmitted signal. If , the decision is made and if , the decision
is made. Determine the threshold .
(b) (15%) Given the optimum detector, what is the bit error probability?
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核心觀念
本題考查 AWGN 通道下二元 PAM 的最佳 MAP 偵測器,以及先驗機率不相等時的最佳決策門檻。
接收訊號為
其中雜訊 的變異數為 ,因此條件機率密度函數為
由於題目給定先驗機率 、,最佳偵測應採用 MAP 判決:
其中
(a) 最佳決策門檻
令
MAP 判決的分界點由兩個加權條件機率密度相等決定:
代入高斯機率密度函數:
兩邊取自然對數:
由
可得
因此最佳門檻為
由於 位於左側、 位於右側,且似然比會隨 增加而下降,因此正確的最佳判決方向是
題目敘述的「 判定為 、 判定為 」與所給信號點順序相反;若完全按照該方向,便無法形成最佳 MAP 偵測器。上述門檻是依照最佳偵測原理及題目給定的 所得。
(b) 位元錯誤率
雜訊標準差為
最佳判決規則為
總錯誤機率由兩種條件錯誤機率加權而得:
傳送 時的錯誤機率
當 時,
判定錯誤代表 ,因此
整理得
第 2 題25 分
- (25%) The discrete sequence , for represents the output sequence of samples from a demodulator, where are elements of one of two possible codewords and . The codeword is an all-one vector and has elements which are and elements which are , where is some positive integer. The noise sequence is white Gaussian with variance .
(a) (10%) What is the maximum-likelihood detector for the two possible transmitted signals?
(b) (10%) Determine the error probability as a function of the parameter .
(c) (5%) What is the value of that minimizes the error probability?
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查 AWGN 通道下的最大概似偵測(maximum-likelihood detection)與兩個訊號向量間的錯誤率。
接收向量可寫成
其中雜訊向量 的各分量獨立且服從
兩個可能的訊號向量為
以及
通常未特別說明先驗機率時,假設兩個碼字等機率傳送。
(a) 最大概似偵測器
1. 以距離最小化表示 ML 偵測
在 AWGN 下,接收向量的條件機率密度為
因此,最大概似準則等價於選擇距離較近的訊號:
也就是選擇 若
2. 展開距離比較
由於兩個碼字的能量相同,
展開平方距離:
共同項消去後,選擇 的條件為
因此
而兩個訊號只在第 至第 個位置不同:
所以偵測條件化為
因此 ML 偵測器為
等於零時的判定不影響錯誤率,因為連續型高斯隨機變數恰好等於零的機率為零。
(b) 錯誤機率
令不同位置的數目為
偵測統計量為
1. 傳送 時
在第 至第 個位置, 的元素全部為 ,因此
故
第 1. (25%) 題25 分
- (25%) Consider the case of binary PAM signal over the AWGN channel with received
signal
.
where is the transmitted signal and is the AWGN with variance . The two
possible signal points are and , where is the energy per bit. The prior
probabilities are and .
(a) (10%) For the optimum detector, a threshold can be used to make decision on the
transmitted signal. If , the decision is made and if , the decision
is made. Determine the threshold .
(b) (15%) Given the optimum detector, what is the bit error probability?
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查 AWGN 通道下二元 PAM 的最佳 MAP 偵測器,以及先驗機率不相等時的最佳決策門檻。
接收訊號為
其中雜訊 的變異數為 ,因此條件機率密度函數為
由於題目給定先驗機率 、,最佳偵測應採用 MAP 判決:
其中
(a) 最佳決策門檻
令
MAP 判決的分界點由兩個加權條件機率密度相等決定:
代入高斯機率密度函數:
兩邊取自然對數:
由
可得
因此最佳門檻為
由於 位於左側、 位於右側,且似然比會隨 增加而下降,因此正確的最佳判決方向是
題目敘述的「 判定為 、 判定為 」與所給信號點順序相反;若完全按照該方向,便無法形成最佳 MAP 偵測器。上述門檻是依照最佳偵測原理及題目給定的 所得。
(b) 位元錯誤率
雜訊標準差為
最佳判決規則為
總錯誤機率由兩種條件錯誤機率加權而得:
傳送 時的錯誤機率
當 時,
判定錯誤代表 ,因此
整理得
第 2 題25 分
- (25%) The discrete sequence , for represents the output sequence of samples from a demodulator, where are elements of one of two possible codewords and . The codeword is an all-one vector and has elements which are and elements which are , where is some positive integer. The noise sequence is white Gaussian with variance .
(a) (10%) What is the maximum-likelihood detector for the two possible transmitted signals?
(b) (10%) Determine the error probability as a function of the parameter .
(c) (5%) What is the value of that minimizes the error probability?
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
本題考查 AWGN 通道下的最大概似偵測(maximum-likelihood detection)與兩個訊號向量間的錯誤率。
接收向量可寫成
其中雜訊向量 的各分量獨立且服從
兩個可能的訊號向量為
以及
通常未特別說明先驗機率時,假設兩個碼字等機率傳送。
(a) 最大概似偵測器
1. 以距離最小化表示 ML 偵測
在 AWGN 下,接收向量的條件機率密度為
因此,最大概似準則等價於選擇距離較近的訊號:
也就是選擇 若
2. 展開距離比較
由於兩個碼字的能量相同,
展開平方距離:
共同項消去後,選擇 的條件為
因此
而兩個訊號只在第 至第 個位置不同:
所以偵測條件化為
因此 ML 偵測器為
等於零時的判定不影響錯誤率,因為連續型高斯隨機變數恰好等於零的機率為零。
(b) 錯誤機率
令不同位置的數目為
偵測統計量為
1. 傳送 時
在第 至第 個位置, 的元素全部為 ,因此
故