109 年 國立臺灣聯合大學系統(清華、政治、陽明交通、中央四校聯招)研究所電機類《通訊系統(通訊原理)》
第 1. 題
(a) (4%) Explain why cannot be the autocorrelation function of a wide-sense stationary (WSS) random process .
(b) (6%) Below is a list of the analog modulation schemes for the transmission of message , where the transmission signal is modeled as . Provide what should be placed in the three blanks under column below.
| Modulations | |||
|---|---|---|---|
| DSB-SC | 0 | ||
| SSB | ((b1)) | Upper sideband transmission | |
| SSB | ((b2)) | Lower sideband transmission | |
| DSB-C (AM) | ((b3)) |
Note: DSB-C = Double-sideband with carrier, DSB-SC = Double-sideband with suppressed carrier, SSB = Single-sideband
(c) (6%) Suppose the oscillator at the receiver has a phase difference to the oscillator at the transmitter, and suppose the value of can be perfectly estimated via a separate low-power pilot tone. Show that we can demodulate and remove from for all the above four modulations by two product modulators and two lowpass filters as shown below.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
Note: You shall represent as a function of , and .
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核心觀念
本題考查三個重點:
- WSS 隨機程序自相關函數的必要條件。
- I/Q 複包絡表示法與 DSB-SC、SSB、DSB-C 的關係。
- 接收端載波存在相位差時,利用兩路正交乘法器與低通濾波器恢復同相分量。
題目使用的通訊信號表示式為
展開後得到
因此, 控制同相載波 ,而 控制正交載波 。
(a) 為何 不可能是 WSS 程序的自相關函數?
必要條件一:自相關函數必須為偶函數
對於實值 WSS 隨機程序,
交換兩個時間點可得
所以實值 WSS 程序的自相關函數必須滿足
但題目所給函數為
它是奇函數,不是偶函數,因此不可能成為實值 WSS 隨機程序的自相關函數。
必要條件二: 為零時,整個自相關函數必須為零
在 時,
題目給定
由於 ,且其期望值為零,必須有
幾乎處處成立。因此,此時對所有 都應有
然而題目函數在一般的 下並不為零,例如
同樣產生矛盾。
【答案】
原因包括:
- 自相關函數必須為偶函數,但 是奇函數。
- 代表程序的平均平方值為零,故自相關函數應處處為零,但題目函數並非如此。
(b) 求三個空格
令訊息訊號的 Hilbert transform 為
由信號表示式,
1. DSB-SC
DSB-SC 信號為
與一般形式比較:
這與題目表格已給內容一致。
2. SSB 上邊帶
若採用 Hilbert transform 定義
則 SSB 上邊帶信號為
與
比較可得
因此
3. SSB 下邊帶
SSB 下邊帶信號為
改寫成題目的標準形式:
因此
所以
4. DSB-C,也就是一般 AM
一般 AM 信號為
其中沒有正交分量,因此
所以
三個空格總結
快速判斷技巧
由於題目定義中正交項為
所以:
- 上邊帶的正交項是 ,故 。
第 2. 題
In the above diagram, we obtain that for sequence transmission ,
where , and "" is the convolution operation. Denote by , and the Fourier transforms of , and , respectively. The noise is zero-mean and white with power spectra density .
(a) (6%) If and the function satisfies
determine .
(b) (6%) Determine based on (1).
Hint: is the Fourier transform of .
(c) (6%) Determine the filter that maximizes the output signal-to-noise ratio (SNR) for given . You may suppose is transmitted, and examine the SNR of .
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核心觀念
本題考查三個通訊系統基本觀念:
- 零間隔失真(zero-ISI)與取樣值判讀:利用 在取樣時刻的特性,判斷輸出只保留某一個符號。
- 週期頻譜與取樣脈衝列的傅立葉轉換:利用 Poisson summation formula,將時域取樣後的頻譜表示成頻域週期複製。
- 匹配濾波器(matched filter):在白雜訊下,利用 Cauchy–Schwarz 不等式,使取樣時刻的訊號能量與雜訊能量之比最大。
題目中的雜訊取樣值可寫成
因此輸出為
(a) 求
已知 ,且
代入輸出式:
其中 只有在
時才等於 ,因此
其餘項皆為零,所以
這表示接收端在取樣時刻 所得到的是延遲 個符號後的資料。特別地,若 ,則
即完全沒有符號間干擾。
(b) 求
定義取樣後的訊號為
依題目提示,其傅立葉轉換為
另一方面,
週期脈衝列的傅立葉轉換為
時域相乘對應到頻域摺積,因此
整理可得
亦即
若使用 (a) 的條件,則 只有在 時等於 ,所以
因此
當 時,結果簡化為
(c) 最大化輸出 SNR 的濾波器
1. 取樣輸出中的訊號與雜訊
假設只傳送符號 ,並觀察 的輸出。此時訊號部分為
由 ,
因此
第 3. 題
Let , be real-valued orthonormal functions, and let for be real-valued signals. Define where denotes the transpose of the vector. (Note that .)
(a) (6%) Show that and .
Let be a real-valued Gaussian process with zero-mean and the autocorrelation function . Define, for , the random variables .
(b) (6%) Derive and for .
Now, assume , and that and .
Let .
Moreover, assume that we observe , with or , and a sample realization of the Gaussian process defined above.
(c) (3%) Find a smallest set of orthonormal functions such that for . Let and be vectors as defined above. Compute .
(d) (6%) Give a maximum likelihood (ML) decision rule for estimate of the signal in , and derive the error probability of the ML estimate , i.e., compute .
Please express in terms of the function
You may need the probability density function (pdf) of a Gaussian r.v. with zero mean and variance :
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核心觀念
本題考查:
- 正交基底下,連續時間訊號與其係數向量的內積等價性。
- 高斯過程經由正交函數投影後所得隨機變數的平均值與相關性。
- 訊號空間表示法與歐氏距離。
- 最大概似判決與錯誤機率。
特別注意:題目在 (c) 給出的 與 完全相同,因此兩個假設其實代表同一個訊號,導致訊號距離為零,ML 判決無法辨識「來源標號」,但估計出的「訊號波形」不會錯。
(a) 正交基底下的內積
已知
因此
展開後得到
因為 是正交歸一函數,
其中 是 Kronecker delta。故只有 的項保留:
而係數向量
所以
再考慮差值訊號:
由上述結果,
因此
(b) 高斯過程投影後的平均值與相關性
定義
平均值
由線性運算與 ,
交換期望值與積分:
因此
與 的相關性
對 ,
整理為雙重積分:
由自相關函數定義,
故
必須注意, 與 的正交性只涉及
但本題的相關性包含 ,因此一般不能直接推出 。只有在雜訊為白高斯雜訊等特殊情況下,投影後的不同分量才會不相關。
(c) 最小訊號空間與訊號距離
題目給定
且
因此
所有訊號只由一個波形構成,所以最小維度為 。取
先計算能量:
故
此函數已歸一化:
因此
第 4. 題
(This problem is a continuation of Problem 3, but can be solved independently.) Now, assume and consider the passband signals
for with , and an integer multiple of .
(a) (1%) Define orthonormal function , and specify with respect to the message points for .
(b) (3%) Draw a constellation of the message points , and label each with 2 bits using Gray mapping. Give the value of .
(c) (8%) Suppose that for some with probability for each , and a sample realization of as defined in Problem 3. Form a ML estimate of the signal , given ; derive the averaged probability of symbol error .
Hint: you may need erfc(.) and the pdf given in Problem 3(g).
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核心觀念
本題考查:
- 通帶訊號的正交基底表示。
- 一維訊號星座與 Gray mapping。
- 等機率訊號下的最大概似(Maximum Likelihood, ML)偵測。
- 最小歐氏距離 與符號錯誤率的關係。
- 將雜訊投影到訊號基底後,利用雜訊投影值的機率密度函數計算錯誤率。
令內積定義為
由於 是 的整數倍,因此
(a) 正交基底與訊息點
基底函數
定義
其能量為
所以 是單位能量的正交歸一基底。
原訊號為
因此
訊號 對 的座標為
由 ,四個訊息點為
亦可寫成一維向量形式:
(b) 星座、Gray mapping 與最小距離
四個訊息點位於同一條一維軸上:
相鄰訊息點之間的距離皆為
因此星座圖可表示為:
00 01 11 10
●-----------●-----------●-----------●
√E 3√E 5√E 7√E
採用 Gray mapping:
相鄰訊息點的標籤只相差一個 bit,符合 Gray mapping 定義。
最小歐氏距離為
因此
(c) ML 偵測與平均符號錯誤率
1. 雜訊投影
接收訊號為
將 投影到 ,得到充分統計量
因為
定義雜訊投影值
則
也就是說,原本的波形偵測問題可化成一維訊息點加上雜訊的判決問題。
2. ML 判決規則
由於四個訊號的先驗機率相同,皆為 ,因此 ML 偵測等同於最小距離判決:
四個訊息點依序為
相鄰訊息點中點就是判決門檻:
因此 ML 判決為
代入 ,即可求出每個訊息點的錯誤條件。
3. 各訊息點的條件錯誤率
傳送
當 傳送時:
正確判決條件為
因此
傳送
當 傳送時,正確條件為
整理得
所以
傳送
當 傳送時,正確條件為
第 5. 題
Consider binary data modulation at a carrier frequency of in a Rayleigh fading channel, given that the complex envelope of the received signal be written as , if the AWGN noise term (with power spectral density ) is not included, where is a NRZ waveform with an amplitude of 1 and with bit period , is a random amplitude with Rayleigh pdf , and is random phase uniformly distributed between 0 and .
(a) (4%) Find out the equation of the received signal and explain the effect of the channel on the received signal.
(b) (4%) Assume DPSK is used and given that the bit error probability of DPSK in AWGN as , prove that DPSK over a Rayleigh fading channel has an average bit error rate of , where is the average .
(c) (4%) If BPSK modulation is used instead, draw the block diagram of an L antenna space diversity receiver structure with a maximal ratio combiner and explain how it works.
(d) (4%) Following (c), prove that the maximal ratio combiner provides the largest SNR for data detection among all linear combining schemes.
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這題考察瑞利衰落通道下的接收信號模型、DPSK 在衰落信道下的錯誤概率推導、BPSK 的分集接收以及最大比值合併。
(a) 接收信號方程及通道效應
接收信號的複數包絡為 。
是 NRZ 波形,幅度為 1,位元週期為 。
是瑞利分佈的隨機幅度,。
是均勻分佈在 的隨機相位。
接收信號 的實部是 。
。
通道效應:
- 衰落 (Fading): 瑞利衰落通道對信號的影響是幅度 和相位 的隨機變化。
- 幅度衰落:幅度 遵循瑞利分佈。這意味著信號幅度會隨時間隨機變化,有時會顯著減弱,有時會保持較強。瑞利分佈通常用於描述信號在多徑傳播中,由於相干疊加效應而導致的信號強度隨機變化。
- 相位偏移:相位 的隨機變化會導致接收信號的相位隨機偏移。
- 多徑傳播 (Multipath Propagation): 瑞利衰落通常是多徑傳播的結果。信號經過不同的路徑傳播到達接收端,這些路徑的長度、衰減和相位都可能不同,最終疊加形成衰落信號。
- 幅度失真: 由於 的隨機性,接收信號的幅度會隨時間隨機變化,導致信號幅度失真。
- 相位失真: 由於 的隨機性,接收信號的相位會隨機偏移。
總結: 瑞利衰落通道的主要效應是導致接收信號的幅度 和相位 隨機變化,這會引起信號的衰落和相位失真。
【答案】
接收信號的方程為 。
通道效應包括信號幅度的衰落(幅度 隨機變化)和相位的隨機偏移(相位 隨機變化),這是多徑傳播的結果。
(b) 證明 DPSK 在瑞利衰落信道下的平均錯誤概率
在 AWGN 信道下,DPSK 的位元錯誤概率為 。
在瑞利衰落信道下,接收信號的信噪比 變為一個隨機變量。
令 。在瑞利衰落信道下, 是一個隨機變量。
DPSK 的錯誤概率是 。
平均錯誤概率是 。
我們需要知道 的分佈。
在瑞利衰落信道下,信號幅度 遵循瑞利分佈。
信號能量 與幅度 的平方成正比。
如果 是 NRZ 信號,幅度為 1,週期為 。
。
由於 (幅度為1), 。
。
信噪比 。
幅度 的 pdf 是 。
。
令 , . .
。
所以,平均信號能量 。
平均信噪比 。
我們需要計算 。
這需要 的 pdf。
。
的 pdf。令 。
for 。 (這是指數分佈)
。
。
。
令 。則 。
這是一個指數分佈,平均值為 。
現在計算平均錯誤概率:
。
這就證明了 DPSK 在瑞利衰落信道下的平均錯誤概率為 。
【答案】
證明過程如上所示。
(c) BPSK 的 L 天線空間分集接收器和最大比值合併
最大比值合併 (Maximal Ratio Combiner, MRC) 的塊圖:
MRC 的目標是將來自 L 個天線的信號進行線性合併,以最大化輸出信號的信噪比 (SNR)。
對於 BPSK 信號,接收到的信號是 ,其中 是天線索引。
是 BPSK 信號, 是衰落因子 (複數), 是加性高斯白雜訊。
在 BPSK 中, 是 或 。
塊圖結構:
- L 個接收分支: 每個天線 對應一個接收分支。
- 每個分支的解調/濾波: 每個分支進行解調或濾波,得到一個信號估計 和雜訊估計 。
- 權重計算: 根據每個分支的信號質量(SNR),計算一個合併權重 。
- 加權合併: 將每個分支的信號估計 乘以對應的權重 ,然後求和,得到最終的合併信號 。
MRC 的權重計算:
對於 MRC,權重 與衰落因子 和雜訊功率譜密度 有關。
最優權重是 (其中 是 的複共軛)。
如果雜訊功率譜密度相同 (),則 。
權重與衰落因子 的共軛成正比。
工作原理:
MRC 通過給每個接收分支分配一個權重來工作。權重的大小與該分支接收到的信號強度成正比,與該分支的雜訊功率成反比。
具體來說, MRC 會估計每個通道的衰落因子 (包括幅度和相位)。然後,它會將每個接收信號乘以其通道衰落因子的共軛 。這相當於對每個信號進行相位補償和幅度加權。
最後,將所有加權後的信號相加。
這樣做的目的是:
- 相位補償: 乘以 可以補償通道引入的相位偏移。
- 幅度加權: 乘以 (即 ) 可以增強來自較強通道的信號,同時減弱來自較弱通道的信號。
- 雜訊抑制: 權重反比於雜訊功率,可以抑制雜訊。
最終合併的信號將具有最大的 SNR,因為它優化了信號成分的疊加(通過相位補償和幅度加權)並最小化了雜訊的疊加效應。
塊圖:
第 6. 題
Consider a (7,4) systematic cyclic code (a codeword consists of 4 message bits on the left and 3 parity bits on the right) generated by a generator polynomial .
(a) (3%) Prove that is a primitive polynomial.
(b) (4%) Explain how the message bits 0111 is encoded into a systematic codeword.
(c) (5%) For a received codeword 0111011, explain how the syndrome is calculated. Explain why the syndrome can be used for error detection and comment on the reliability of this syndrome-based error detection method.
(d) (5%) Explain why the syndrome can also be used for error correction when there is only a single bit error in the received codeword.
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核心觀念
本題考查通道編碼(Channel Coding)中的循環碼(Cyclic Codes)與伽羅瓦域(Galois Field, )多項式運算,重點概念涵蓋:
- 本原多項式(Primitive Polynomial):階數為 的不可約多項式 ,其能整除 的最小正整數 為 。
- 系統性循環碼(Systematic Cyclic Code)編碼原理:將訊息多項式升冪 後除以生成多項式 ,所得餘式即為校驗多項式(Parity polynomial),構建出碼字 。
- 伴隨式(Syndrome)計算與錯誤偵測:接收多項式 除以 的餘式即為伴隨式 。由於有效碼字必可被 整除,故 。
- 單一錯誤更正(Single-Bit Error Correction):當 為本原多項式時,所有單一錯誤位置對應的伴隨式 皆相異且非零,形成一對一對應(One-to-one mapping),可精確定位錯誤位置並予以更正。
解題方法與詳細推導
(a) 證明 為本原多項式(Primitive Polynomial)
證明步驟:
-
證明 在 上為不可約多項式(Irreducible Polynomial):
的次數為 。若一個 次或 次多項式在 上可約,則其必含有一次因式(即必有根 或 ):由於 且 , 在 上無根,因此 為不可約多項式。
-
證明其週期(Period / Order)為 :
需驗證滿足 的最小正整數為 。在模 運算下(利用 ):由上述推導可知,使得 (即 )的最小正整數為 。
綜合以上兩點, 為本原多項式。
(b) 訊息位元 之系統性碼字(Systematic Codeword)編碼
已知 ,則校驗位元數 。
訊息位元為 ,對應之訊息多項式為:
編碼步驟:
-
升冪處理:
-
模 多項式長除法(除以 ):
- 商式
- 餘式(校驗多項式)
-
組合系統性碼字多項式:
對應之 位元碼字向量(最高次項在最左側,左邊 位元為訊息位元,右邊 位元為校驗位元):
(c) 接收碼字 之伴隨式計算、錯誤偵測原理與可靠度評估
- 伴隨式(Syndrome)計算:
接收向量 ,對應之多項式為: 伴隨式多項式 為 除以 的餘式: