ฉันจะเพิ่ม AWGN ในสัญญาณ I และ Q ได้อย่างไร?


16

ฉันมีระบบสื่อสารไร้สายที่ฉันจำลองใน Matlab ฉันกำลังทำการลายน้ำผ่านการปรับเฟสของสัญญาณที่ส่งเล็กน้อย การจำลองของฉันใช้ค่า I (inphase) และ Q (quadrature) ดั้งเดิมและเพิ่มในลายน้ำ ฉันต้องจำลองอัตราความผิดพลาดของบิตที่เกิดขึ้นหลังจากถูกส่ง สำหรับตอนนี้ฉันแค่ต้องเพิ่มสัญญาณรบกวนความร้อนจำนวนมากในสัญญาณ

เนื่องจากฉันมีสัญญาณที่แสดงเป็นช่อง I และ Q มันจะง่ายที่สุดในการเพิ่มAWGN (เสียงรบกวนแบบเกาส์สีขาวเสริม) ลงใน I และ Q โดยตรง หนึ่งความคิดคือการเพิ่มเสียงให้กับทั้งสองช่องอย่างอิสระ แต่ปรีชาญาณของฉันบอกฉันว่านี่ไม่เหมือนกับการเพิ่มไปยังสัญญาณโดยรวม

ดังนั้นฉันจะเพิ่มเสียงรบกวนเมื่ออยู่ในฟอร์มนี้ได้อย่างไร


อาจช่วยได้มากขึ้นถ้าคุณสามารถให้รายละเอียดของระบบการสื่อสารที่คุณกำลังจำลอง
Rajesh Dachiraju

1
ฉันจะสมมติว่าคุณเพียงแค่สร้างเสียงสำหรับฉันและ Q แล้วเพิ่มพวกเขา ฉันไม่เห็นว่าทำไมเสียงจะมีความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสอง
endolith

1
@ endolith ความแตกต่างของเสียงจะปรากฏในมิกเซอร์เท่านั้นนอกจากนั้นควรแบ่งปันสัญญาณเสียงด้วย
Kortuk

คุณกำลังบอกว่าคุณต้องการเพิ่มลงในสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือไม่?
Phonon

@phonon คุณหมายความว่าอย่างไรกับมัลติเพล็กซ์
Kortuk

คำตอบ:


14

ใช่คุณสามารถเพิ่ม AWGN ความแปรปรวนแยกแต่ละสองแง่เพราะผลรวมของสอง Gaussians ยังเป็นแบบเกาส์และผลต่างของพวกเขาเพิ่มขึ้น สิ่งนี้จะมีผลเช่นเดียวกับการเพิ่ม AWGN ของความแปรปรวน2 σ 2ให้กับสัญญาณดั้งเดิม ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายเพิ่มเติมหากคุณสนใจσ22σ2

สัญญาณการวิเคราะห์สามารถเขียนได้ในองค์ประกอบในเฟสและการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสเป็นx(t)=a(t)sin(2πft+φ(t))

x(t)=I(t)sin(2πft)+Q(t)cos(2πft)

ที่และQ ( T ) = ( T ) บาป( φ ( T ) ) หากคุณต้องการเพิ่ม AWGN ไปยังสัญญาณดั้งเดิมของคุณเป็นx ( t ) + u ( t )โดยที่คุณ( t ) N ( μ , σ 2I(t)=a(t)cos(φ(t))Q(t)=a(t)sin(φ(t))x(t)+u(t)u(t)N(μ,σ2), then you can add AWGN to each of the terms as

y1(t)=[I(t)sin(2πft)+v(t)]+[Q(t)cos(2πft)+w(t)]

where v(t),w(t)N(μ/2,σ2/2)

Also note that because the in-phase and quadrature terms are additive, the AWGN can also be simply added to either of the two terms in the IQ representation of x(t) above. In otherwords,

y2=I(t)sin(2πft)+[Q(t)cos(2πft)+u(t)]
y3=[I(t)sin(2πft)+u(t)]+Q(t)cos(2πft)

are statistically equivalent to y1, although I prefer using y1 because I don't have to keep track of which component has noise added to it.


Since the signal has the noise it seems the noise would show up on both channels with the original magnitude but affected by the mixing process. I would think that the mixing process would affect the noise much more then addition of subtraction by splitting the signal.
Kortuk

1
Of course, if you had noise in the signal to begin with and then split it into its I-Q components, each will have noise associated with it. However, OP is talking about simulating it in MATLAB and he has the I and Q parts separately and wants to know how to add noise to these so as to simulate adding noise to the original signal.
Lorem Ipsum

good answer with lots of details, but fails to concisely answer the basic question -- OP: Ignore your intuition; adding WGN on the real axis with WGN on the imaginary axis results in complex WGN. Remember to scale by 3dB since variance of sum is double that of parts (stdv2 = 1.413 stdv1 )
Mark Borgerding

2
@Yoda, you've got all the data, but you make the reader read through many equations before getting to the answer. I merely suggest putting your bolded part first, then provide the supporting details.
Mark Borgerding

1
@yoda, I was tired when I read this. Your answer is very astute. Thank you for taking the time!
Kortuk

5

Kellenjb has not responded to queries from Rajesh D and endolith, and it is not easy to figure out what exactly he needs. But since I disagree with some of the details of the Answers given by yoda and Mohammad, I am posting a separate answer, where, with due apologies to Mark Borgerding, all the useful stuff appears at the very end after all the boring equations.

In a typical communication system, the incoming signal is a bandpass signal of bandwidth 2B at center frequency fcB Hz and can be expressed as

r(t)=I(t)cos(2πfct)Q(t)sin(2πfct)
where I(t) and Q(t) are low-pass signals of bandwidth B Hz and are referred to as the in-phase and quadrature components. Note the difference in signs and terminology from yoda'a writing: this way we can write
r(t)=Re{[I(t)+jQ(t)]ej2πfct}
where I(t)+jQ(t) is the complex baseband signal.

A local oscillator in the receiver generates signals 2cos(2πfct+θ) and 2sin(2πfct+θ) but we assume perfect synchronization for simplicity so that the phase error θ=0. I(t) and Q(t) are recovered through two mixers (multipliers) and low-pass filters:

r(t)[2cos(2πfct)]=I(t)[2cos2(2πfct)]Q(t)[2sin(2πfct)cos(2πfct)]=I(t)+[I(t)cos(2π(2fc)t)Q(t)sin(2π(2fc)t)]r(t)[2sin(2πfct)]=I(t)[2sin(2πfct)cos(2πfct)]+Q(t)[2sin2(2πfct)]=Q(t)+[I(t)sin(2π(2fc)t)Q(t)cos(2π(2fc)t)]
where the double frequency terms (in square brackets) are eliminated by the low-pass filters which we assume to have sufficient bandwidth to pass I(t) and Q(t) without distortion.

Broadband noise is present in the front end of the receiver and the key questions that need to be answered are what happens in an actual receiver, and what must be done to simulate the reality.

  • In an actual system, the net result is that the outputs of the low-pass filters are
    x(t)=I(t)+NI(t)y(t)=Q(t)+NQ(t)
    where NI(t) and NQ(t) are independent zero-mean Gaussian random processes with common variance
    σ2=N02|H(f)|2df
    where H(f) is the common transfer function of the low pass filters. In particular, for each t0, NI(t0) and NQ(t0) are independent zero-mean Gaussian random variables with variance σ2. However, NI(t0) and NI(t1) need not be independent. The SNR can be taken to be the ratio of the signal power in I(t) and Q(t) to the noise variance.
  • In a quadrature down-sampling system or in a MATLAB simulation wishing to capture every nuance, "r(t)+  noise" is sampled M times each cycle of the RF carrier at fc Hz, and so the m-th sample is
    r[m]=r(m/Mfc)+N[m]=I(m/Mfc)cos(2π(m/M))Q(m/Mfc)sin(2π(m/M))+N[m]
    where the N[m]'s zero-mean Gaussian random variables with common variance whose value depends on the SNR. These can be tracked through the mixers and the low-pass filters during the detailed simulation.
  • I do not recommend adding noise between the mixer outputs and the low-pass filter units. While there is noise introduced at that stage, this is typically overwhelmed by the noise from the front end that is coming through the mixers.
  • In some systems, A/D conversion is done at the output of the low pass filters. If more filtering is to be done (e.g. matched filtering), the sampling will typically be at a higher rate than B1 or the inverse of the filter bandwidth. If noise is introduced at this stage, then for each m, NI[m] and NQ[m] should be taken to be independent zero-mean Gaussian random variables, but whether NI[m] and NI[m+i] are independent or not requires a lot of thought and analysis, and details that are known to Kellenjb but not to us.

Thanks, Dilip. Nice detailed, practically-focused answer.
Jason R

-2

Kellenjb,

The noise in both the I and Q are not in fact going to be gaussian. In fact they are going to originate from the same original noise vector. This is because there was only one noise vector to begin with at the receiver. So what is happening, is your signal comes into the receiver, where AWGN is added of course. Soon afterwards though, the receiver is going to project that (signal + noise) onto a sin basis, and onto a cosine basis, thereby giving you your I and Q components.

So now the noise in either branch is no longer gaussian, but are in fact, the product of a sin basis times orignal noise vector, and product of cosine basis times original noise vector.

The way I would recommend to simulate this, (are you doing all of this in baseband?), is to simply construct a sin and cosine basis, and simply multiply against (signal+noise), where 'signal' is your original signal of course, and then of course take it down to baseband after that. In fact once you filter for taking it down to baseband, your noise vectors are going to be non-white, and non-gaussian.

Hope this helps! :)

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.