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基于蒙特卡罗 AWGN信道调制信号互信息(信道容量)

假设高斯白噪声信道:

z_{n}=a_{n}+w_{n}

a_{n}定义为实或者复离散信号,w_{n}表示均值为0,方差为\sigma^2(实信号)或者2\sigma^2(复信号),则SNR可以定义为:

SNR=\frac{E\{|a_{n}|^2\}}{E\{|w_{n}|^2\}}=\left\{\begin{matrix} \frac{E\{|a_{n}|^2\}}{\sigma^2}---real \ signal\\ \frac{E\{|a_{n}|^2\}}{2\sigma^2}--complex\ signal \end{matrix}\right.

根据信息论知识:

I(Z,A)=max\{\iint_{}^{}p(z,a)log(\frac{p(z|a)}{p(z)})dadz \}=max\{H(Z)-H(Z|A)\}

H(Z)=-\sum p(z)log p(z),H(Z|A)=-\sum\limits_{a}^{}\sum \limits_{z}p(z,a)logp(z|a)

z扩展至连续信号:

I(Z,A)=max \{\sum \limits_{a}\sum \limits_{z}p(z,a)log\ p(z|a)-\sum \limits_{a}\sum \limits_{z}p(z,a)log\ p(z)\}

I(Z,A)=max\{\sum \limits_{a} \int p(z,a)log\ p(z|a)dz-\sum \limits_{a} \int p(z,a)log\ p(z)dz\}

假设A为离散信号(a_{0},a_{1},a_{2}\cdots ,a_{N-1}),Q(k)a_{k}出现概率则:

p(z,a)=\sum \limits_{k=0}^{N-1}Q(k)p(z|a_{k})

带入上式,假设离散信号是等概率出现,上式中的max可以去掉(有限信源等概率时信道容量最大,这个我记得张灏老师的随机过程好像提到过):

I(Z,A)\\ =\sum \limits_{a} \int Q(k)p(z|a_{k})log\ p(z|a)dz-\sum \limits_{a} \int A(k)p(z|a_{k})log\ p(z)dz\\ =\sum \limits_{a}Q(k)\{\int p(z|a_{k})log\ p(z|a_{k}))dz-\int p(z|a_{k}p(z)dz) \}\\ =\sum \limits_{a}Q(k)\{ \int p(z|a_{k})(log(p(z|a_{k})-logp(z)))dz \}

=\sum \limits_{k}Q(k)\{\int p(z|a_{k})log\frac{p(z|a_{k})}{\sum \limits_{i=0}^{N-1}Q(k)p(z|a_{k})}dz \}\\ =\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\{\int p(z|a{k})log\frac{p(z|a_{k})}{\sum \limits_{i=0}^{N-1}\frac{1}{N}p(z|a_{k}) }dz \}\\ =\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\{\int p(z|a{k})log\frac{Np(z|a_{k})}{\sum \limits_{i=0}^{N-1}p(z|a_{k}) }dz \}

=\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\{\int p(z|a_{k})(logN-log\frac{\sum \limits_{i=0}^{N-1}p(z|a_{i})}{p(z|a_{k})} )dz \}\\ =\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\{\int p(z|a_{k})logNdz\}-\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\{ \int p(z|a_{k})log\frac{\sum \limits_{i=0}^{N-1}p(z|a_{i})}{p(z|a_{k})}dz \}\\ =logN\sum \limits_{k}\int p(z|a_{k})Q(k)dz-\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\int p(z|a_{k})log\frac{\sum \limits_{i=0}^{N-1}p(z|a_{i})}{p(z|a_{k})}dz

=logN-\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\int p(z|a_{k})log\frac{\sum \limits_{i=0}^{N-1}p(z|a_{i})}{p(z|a_{k})}dz \ ( \sum \limits_{k}\int p(z|a_{k}Q(k))dz=1)

总结:离散等概率信号发生最大互信息可表示为:

I(Z,A)=logN-\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\int p(z|a_{k})log\frac{\sum \limits_{i=0}^{N-1}p(z|a_{i})}{p(z|a_{k})}dz

当信道为高斯白噪声信道:z_{n}=a_{n}+w_{n}, w\sim C(0,\sigma^2),所以z_{n}-a_{n}服从C(0,\sigma^2)

p(z|a)=e^{\frac{-|z-a_{k}|^2}{2\sigma^2}}*\left\{\begin{matrix} (2\pi\sigma^2)^{-1/2}---real \ signal\\ (2\pi\sigma^2)^{-1}--complex \ signal \end{matrix}\right.

带入上式:

        I(Z,A)=logN-\sum \limits_{k}\frac{1}{N}\int p(z|a_{k})log\frac{\sum \limits_{i=0}^{N-1}p(z|a_{i})}{p(z|a_{k})}dz\\ =logN-\frac{1}{N}\sum \limits_{k}\int p(z|a_{k})log\sum \limits_{i=0}^{N-1}e^{\frac{-(z-a_{i}^2)+(z-a_{k})^2}{2\sigma^2}}dz

采用蒙特卡洛重要采样仿真令F(x)=g(x)f(x)\int F(x)dx=E\left ( \frac{F(x)}{f(x)} \right )=E(g(x))

如果f(x)=p(z|a_{k})=e^{\frac{-|z-a_{k}|^2}{2\sigma^2}}*\left\{\begin{matrix} (2\pi\sigma^2)^{-1/2}\\ (2\pi\sigma^2)^{-1} \end{matrix}\right.,g(x)=log\sum \limits_{i=0}^{N-1}e^{(\frac{-(z-a_{i})^2+(z-a_{k})^2}{2\sigma^2})}则:

I(Z,A)=logN-\frac{1}{N}E\{\sum \limits_{k}log\sum \limits_{i=0}^{N-1}e^{(\frac{-(z-a_{i})^2+(z-a_{k})^2}{2\sigma^2})}\}

z=a_{k}+w带入上式

I(Z,A)=logN-\frac{1}{N}E\{\sum \limits_{k}log\sum \limits_{i=0}^{N-1}e^{(\frac{-(a_{k}+w-a_{i})^2+(w)^2}{2\sigma^2})}\}

剩下的就是就是如何生成均匀分布的样本a_{k}和高斯白噪声样本了,根据上式仿真如下:

ref:

Channel coding with multilevel/phase signals | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore

基于蒙特卡洛方法的AWGN系统信道容量仿真_信道容量的仿真实验结论-CSDN博客

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