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Diversidade em Modulação Aplicada à Transmissão de Imagens em Canais com Desvanecimento

DOI: http://dx.doi.org/10.12702/TW-000000001

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LOPES, Waslon Terllizzie Araújo

 

Resumo: Nesta tese são apresentadas e discutidas técnicas para melhoria de desempenho de sistemas de comunicações que utilizam diversidade em modulação (DM), que consiste basicamente na combinação da escolha criteriosa do ângulo de referência de uma constelação MPSK com o entrelaçamento independente das componentes dos símbolos transmitidos. A técnica de DM é aplicada à transmissão de imagens em um sistema de comunicações baseado em quantização vetorial (QV), considerando canais com desvanecimento. A tese também aborda o problema de atribuição de índices (AI), que tem como objetivo tornar um dicionário (conjunto de vetores de reconstrução para QV) mais robusto aos erros de canal, melhorando assim a qualidade das imagens reconstruídas. Em relação à técnica de DM, aspectos importantes são avaliados, tais como: determinação do ângulo de rotação ótimo para as constelações QPSK, 8PSK e 16PSK; estudo da influência dos erros de estimação (um problema relevante, em geral não abordado na literatura referente a DM) de canal no desempenho de um sistema de comunicações que usa este tipo de diversidade; avaliação do efeito Doppler no desempenho do sistema, sendo estabelecido um compromisso entre a profundidade de entrelaçamento e a probabilidade de erro de bit; apresentação de uma abordagem elucidativa para o ganho de desempenho introduzido pela DM, por meio de uma interpretação geométrica interessante da DM: O Efeito Roda-Gigante. No que diz respeito à quantização vetorial robusta, no presente trabalho é proposta uma figura de mérito adequada para o problema da atribuição de índices aos vetores-código de um dicionário. Esta figura de mérito é utilizada quando da aplicação do algoritmo simulated annealing em conjunto com a quantização. No trabalho as técnicas de DM e AI são avaliadas, isoladamente e quando combinadas, em termos da qualidade das imagens reconstruídas após a transmissão por canais com desvanecimento. Mostra-se por meio de simulações que a combinação das duas técnicas leva a um melhor desempenho. Nesta tese também é apresentado um novo método para o cálculo da probabilidade de erro de bit de esquemas de modulação em canais com desvanecimento Rayleigh. Nesse método, o canal de comunicações é visto como um canal sujeito a um ruído aditivo, o qual é modelado com a razão entre uma variável aleatória (v.a.) Gaussiana e uma v.a. Rayleigh. O método consiste em usar a função cumulativa de probabilidade desse ruído aditivo para obter expressões exatas para a probabilidade de erro de bit.

 

Abstract: This thesis deals with techniques to improve the performance of communication systems that use modulation diversity (MD), which is based on the combination of a suitable choice of the reference angle of an MPSK constellation with independent interleaving of the symbol components. The MD technique is applied to the transmission of vector-quantized images over a fading channel. The thesis also covers robust vector quantization (VQ), in which a VQ codebook is made robust against the channel errors by means of an index assignment (IA) procedure. In this way, the quality of the reconstructed images is enhanced. Concerning MD technique, many important aspects are evaluated, such as: optimum rotation angle for QPSK, 8PSK and 16PSK constellations; study of the influence of the channel estimation errors on the system performance (a relevant problem, which in general is not covered in the literature on MD); the impact of the Doppler effect on system performance is studied and a trade-off between the interleaving depth and the error probability is stablished; explanation of the performance gain of the MD technique by using a novel geometric interpretation: The Ferris Wheel Effect. Regarding robust vector quantization, a new figure of merit for the index assignment problem is proposed in this thesis. This figure of merit is used jointly with the simulated annealing algorithm to assign binary indexes to the VQ codevectors. In this work, the MD and IA techniques are evaluated, as well as, the combination of both, in terms of the quality of the reconstructed images after transmission over a fading channel. Simulations results show that the combination of the MD and IA leads to the best system performance. This thesis also presents a new method for calculating the bit error probability (BEP) of modulation schemes subject to Rayleigh fading. In this method the communication channel is seen as an additive noise channel where the noise is modeled as the ratio between a Gaussian random variable (r.v.) and a Rayleigh r.v. The method consists of using the cumulative density function of that additive noise to obtain exact expressions for the bit error probability.

 

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