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高斯白噪聲信道下后驗(yàn)概率的計(jì)算

2022-08-03 00:19 作者:樂(lè)吧的數(shù)學(xué)  | 我要投稿

這篇小筆記,是對(duì)文章和視頻《LDPC 低密度奇偶校驗(yàn)碼的軟判決譯碼算法淺析》的一個(gè)補(bǔ)充。在留言區(qū)有人問(wèn),后驗(yàn)概率為什么是已知的,所以,我就寫(xiě)了這個(gè)小短文。

錄制的視頻在:https://www.bilibili.com/video/BV1SV4y1T7pe/


這篇文章也可以獨(dú)立看,就是如何分析高斯白噪聲信道下的后驗(yàn)概率。



我們知道高斯白噪聲符合以下概率密度(這是均值為 0 ,方差為 %5Csigma%5E2?的高斯分布):

p(n)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B2%5Cpi%7D%5Csigma%7D%0A%20%20%20%20e%5E%7B-%5Cfrac%7Bn%5E2%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D%7D系統(tǒng)框圖如下:


那么,發(fā)送 c 的情況下,收到的是 r 的概率是多少呢?

r = c + n

則:

n = r -c

則:
p(r-c)%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B2%5Cpi%7D%5Csigma%7D%0A%20%20%20%20e%5E%7B-%5Cfrac%7B(r-c)%5E2%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D%7D


c 是已知,確定的,所以,上面的式子中隱含的一個(gè)條件是 c 已知,在 c 已知并且是確定某個(gè)值的情況下, r - c 與 r 是一一對(duì)應(yīng)的,則

p(r%7Cc)%3Dp(r-c%7Cc)%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B2%5Cpi%7D%5Csigma%7D%0A%20%20%20%20e%5E%7B-%5Cfrac%7B(r-c)%5E2%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D%7D


這是先驗(yàn)概率公式,即確定發(fā)送的數(shù)據(jù),計(jì)算收到 r 的概率。



下面,需要推導(dǎo)一個(gè)后驗(yàn)概率:

發(fā)送的是 c,收到的是 r,則,我們想要知道一個(gè)概率,即“ 收到? r 的情況下,發(fā)送端發(fā)送的 c 是 1 的概率”:

p(c|r)

我們用條件概率和全概率公式,做一個(gè)推導(dǎo)

p(c%7Cr)%3D%20%5Cfrac%7Bp(c%2Cr)%7D%7Bp(r)%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bp(r%7Cc)p(c)%7D%7B%5Csum_c%20p(r%7Cc)p(c)%7D


其中 p(c) 表示發(fā)送的是 c 的概率,我們一般假定,發(fā)送的數(shù)據(jù),是等概率出現(xiàn)的,例如我們發(fā)送的是 0? 和 1 兩種數(shù)據(jù),則 0 和 1 是等概率出現(xiàn)的。

所以,根據(jù)上面的公式,就可以計(jì)算出后驗(yàn)概率。



補(bǔ)充:

在視頻中,我講解的時(shí)候,寫(xiě)的公式有點(diǎn)不準(zhǔn)確,現(xiàn)在補(bǔ)充如下:

p(c_i%7Cr_i)%3D%20%5Cfrac%7Bp(c_i%2Cr_i)%7D%7Bp(r_i)%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bp(r_i%7Cc_i)p(c_i)%7D%7B%5Csum_%7Bc_i%7D%20p(r_i%7Cc_i)p(c_i)%7D


例如,我們收到的數(shù)據(jù)是? 0.23. 我們想知道發(fā)送的數(shù)據(jù)是 1 的概率,假設(shè)噪聲是符合均值為 0 方差為 1 的高斯分布,則:

p(c_i%3D1%7Cr_i%3D0.23)%3D%20%5Cfrac%7Bp(c_i%3D1%2Cr_i%3D0.23)%7D%7Bp(r_i%3D0.23)%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bp(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D1)p(c_i%3D1)%7D%7B%5Csum_%7Bc_i%7D%20p(r_i%3D0.23%7Cc_i)p(c_i)%7D%20%5C%5C%0A%3D%5Cfrac%7Bp(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D1)p(c_i%3D1)%7D%0A%20%20%7B%20p(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D0)p(c_i%3D0)%2Bp(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D1)p(c_i%3D1)%7D%20%5C%5C%0A%20%20%3D%5Cfrac%7Bp(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D1)%7D%0A%20%20%7B%20p(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D0)%2Bp(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D1)%7D%20%5C%5C%0A%20%20%3D%5Cfrac%7B0.2966%7D%7B0.2966%2B0.3885%7D%20%5C%5C%0A%20%20%3D0.4329


同理,可以計(jì)算出來(lái)收到的數(shù)據(jù)是? 0.23 的情況下. 我發(fā)送的數(shù)據(jù)是 0 的概率
p(c_i%3D0%7Cr_i%3D0.23)%20%3D%5Cfrac%7Bp(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D0)%7D%0A%20%20%7B%20p(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D0)%2Bp(r_i%3D0.23%7Cc_i%3D1)%7D%20%5C%5C%0A%20%20%3D%5Cfrac%7B0.3885%7D%7B0.2966%2B0.3885%7D%20%5C%5C%0A%20%20%3D0.5671

我們看到,上面的計(jì)算還是挺復(fù)雜的,需要計(jì)算 e 的指數(shù),那么,就有把

%5Cfrac%7Bp(c%3D1%7Cr)%7D%7Bp(c%3D0%7Cr)%7D%3D%5Cfrac%20%7B%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B2%5Cpi%7D%5Csigma%7D%0A%20%20%20%20e%5E%7B-%5Cfrac%7B(r-1)%5E2%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D%7D%20%7D%0A%7B%20%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7B2%5Cpi%7D%5Csigma%7D%0A%20%20%20%20e%5E%7B-%5Cfrac%7B(r-0)%5E2%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D%7D%20%7D%0A%20%20%20%20%3D%0A%20%20%20%20e%5E%7B%5Cfrac%7B(r-0)%5E2-(r-1)%5E2%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D%7D%20%20%20%3D%20e%5E%7B%5Cfrac%7B2r-1%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D%7D


如果這個(gè)值大于 1, 則可以判決 發(fā)送的數(shù)據(jù) c 是 1,如果小于 1,則認(rèn)為發(fā)送的數(shù)據(jù) c 是 0.? 如果對(duì)上面再去自然對(duì)數(shù),則可以把指數(shù)的計(jì)算拿掉:


ln%20%5Cfrac%7Bp(c%3D1%7Cr)%7D%7Bp(c%3D0%7Cr)%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B2r-1%7D%7B2%5Csigma%5E2%7D

高斯白噪聲信道下后驗(yàn)概率的計(jì)算的評(píng)論 (共 條)

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