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  <name>Digital Modulation Basics</name>
  <metadata>
  <md:version>2.10</md:version>
  <md:created>2001/06/01</md:created>
  <md:revised>2004/01/07 09:54:51 US/Central</md:revised>
  <md:authorlist>
      <md:author id="aaz">
      <md:firstname>Behnaam</md:firstname>
      
      <md:surname>Aazhang</md:surname>
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  <md:keywordlist>
    <md:keyword>blargh</md:keyword>
  </md:keywordlist>

  <md:abstract>blargh</md:abstract>
</metadata>

  <content>

    <para id="para1">
      The outcome of a random experiment is denoted by
      <m:math><m:ci>ω</m:ci></m:math>.  The sample space
      <m:math><m:ci>Ω</m:ci></m:math> is the set of all possible
      outcomes of a random experiment.
    </para>

    <section id="s1">
      <name>Random Variables</name>
      <para id="para2">
	Random variable is the assignment of a real number to each
	outcome of a random experiment.
      </para>

      <figure id="fig1">
	<media type="image/png" src="Figure2-1.png"/>
      </figure>

      <example id="example1">
	<para id="para3">
	  Roll a dice.  Outcomes
	  <m:math display="inline">
	    <m:set>
	      <m:ci>
		<m:msub>
		  <m:mi>ω</m:mi>
		  <m:mn>1</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>
		<m:msub>
		  <m:mi>ω</m:mi>
		  <m:mn>2</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>
		<m:msub>
		  <m:mi>ω</m:mi>
		  <m:mn>3</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>
		<m:msub>
		  <m:mi>ω</m:mi>
		  <m:mn>4</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>
		<m:msub>
		  <m:mi>ω</m:mi>
		  <m:mn>5</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>
		<m:msub>
		  <m:mi>ω</m:mi>
		  <m:mn>6</m:mn>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:set>
	  </m:math>
	</para>
	<para id="para4">
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
              <m:ci>
                <m:msub>
                  <m:mi>ω</m:mi>
                  <m:mi>i</m:mi>
                </m:msub>
              </m:ci>
              <m:ci>i</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  dots on the face of the dice.
	</para>

	<para id="para5">
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
              <m:apply>
                <m:ci type="function">X</m:ci>
                <m:ci>
                  <m:msub>
                    <m:mi>ω</m:mi>
                    <m:mi>i</m:mi>
                  </m:msub>
                </m:ci>
              </m:apply>
              <m:ci>i</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>

	<para id="para6">
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
              <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
                <m:apply>
                  <m:eq/>
		  <m:ci>X</m:ci>
		  <m:ci>i</m:ci>
                </m:apply>
              </m:apply>
              <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
		<m:condition>
		  <m:apply>
		    <m:eq/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="function">X</m:ci>
		      <m:ci>
			<m:msub>
			  <m:mi>ω</m:mi>
			  <m:mi>i</m:mi>
			</m:msub>
		      </m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>i</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:condition>
		<m:apply>
		  <m:in/>
		  <m:ci>ω</m:ci>
		  <m:ci>Ω</m:ci>
		</m:apply>
              </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</para>

      </example>
    </section>

    <section id="s2">
      <name>Distributions</name>

      <para id="para7">
	Probability assignments on intervals
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
	    <m:apply>
	      <m:lt/>
              <m:ci>a</m:ci>
              <m:apply>
                <m:leq/>
		<m:ci>X</m:ci>
		<m:ci>b</m:ci>
              </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </para>

      <definition id="def1">
	<term>Cumulative distribution</term>

	<meaning>
	  The cumulative distribution function of a random variable X
	  is a function
	  <m:math display="inline">
	    <m:ci>
	      <m:msub>
		<m:mi>F</m:mi>
		<m:mi>X</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:math> such that
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:ci><m:mo>→</m:mo></m:ci>
	      <m:ci>ℝ</m:ci>
	      <m:ci>ℝ</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  such that
	  <equation id="eq01">
	    <m:math display="block">
	      <m:apply>
		<m:eq/>
                <m:apply>
                  <m:ci type="function">
                    <m:msub>
                      <m:mi>F</m:mi>
                      <m:mi>X</m:mi>
                    </m:msub>
                  </m:ci>
                  <m:ci>b</m:ci>
                </m:apply>
                <m:apply>
		  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
                  <m:apply>
                    <m:leq/>
		    <m:ci>X</m:ci>
		    <m:ci>b</m:ci>
                  </m:apply>
                </m:apply>
                <m:apply>
		  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
		  <m:condition>
		    <m:apply>
		      <m:leq/>
		      <m:apply>
			<m:ci type="function">X</m:ci>
			<m:ci>ω</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>b</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:condition>
		  <m:apply>
		    <m:in/>
		    <m:ci>ω</m:ci>
		    <m:ci>Ω</m:ci>
		  </m:apply>
                </m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </equation>
	</meaning>
      </definition>

      <figure id="fig2">
	<media type="image/png" src="Figure2-2.png"/>
      </figure>

      <definition id="def2">
	<term>Continuous Random Variable</term>

	<meaning>
	  A random variable <m:math><m:ci>X</m:ci></m:math> is
	  continuous if
	  <equation id="eq2">
	    <m:math display="block">
	      <m:apply>
		<m:eq/>
                <m:apply>
                  <m:ci type="function">
                    <m:msub>
                      <m:mi>F</m:mi>
                      <m:mi>X</m:mi>
                    </m:msub>
                  </m:ci>
                  <m:ci>b</m:ci>
                </m:apply>
                <m:apply>
                  <m:int/>
		  <m:bvar><m:ci>x</m:ci></m:bvar>
		  <m:lowlimit>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:infinity/>
		    </m:apply>
		  </m:lowlimit>
		  <m:uplimit>
		    <m:ci>b</m:ci>
		  </m:uplimit>
		  <m:apply>
		    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
		    <m:bvar>
		      <m:ci>X</m:ci>
		    </m:bvar>
		    <m:ci>x</m:ci>
		  </m:apply>
                </m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </equation>
	  and
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
	      <m:bvar>
		<m:ci>X</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:ci>x</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  is the probability density function (pdr) (<foreign>e.g.</foreign>,
	  <m:math display="inline">
	    <m:apply>
	      <m:ci type="function">
		<m:msub>
		  <m:mi>F</m:mi>
		  <m:mi>X</m:mi>
		</m:msub>
	      </m:ci>
	      <m:ci>x</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	  is differentiable and
  <m:math display="inline">
    <m:apply>
      <m:eq/>
      <m:apply>
	<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
	<m:bvar>
	  <m:ci>X</m:ci>
	</m:bvar>
                <m:ci>x</m:ci>
              </m:apply>
              <m:apply>
                <m:diff/>
		<m:bvar><m:ci>x</m:ci></m:bvar>
		<m:apply>
		  <m:ci type="function">
		    <m:msub>
		      <m:mi>F</m:mi>
		      <m:mi>X</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci>x</m:ci>
		</m:apply>
              </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>)
	</meaning>
      </definition>

      <definition id="def3">
	<term>Discrete Random Variable</term>

	<meaning>
	  A random variable <m:math><m:ci>X</m:ci></m:math> is
	  discrete if it only takes at most countably many points
	  (<foreign>i.e.</foreign>,
	  <m:math display="inline">
	    <m:ci type="function">
	      <m:msub>
		<m:mi>F</m:mi>
		<m:mi>X</m:mi>
	      </m:msub>
	    </m:ci>
	  </m:math>
	  is piecewise constant).  The probability mass function (pmf)
	  is defined as
	  <equation id="eq03">
	    <m:math display="block">
	      <m:apply>
		<m:eq/>
                <m:apply>
	  <m:csymbol class="discrete" definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">p</m:csymbol>
	<m:bvar>
	  <m:ci>X</m:ci>
	</m:bvar>
                  <m:ci>
                    <m:msub>
                      <m:mi>x</m:mi>
                      <m:mi>k</m:mi>
                    </m:msub>
                  </m:ci>
                </m:apply>
                <m:apply>
	  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
                  <m:apply>
                    <m:eq/>
		    <m:ci>X</m:ci>
		    <m:ci>
		      <m:msub>
			<m:mi>x</m:mi>
			<m:mi>k</m:mi>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
                  </m:apply>
                </m:apply>
                <m:apply>
                  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">
		      <m:msub>
			<m:mi>F</m:mi>
			<m:mi>X</m:mi>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>
		      <m:msub>
			<m:mi>x</m:mi>
			<m:mi>k</m:mi>
		      </m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:limit/>
		    <m:bvar>
		      <m:ci>x</m:ci>
		    </m:bvar>
		    <m:condition>
		      <m:apply>
			<m:and/>
			<m:apply>
			  <m:tendsto/>
			  <m:ci>x</m:ci>
			  <m:ci>
			    <m:msub>
			      <m:mi>x</m:mi>
			      <m:mi>k</m:mi>
			    </m:msub>
			  </m:ci>
			</m:apply>
			<m:apply>
			  <m:lt/>
			  <m:ci>x</m:ci>
			  <m:ci>
			    <m:msub>
			      <m:mi>x</m:mi>
			      <m:mi>k</m:mi>
			    </m:msub>
			  </m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:condition>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="function">
			<m:msub>
			  <m:mi>F</m:mi>
			  <m:mi>X</m:mi>
			</m:msub>
		      </m:ci>
		      <m:ci>x</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
                </m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:math>
	  </equation>

	</meaning>
      </definition>

      <para id="para8">
	Two random variables defined on an experiment have joint
	distribution
	<equation id="eq04">
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
              <m:apply>
                <m:ci type="function">
                  <m:msub>
                    <m:mi>F</m:mi>
		<m:mrow>
		  <m:mi>X</m:mi>
		  <m:mi>Y</m:mi>
		</m:mrow>
	      </m:msub>
                </m:ci>
                <m:ci>a</m:ci>
                <m:ci>b</m:ci>
              </m:apply>
              <m:apply>
	    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
                <m:apply>
                  <m:leq/>
		  <m:ci>X</m:ci>
		  <m:ci>a</m:ci>
                </m:apply>
                <m:apply>
                  <m:leq/>
		  <m:ci>Y</m:ci>
		  <m:ci>b</m:ci>
                </m:apply>
              </m:apply>
              <m:apply>
	  <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
                  <m:condition>
                    <m:apply>
                      <m:and/>
		      <m:apply>
			<m:leq/>
			<m:apply>
			  <m:ci type="function">X</m:ci>
			  <m:ci>ω</m:ci>
			</m:apply>
			<m:ci>a</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:apply>
			<m:leq/>
			<m:apply>
			  <m:ci type="function">Y</m:ci>
			  <m:ci>ω</m:ci>
			</m:apply>
			<m:ci>b</m:ci>
		      </m:apply>
                    </m:apply>
                  </m:condition>
	    <m:apply>
	      <m:in/>
	      <m:ci>ω</m:ci>
	      <m:ci>Ω</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
    </equation>
      </para>
  
      <figure id="fig3">
	<media type="image/png" src="Figure2-4.png"/>
      </figure>

      <para id="para9">
	Joint pdf can be obtained if they are jointly continuous.
	<equation id="eq06">
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
              <m:apply>
                <m:ci type="function">
                  <m:msub>
                    <m:mi>F</m:mi>
		<m:mrow>
		  <m:mi>X</m:mi>
		  <m:mi>Y</m:mi>
		</m:mrow>
                  </m:msub>
                </m:ci>
                <m:ci>a</m:ci>
                <m:ci>b</m:ci>
              </m:apply>
              <m:apply>
                <m:int/>
		<m:bvar>
		  <m:ci>y</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:lowlimit>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:infinity/>
		  </m:apply>
		</m:lowlimit>
		<m:uplimit>
		  <m:ci>b</m:ci>
		</m:uplimit>
		<m:apply>
		  <m:int/>
		  <m:bvar>
		    <m:ci>x</m:ci>
		  </m:bvar>
		  <m:lowlimit>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:infinity/>
		    </m:apply>
		  </m:lowlimit>
		  <m:uplimit>
		    <m:ci>a</m:ci>
		  </m:uplimit>
		  <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
		<m:bvar>
		  <m:ci>X</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:bvar>
		  <m:ci>Y</m:ci>
		</m:bvar>
		    <m:ci>x</m:ci>
		    <m:ci>y</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
              </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</equation>

	(<foreign>e.g.</foreign>, 
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
            <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
		<m:bvar>
		  <m:ci>X</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:bvar>
		  <m:ci>Y</m:ci>
		</m:bvar>
              <m:ci>x</m:ci>
              <m:ci>y</m:ci>
            </m:apply>
            <m:apply>
              <m:partialdiff/>
	      <m:bvar>
		<m:ci>x</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:bvar>
		<m:ci>y</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:apply>
		<m:ci type="function">
		  <m:msub>
		    <m:mi>F</m:mi>
		<m:mrow>
		  <m:mi>X</m:mi>
		  <m:mi>Y</m:mi>
		</m:mrow>
		  </m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>x</m:ci>
		<m:ci>y</m:ci>
	      </m:apply>
            </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>)
      </para>

  <para id="para10">
    joint pmf if they are jointly discrete

    <equation id="eq07">
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:csymbol class="discrete" definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">p</m:csymbol>
	    <m:bvar>
	      <m:ci>X</m:ci>
	    </m:bvar>
	    <m:bvar>
	      <m:ci>Y</m:ci>
	    </m:bvar>
                <m:ci>
                  <m:msub>
                    <m:mi>x</m:mi>
                    <m:mi>k</m:mi>
                  </m:msub>
                </m:ci>
                <m:ci>
                  <m:msub>
                    <m:mi>y</m:mi>
                    <m:mi>l</m:mi>
                  </m:msub>
                </m:ci>
              </m:apply>
              <m:apply>
	    <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#probability"/>
                <m:apply>
                  <m:eq/>
		  <m:ci>X</m:ci>
		  <m:ci>
		    <m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>k</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
                </m:apply>
                <m:apply>
                  <m:eq/>
                  <m:ci>Y</m:ci>
		  <m:ci>
		    <m:msub>
		      <m:mi>y</m:mi>
		      <m:mi>l</m:mi>
		    </m:msub>
		  </m:ci>
                </m:apply>
              </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</equation>
      </para>

      <para id="para11">
	Conditional density function

	<equation id="eq08">
	  <m:math display="block">
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
              <m:apply>
                <m:ci type="function">
                  <m:msub>
                    <m:mi>f</m:mi>
		    <m:mrow>
		      <m:mi>Y</m:mi>
		      <m:mo>|</m:mo>
		      <m:mi>X</m:mi>
		    </m:mrow>
                  </m:msub>
                </m:ci>
                <m:ci>
                  <m:mrow>
                    <m:mi>y</m:mi>
		    <m:mo>|</m:mo>
		    <m:mi>x</m:mi>
                  </m:mrow>
                </m:ci>
              </m:apply>
              <m:apply>
                <m:divide/>
		<m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
		<m:bvar>
		  <m:ci>X</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:bvar>
		  <m:ci>Y</m:ci>
		</m:bvar>
		  <m:ci>x</m:ci>
		  <m:ci>y</m:ci>
		</m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
	      <m:bvar>
		<m:ci>X</m:ci>
	      </m:bvar>
		  <m:ci>x</m:ci>
		</m:apply>
              </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:math>
	</equation>

	for all <m:math display="inline"><m:ci>x</m:ci></m:math> and with
	<m:math display="inline">
	  <m:apply>
	    <m:gt/>
            <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#pdf">f</m:csymbol>
	      <m:bvar>
		<m:ci>X</m:ci>
	      </m:bvar>
              <m:ci>x</m:ci>
            </m:apply>
            <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>

      </para>
    </section>

  </content>
</document>
