Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.09: BPSK and 4-QAM"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1682__Dig_A_4_2.png|right|frame|Phasendiagramme von BPSK und 4–QAM]]
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[[File:P_ID1682__Dig_A_4_2.png|right|frame|Phase diagrams of BPSK and 4-QAM]]
Die Grafik zeigt schematisch die Phasendiagramme der ''binären Phasenmodulation''  (abgekürzt '''BPSK''') und der ''Quadraturamplitudenmodulation''  ('''4–QAM''' genannt).  
+
The diagram shows schematically the phase diagrams of the ''binary phase modulation''  (abbreviated '''BPSK''') and the ''quadrature amplitude modulation''  (called '''4–QAM''').  
*Letztere lässt sich durch zwei BPSK–Systeme mit Cosinus– und Minus–Sinus–Träger beschreiben, wobei bei jedem der Teilkomponenten die Sendeamplitude gegenüber der BPSK um den Faktor  $\sqrt{2}$  reduziert ist.  
+
*The latter can be described by two BPSK systems with cosine and minus-sine carriers, where for each of the subcomponents the transmission amplitude is reduced by a factor of  $\sqrt{2}$  compared to BPSK.
*Die Hüllkurve des Gesamtsignals  $s(t)$  ist somit ebenfalls konstant gleich  $s_{0}$.
+
*The envelope of the total signal  $s(t)$  is thus also constant equal to  $s_{0}$.
*Die Fehlerwahrscheinlichkeit abhängig vom Quotienten  $E_{\rm B}/N_{0}$  lautet bei BPSK und 4–QAM gleichermaßen:
+
*The error probability depending on the quotient  $E_{\rm B}/N_{0}$  is the same for BPSK and 4–QAM:
 
:$$p_{\rm B}  = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
 
:$$p_{\rm B}  = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
 
  )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{E_{\rm B}/{ N_0 }} \right ).$$
 
  )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{E_{\rm B}/{ N_0 }} \right ).$$
Die Fehlerwahrscheinlichkeit des BPSK–Systems kann aber auch in der Form
+
However, the error probability of the BPSK system can also be expressed in the form
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right
  )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{T_{\rm B}}}$$
+
  )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{T_{\rm B}}}$$
dargestellt werden. Entsprechend gilt für das 4–QAM–System:
+
Correspondingly, for the 4-QAM system:
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}QAM} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2}}{\sigma_d } \right
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}QAM} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2}}{\sigma_d } \right
 
  )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm
 
  )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm
 
  B}}}.$$
 
  B}}}.$$
  
Die Gleichungen gelten nur unter der Voraussetzung einer exakten Phasensynchronisation:  
+
The equations are valid only under the condition of exact phase synchronization:  
*Bei einem Phasenversatz  $\Delta\phi_{\rm T}$  zwischen sender– und empfangsseitigem Trägersignal erhöht sich die Fehlerwahrscheinlichkeit signifikant, wobei BPSK– und QAM–System unterschiedlich degradiert werden.  
+
*If there is a phase offset  $\Delta\phi_{\rm T}$  between the transmitted and received carrier signals, the error probability increases significantly, with BPSK and QAM systems being degraded differently.
*Im Phasendiagramm macht sich der Phasenversatz durch eine Rotation der Punktwolken bemerkbar. In der Grafik sind die Mittelpunkte der Punktwolken für  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$  durch gelbe Kreuze markiert, während die roten Kreise die Mittelpunkte für  $\Delta\phi_{\rm T} = 0$  angeben.
+
*In the phase diagram, the phase offset is noticeable by a rotation of the point clouds. In the diagram, the centers of the point clouds for  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$  are marked by yellow crosses, while the red circles indicate the centers for  $\Delta\phi_{\rm T} = 0$. 
  
  
Es gilt stets  $E_{\rm B}/N_{0} = 8$, so dass sich die Fehlerwahrscheinlichkeiten von BPSK und QAM im günstigsten Fall (ohne Phasenversatz) jeweils wie folgt ergeben   ⇒    [[Aufgaben:1.08Z_BPSK-Fehlerwahrscheinlichkeit|Aufgabe 1.8Z]]:
+
 $E_{\rm B}/N_{0} = 8$ always holds, so the error probabilities of BPSK and QAM in the best case (without phase shift) are respectively as follows   ⇒    [[Aufgaben:Exercise_1.08Z:_BPSK_Error_Probability|Exercise 1.8Z]]:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
  
''Weitere Bemerkungen:''
+
''Further remarks:''
*Bezeichnet man den Abstand der BPSK–Nutzabtastwerte von der (vertikalen) Entscheiderschwelle mit  $s_{0}$, so ergibt sich für den Rauscheffektivwert  $\sigma_{d} = s_{0}/4$. Die helleren Kreise in der Grafik markieren die Höhenlinien mit dem Radius  $2\cdot \sigma_{d}$  bzw.  $3\cdot \sigma_{d}$  der Gaußschen 2D–WDF.
+
*If we denote the distance of the BPSK useful samples from the (vertical) decision threshold by  $s_{0}$, we get  $\sigma_{d} = s_{0}/4$ for the noise rms value. The lighter circles in the diagram mark the contour lines with radius  $2\cdot \sigma_{d}$  and  $3\cdot \sigma_{d}$  of the Gaussian 2D PDF.
  
*Bei der 4–QAM sind gegenüber der BPSK die Abstände der rot eingezeichneten Nutzabtastwerte von den nun zwei Entscheiderschwellen jeweils um den Faktor  $\sqrt{2}$  geringer, aber es ergibt sich auch ein um den gleichen Faktor kleinerer Rauscheffektivwert  $\sigma_{d}$.
+
*For the 4-QAM, compared to the BPSK, the distances of the useful samples drawn in red from the now two decision thresholds are each smaller by a factor of  $\sqrt{2}$,  but it also results in a noise rms value  $\sigma_{d}$ smaller by the same factor.
  
  
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''Hinweise:''  
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''Notes:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel   [[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]].
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*The exercise belongs to the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation#Phasenversatz_zwischen_Sender_und_Empf.C3.A4nger|Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger]].  
+
*Reference is made in particular to the section  [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation#Phase_offset_between_transmitter_and_receiver|Phase offset between transmitter and receiver]].  
 
   
 
   
*Die Werte der Q–Funktion können Sie  mit dem Applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]  ermitteln.
+
*You can determine the values of the Q function with the applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Complementary Gaussian Error Functions]].   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Wie groß ist die Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei BPSK mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
+
{What is the bit error probability for BPSK with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.0057 3% } $\ \% $
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.0057 3% } $\ \% $
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich bei BPSK mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
+
{What is the bit error probability for BPSK with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.233 3% } $\ \%$
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.233 3% } $\ \%$
  
{Wie groß ist die Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei 4–QAM mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
+
{What is the bit error probability for 4-QAM with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 0.117 3% } $\ \%$
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 0.117 3% } $\ \%$
  
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich bei 4–QAM mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
+
{What is the error probability for 4-QAM with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 25 3% } $\ \%$
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 25 3% } $\ \%$
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Durch die Rotation des Phasendiagramms um $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$ wird der Abstand der Nutzabtastwerte von der Schwelle um $\cos(15^\circ) \approx 0.966$ geringer. Daraus folgt:
+
'''(1)'''&nbsp; Rotating the phase diagram by $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$ decreases the distance of the useful samples from the threshold by $\cos(15^\circ) \approx 0.966$. It follows that:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.966 \cdot 4) \approx {\rm Q}(3.86)= 0.57 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.0057\, \%}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.966 \cdot 4) \approx {\rm Q}(3.86)= 0.57 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.0057\, \%}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Analog zu Teilaufgabe '''(1)''' erhält man mit $\cos(45^\circ) \approx 0.707$:
+
'''(2)'''&nbsp; Analogous to subtask '''(1)''', $\cos(45^\circ) \approx 0.707$ is obtained:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.707 \cdot 4) \approx {\rm Q}(2.83)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.233 \, \%}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.707 \cdot 4) \approx {\rm Q}(2.83)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.233 \, \%}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp; Bei 4–QAM wird durch die Rotation um $\Delta\phi_{\rm T}$ im Uhrzeigersinn der Abstand
+
'''(3)'''&nbsp; For 4-QAM, clockwise rotation by $\Delta\phi_{\rm T}$ increases the distance
*von der horizontalen Schwelle (Entscheidung des ersten Bits) gleich $s_{0} \cdot \cos(45^\circ + \Delta\phi_{\rm T})$, also kleiner als ohne Phasenversatz,
+
*from the horizontal threshold (decision of the first bit) equals $s_{0} \cdot \cos(45^\circ + \Delta\phi_{\rm T})$, i.e., smaller than without phase shift,
*von der vertikalen Schwelle (Entscheidung des zweiten Bits) gleich $s_{0} \cdot \cos(45^\circ - \Delta\phi_{\rm T})$, also größer als ohne Phasenversatz.
+
*from the vertical threshold (decision of the second bit) equal to $s_{0} \cdot \cos(45^\circ - \Delta\phi_{\rm T})$, thus larger than without phase shift.
  
  
Damit erhält man für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit:
+
Thus, we obtain for the average error probability:
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}} \right
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}} \right
Line 89: Line 89:
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}}\right
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}}\right
 
  ).$$
 
  ).$$
*Hierbei ist der kleinere Rauscheffektivwert der 4–QAM bereits berücksichtigt.  
+
*This already takes into account the smaller noise rms value of the 4-QAM.
*Zur Kontrolle berechnen wir die Fehlerwahrscheinlichkeit für $\Delta\phi_{\rm T} = 0$:
+
*As a check, we calculate the error probability for $\Delta\phi_{\rm T} = 0$:
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  )= {\rm Q}(4) = 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
 
  )= {\rm Q}(4) = 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
  
Dagegen erhält man mit $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$:
+
On the other hand, we obtain with $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$:
 
:$$p_{\rm B}  = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(60^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
:$$p_{\rm B}  = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(60^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(30^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(30^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
Line 103: Line 103:
  
  
'''(4)'''&nbsp; Bei einem Phasenversatz von $45^\circ$ erhält man aus der oben allgemein hergeleiteten Gleichung:
+
'''(4)'''&nbsp; With a phase shift of $45^\circ$, one obtains from the equation generally derived above:
 
:$$p_{\rm B}  ={1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(90^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
:$$p_{\rm B}  ={1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(90^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(0^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(0^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(0)+ {\rm Q}(5.66)\right] \approx  0.25\hspace{0.1cm}\underline {=  25 \, \%}.$$
 
  )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(0)+ {\rm Q}(5.66)\right] \approx  0.25\hspace{0.1cm}\underline {=  25 \, \%}.$$
  
Das heißt:  
+
That is:  
*Die Fehlentscheidung für das erste Bit ist $50\%$.  
+
*The error rate for the first bit is $50\%$.  
*Dagegen wird das zweite Bit nahezu fehlerfrei $(\approx 10^{–8})$ entschieden.  
+
*In contrast, the second bit is decided almost error-free $(\approx 10^{–8})$.  
*Insgesamt ergibt sich so eine mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit von ca. $25\%$.
+
*Overall, this results in a mean error probability of approx. $25\%$.
  
  

Revision as of 16:40, 29 March 2022

Phase diagrams of BPSK and 4-QAM

The diagram shows schematically the phase diagrams of the binary phase modulation  (abbreviated BPSK) and the quadrature amplitude modulation  (called 4–QAM).

  • The latter can be described by two BPSK systems with cosine and minus-sine carriers, where for each of the subcomponents the transmission amplitude is reduced by a factor of  $\sqrt{2}$  compared to BPSK.
  • The envelope of the total signal  $s(t)$  is thus also constant equal to  $s_{0}$.
  • The error probability depending on the quotient  $E_{\rm B}/N_{0}$  is the same for BPSK and 4–QAM:
$$p_{\rm B} = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{E_{\rm B}/{ N_0 }} \right ).$$

However, the error probability of the BPSK system can also be expressed in the form

$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{T_{\rm B}}}$$

Correspondingly, for the 4-QAM system:

$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}QAM} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2}}{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}.$$

The equations are valid only under the condition of exact phase synchronization:

  • If there is a phase offset  $\Delta\phi_{\rm T}$  between the transmitted and received carrier signals, the error probability increases significantly, with BPSK and QAM systems being degraded differently.
  • In the phase diagram, the phase offset is noticeable by a rotation of the point clouds. In the diagram, the centers of the point clouds for  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$  are marked by yellow crosses, while the red circles indicate the centers for  $\Delta\phi_{\rm T} = 0$. 


 $E_{\rm B}/N_{0} = 8$ always holds, so the error probabilities of BPSK and QAM in the best case (without phase shift) are respectively as follows   ⇒   Exercise 1.8Z:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$

Further remarks:

  • If we denote the distance of the BPSK useful samples from the (vertical) decision threshold by  $s_{0}$, we get  $\sigma_{d} = s_{0}/4$ for the noise rms value. The lighter circles in the diagram mark the contour lines with radius  $2\cdot \sigma_{d}$  and  $3\cdot \sigma_{d}$  of the Gaussian 2D PDF.
  • For the 4-QAM, compared to the BPSK, the distances of the useful samples drawn in red from the now two decision thresholds are each smaller by a factor of  $\sqrt{2}$,  but it also results in a noise rms value  $\sigma_{d}$ smaller by the same factor.




Notes:


Questions

1

What is the bit error probability for BPSK with  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?

$p_\text{B, BPSK} \ = \ $

$\ \% $

2

What is the bit error probability for BPSK with  $\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?

$p_\text{B, BPSK} \ = \ $

$\ \%$

3

What is the bit error probability for 4-QAM with  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?

$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $

$\ \%$

4

What is the error probability for 4-QAM with  $\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?

$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  Rotating the phase diagram by $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$ decreases the distance of the useful samples from the threshold by $\cos(15^\circ) \approx 0.966$. It follows that:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.966 \cdot 4) \approx {\rm Q}(3.86)= 0.57 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.0057\, \%}.$$


(2)  Analogous to subtask (1), $\cos(45^\circ) \approx 0.707$ is obtained:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.707 \cdot 4) \approx {\rm Q}(2.83)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.233 \, \%}.$$


(3)  For 4-QAM, clockwise rotation by $\Delta\phi_{\rm T}$ increases the distance

  • from the horizontal threshold (decision of the first bit) equals $s_{0} \cdot \cos(45^\circ + \Delta\phi_{\rm T})$, i.e., smaller than without phase shift,
  • from the vertical threshold (decision of the second bit) equal to $s_{0} \cdot \cos(45^\circ - \Delta\phi_{\rm T})$, thus larger than without phase shift.


Thus, we obtain for the average error probability:

$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}} \right ) + {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ-{\rm \Delta} \phi_{\rm T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}}\right ).$$
  • This already takes into account the smaller noise rms value of the 4-QAM.
  • As a check, we calculate the error probability for $\Delta\phi_{\rm T} = 0$:
$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right )= {\rm Q}(4) = 0.317 \cdot 10^{-4}.$$

On the other hand, we obtain with $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$:

$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(60^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(30^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(2.83)+ {\rm Q}(4.90)\right]$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B} \approx \frac{1}{2} \cdot \left [0.233 \cdot 10^{-2}+ 0.479 \cdot 10^{-6}\right] \hspace{0.1cm}\underline {= 0.117 \, \%}.$$


(4)  With a phase shift of $45^\circ$, one obtains from the equation generally derived above:

$$p_{\rm B} ={1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(90^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(0^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(0)+ {\rm Q}(5.66)\right] \approx 0.25\hspace{0.1cm}\underline {= 25 \, \%}.$$

That is:

  • The error rate for the first bit is $50\%$.
  • In contrast, the second bit is decided almost error-free $(\approx 10^{–8})$.
  • Overall, this results in a mean error probability of approx. $25\%$.