Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.11Z: Error Probability with QAM"

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[[File:P_ID1721__Mod_Z_4_10.png|right|frame|Tabelle zweier unterschiedlicher Gaußscher Fehlerfunktionen]]
+
[[File:P_ID1721__Mod_Z_4_10.png|right|frame|Table with two different  "Gaussian error functions"]]
Wir gehen von den folgenden Voraussetzungen aus:
+
We now make the following assumptions:
* binäre bipolare Amplitudenkoeffizienten  $a_ν ∈ \{±1\}$,
+
* binary bipolar amplitude coefficients  $a_ν ∈ \{±1\}$,
* rechteckförmiger Sendegrundimpuls mit Amplitude  $s_0$  und Bitdauer  $T_{\rm B}$,
+
* rectangular basic transmission pulse with amplitude  $s_0$  and bit duration  $T_{\rm B}$,
* AWGN–Rauschen mit der Rauschleistungsdichte  $N_0$,
+
* AWGN noise with noise power density   $N_0$,
* Empfänger gemäß dem Matched–Filter–Prinzip,
+
* a receiver according to the matched-filter principle,
* bestmögliche Demodulation und Detektion.
+
* the best possible demodulation and detection.
  
  
Wie schon mehrfach gezeigt wurde, kann man die Bitfehlerwahrscheinlichkeit der binären Phasenmodulation  $\rm (BPSK)$  bei diesen Randbedingungen mit den folgenden Gleichungen berechnen:
+
The bit error probability of binary phase modulation   $\rm (BPSK)$  under these conditions can be calculated using the following equations:
 
:$$ p_{\rm B, \hspace{0.05cm}BPSK} = {\rm Q}\left ({s_0}/{\sigma_d } \right ), \hspace{0.2cm} E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} ,\hspace{0.2cm} \sigma_d^2 = {N_0}/{T_{\rm B} }$$
 
:$$ p_{\rm B, \hspace{0.05cm}BPSK} = {\rm Q}\left ({s_0}/{\sigma_d } \right ), \hspace{0.2cm} E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} ,\hspace{0.2cm} \sigma_d^2 = {N_0}/{T_{\rm B} }$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B, \hspace{0.05cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ).$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B, \hspace{0.05cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ).$$
  
Die entsprechenden Gleichungen der  $\rm 4–QAM$   lauten:
+
*The corresponding equations of  $\rm 4–QAM$   are:
 
:$$ p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM} = {\rm Q}\left ( {g_0}/{\sigma_d } \right ), \hspace{0.2cm}g_{0} = {s_0}/{\sqrt{2}}, \hspace{0.2cm}E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} ,\hspace{0.2cm} \sigma_d^2 = {N_0}/({2 \cdot T_{\rm B} }).$$
 
:$$ p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM} = {\rm Q}\left ( {g_0}/{\sigma_d } \right ), \hspace{0.2cm}g_{0} = {s_0}/{\sqrt{2}}, \hspace{0.2cm}E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} ,\hspace{0.2cm} \sigma_d^2 = {N_0}/({2 \cdot T_{\rm B} }).$$
  
Hierbei ist berücksichtigt, dass man – um die gleiche Sendeenergie pro Bit wie bei der BPSK zu erreichen – die Impulsamplitude  $g_0$  der Rechteckimpulse in den beiden Teilzweigen der 4–QAM um den Faktor  $\sqrt{2}$  herabsetzen muss.  Die Hüllkurve ist dann bei beiden Systemen gleich  $s_0$.
+
*Here it is taken into account that – in order to achieve the same transmission energy per bit as with BPSK – one must reduce the  amplitude $g_0$  of the rectangular pulses in the two sub-branches of 4-QAM by a factor of  $\sqrt{2}$ .
 +
*The envelope is then equal to  $s_0$ for both systems.
  
  
  
  
 
+
Hints:  
 
+
*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation|"Quadrature Amplitude Modulation"]].
 
+
*Reference is also made to the page  [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#Error_probabilities_-_a_brief_overview|"Error probabilities – a brief overview"]]  in the previous chapter.
 
+
* Always assume the following numerical values:   $s_0 = 2\,{\rm V}, \hspace{0.05cm} N_0 = 0.25 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}\hspace{0.05cm}.$
''Hinweise:''
+
*The bit duration is  $T_{\rm B} = 1 \ \rm µ s$  (question 1)  and  $T_{\rm B} = 2 \ \rm µ s$  (from question 2 onwards).  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Modulation_Methods/Quadratur%E2%80%93Amplitudenmodulation|Quadratur–Amplitudenmodulation]].
+
*In the table,  the two common Gaussian error functions  ${\rm Q}(x)$   and  $1/2 \cdot {\rm erfc}(x)$  are given.
*Bezug genommen wird aber auch auf die Seite  [[Modulation_Methods/Lineare_digitale_Modulation#Fehlerwahrscheinlichkeiten_-_ein_kurzer_.C3.9Cberblick|Fehlerwahrscheinlichkeiten – ein kurzer Überblick]]  im vorherigen Kapitel.
+
*Energies are to be given in  $\rm V^2s$;   thus, they refer  to the reference resistance  $R = 1 \ \rm \Omega$.
* Gehen Sie stets von den folgenden Zahlenwerten aus:   $s_0 = 2\,{\rm V}, \hspace{0.05cm} N_0 = 0.25 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}\hspace{0.05cm}.$
 
*Die Bitdauer beträgt  $T_{\rm B} = 1 \ \rm µ s$  (Teilaufgabe 1) bzw.  $T_{\rm B} = 2 \ \rm µ s$  (ab Teilaufgabe 2).  
 
*In der Tabelle sind die beiden gebräuchlichen Gaußschen Fehlerfunktionen  ${\rm Q}(x)$   und  $1/2 \cdot {\rm erfc}(x)$  angegeben.
 
*Energien sind in  $\rm V^2s$   anzugeben; sie beziehen sich somit auf den Bezugswiderstand  $R = 1 \ \rm \Omega$.
 
 
   
 
   
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_\text{B, BPSK}$&nbsp; ergibt sich für&nbsp; ''Binary Phase Shift Keying''&nbsp; (BPSK) mit $T_{\rm B} = 1 \ \rm &micro; s$?
+
{What error probability &nbsp;$p_\text{B, BPSK}$&nbsp; results for&nbsp; '''BPSK'''&nbsp; when $T_{\rm B} = 1 \ \rm &micro; s$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.317 3% } $\ \rm 10^{-4}$  
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.317 3% } $\ \rm 10^{-4}$  
  
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_\text{B, BPSK}$&nbsp; ergibt sich für &nbsp; ''Binary Phase Shift Keying''&nbsp; (BPSK) mit $T_{\rm B} = 2 \ \rm &micro; s$?
+
{What error probability &nbsp;$p_\text{B, BPSK}$&nbsp; results for&nbsp; '''BPSK'''&nbsp; when $T_{\rm B} = 2 \ \rm &micro; s$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.771 3% } $\ \rm 10^{-8}$
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.771 3% } $\ \rm 10^{-8}$
  
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_\text{B, 4-QAM}$&nbsp; erhält man für die 4–QAM mit &nbsp;$E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm V^2s$?
+
{What error probability &nbsp;$p_\text{B, 4-QAM}$&nbsp; is obtained for&nbsp; '''4-QAM'''&nbsp; when &nbsp;$E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm V^2s$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 0.771 3% } $\ \rm 10^{-8}$
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 0.771 3% } $\ \rm 10^{-8}$
  
{Was trifft zu, wenn man nur einen Zweig&nbsp; $\rm (I$&nbsp; oder&nbsp; $\rm Q)$&nbsp; der 4–QAM betrachtet?
+
{Which statements apply if we consider only one branch &nbsp; $\rm (I$&nbsp; or&nbsp; $\rm Q)$&nbsp; of the 4–QAM?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es ergibt sich das gleiche Ergebnis wie für die gesamte 4–QAM.
+
+ The same result is obtained as for the entire 4-QAM.
- Der Abstand der Nutzabtastwerte ist wie bei der BPSK gleich &nbsp;$s_0$.
+
- The distance of the noisless samples from the threshold&nbsp; $E=0$&nbsp; is the same &nbsp;$(s_0)$&nbsp;  as in BPSK.
- Es ergibt sich die gleiche Rauschleistung wie bei der BPSK.
+
- The same result is obtained for the noise power as in BPSK.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Mit den vorgegebenen Werten erhält man für &nbsp;''Binary Phase Shift Keying''&nbsp; (BPSK):
+
'''(1)'''&nbsp; With the values given,&nbsp; for &nbsp;"Binary Phase Shift Keying"&nbsp; (BPSK),&nbsp; one gets:
 
:$$E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} = \frac{1}{2}\cdot (2\,{\rm V})^2 \cdot 1\,{\rm &micro; s} = 2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s}
 
:$$E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} = \frac{1}{2}\cdot (2\,{\rm V})^2 \cdot 1\,{\rm &micro; s} = 2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s}
 
\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}  {E_{\rm B}}/{N_0} = \frac {2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s}}{0.25 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}} = 8$$
 
\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}  {E_{\rm B}}/{N_0} = \frac {2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s}}{0.25 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}} = 8$$
 
:$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{16} \right ) = {\rm Q}\left ( 4 \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{8}\right )\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{16} \right ) = {\rm Q}\left ( 4 \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{8}\right )\hspace{0.05cm}.$$
*Aufgrund der gegebenen&nbsp; $x$–Werte in der Tabelle ist bei dieser Teilaufgabe zweckmäßigerweise die erste Gleichung anzuwenden:
+
*Based on the given &nbsp; $x$–values in the table,&nbsp; it is convenient to use the first equation in this subtask:
 
:$$p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( 4 \right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.317 \cdot 10^{-4} }\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( 4 \right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.317 \cdot 10^{-4} }\hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Bei doppelter Bitdauer ist auch die Energie doppelt so groß:&nbsp; $E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm  V^2s$  ⇒  $E_{\rm B}/N_0 = 16$.  
+
'''(2)'''&nbsp; With twice the bit duration,&nbsp; the energy is also twice as large:&nbsp; $E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm  V^2s$  ⇒  $E_{\rm B}/N_0 = 16$.  
*Daraus folgt:
+
*It follows that:
 
:$$p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{32} \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{16}\right ) ={1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( 4\right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.771 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{32} \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{16}\right ) ={1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( 4\right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.771 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$
*Aus pragmatischen Gründen wurde hier die letzte Spalte der Tabelle benutzt.
+
*For pragmatic reasons,&nbsp; the last column of the table was used here.
  
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Setzt man die für die 4–QAM gegebenen Gleichungen ineinander ein, so kommt man zum gleichen Ergebnis wie bei der BPSK:
+
'''(3)'''&nbsp; Substituting the equations given for the 4-QAM into each other,&nbsp; we get the same result as for the BPSK:
 
:$$p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) \equiv p_\text{B, BPSK}.$$
 
:$$p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) \equiv p_\text{B, BPSK}.$$
*Da sich auch die Energie pro Bit gegenüber der Teilaufgabe&nbsp; '''(2)'''&nbsp; nicht geändert hat, wird sich auch die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit einstellen:
+
*Also,&nbsp; since the energy per bit has not changed from subtask&nbsp; '''(2)''',&nbsp; the same error probability will arise:
 
:$$p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM}= {\rm Q}\left ( \sqrt{32} \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( 4\right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.771 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM}= {\rm Q}\left ( \sqrt{32} \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( 4\right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.771 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist nur der <u>erste Lösungsvorschlag</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; Only&nbsp; <u>Answer 1</u>&nbsp; is correct:
*Die Fehlerwahrscheinlichkeit ist natürlich in den beiden Zweigen gleich groß.&nbsp; Warum auch nicht?  
+
*Of course the error probability is the same in the two branches.&nbsp; Why would it not be?
*Das würde allerdings bei einem Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger nicht mehr gelten.
+
*This would no longer be true with a phase offset between the transmitter and receiver though.
*Der Abstand der Nutzabtastwerte von der Schwelle ist hier allerdings&nbsp; $g_0$&nbsp; und damit um den Faktor&nbsp; $\sqrt{2}$&nbsp; kleiner als die Hüllkurve&nbsp; $s_0$&nbsp; der gesamten 4–QAM.
+
*However,&nbsp; the distance of the useful samples from the threshold is&nbsp; $g_0$&nbsp; here and thus smaller than the envelope &nbsp; $s_0$&nbsp; of the entire 4-QAM by a factor of $\sqrt{2}$&nbsp;.
*Betrachtet man den Inphase–Zweig (oder den Quadratur–Zweig) als eine eigenständige BPSK, so ist aber auch die Rauschleistung wegen der geringeren Symbolrate nur halb so groß wie bei der BPSK.&nbsp; Deshalb bleibt die Fehlerwahrscheinlichkeit gleich.
+
*However,&nbsp; if the inphase branch&nbsp; (or the quadrature branch)&nbsp; is considered as a stand-alone BPSK,&nbsp; the noise power is also half that of BPSK because of the lower symbol rate.&nbsp; Therefore,&nbsp; the error probability remains the same.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.3 Quadratur–Amplitudenmodulation^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.3 Quadrature Amplitude Modulation^]]

Latest revision as of 08:43, 18 April 2022

Table with two different  "Gaussian error functions"

We now make the following assumptions:

  • binary bipolar amplitude coefficients  $a_ν ∈ \{±1\}$,
  • rectangular basic transmission pulse with amplitude  $s_0$  and bit duration  $T_{\rm B}$,
  • AWGN noise with noise power density  $N_0$,
  • a receiver according to the matched-filter principle,
  • the best possible demodulation and detection.


The bit error probability of binary phase modulation   $\rm (BPSK)$  under these conditions can be calculated using the following equations:

$$ p_{\rm B, \hspace{0.05cm}BPSK} = {\rm Q}\left ({s_0}/{\sigma_d } \right ), \hspace{0.2cm} E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} ,\hspace{0.2cm} \sigma_d^2 = {N_0}/{T_{\rm B} }$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B, \hspace{0.05cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ).$$
  • The corresponding equations of  $\rm 4–QAM$  are:
$$ p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM} = {\rm Q}\left ( {g_0}/{\sigma_d } \right ), \hspace{0.2cm}g_{0} = {s_0}/{\sqrt{2}}, \hspace{0.2cm}E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} ,\hspace{0.2cm} \sigma_d^2 = {N_0}/({2 \cdot T_{\rm B} }).$$
  • Here it is taken into account that – in order to achieve the same transmission energy per bit as with BPSK – one must reduce the amplitude $g_0$  of the rectangular pulses in the two sub-branches of 4-QAM by a factor of  $\sqrt{2}$ .
  • The envelope is then equal to  $s_0$ for both systems.



Hints:

  • This exercise belongs to the chapter  "Quadrature Amplitude Modulation".
  • Reference is also made to the page  "Error probabilities – a brief overview"  in the previous chapter.
  • Always assume the following numerical values:   $s_0 = 2\,{\rm V}, \hspace{0.05cm} N_0 = 0.25 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}\hspace{0.05cm}.$
  • The bit duration is  $T_{\rm B} = 1 \ \rm µ s$  (question 1)  and  $T_{\rm B} = 2 \ \rm µ s$  (from question 2 onwards).
  • In the table,  the two common Gaussian error functions  ${\rm Q}(x)$  and  $1/2 \cdot {\rm erfc}(x)$  are given.
  • Energies are to be given in  $\rm V^2s$;  thus, they refer  to the reference resistance  $R = 1 \ \rm \Omega$.


Questions

1

What error probability  $p_\text{B, BPSK}$  results for  BPSK  when $T_{\rm B} = 1 \ \rm µ s$?

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

$\ \rm 10^{-4}$

2

What error probability  $p_\text{B, BPSK}$  results for  BPSK  when $T_{\rm B} = 2 \ \rm µ s$?

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

$\ \rm 10^{-8}$

3

What error probability  $p_\text{B, 4-QAM}$  is obtained for  4-QAM  when  $E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm V^2s$?

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

$\ \rm 10^{-8}$

4

Which statements apply if we consider only one branch   $\rm (I$  or  $\rm Q)$  of the 4–QAM?

The same result is obtained as for the entire 4-QAM.
The distance of the noisless samples from the threshold  $E=0$  is the same  $(s_0)$  as in BPSK.
The same result is obtained for the noise power as in BPSK.


Solution

(1)  With the values given,  for  "Binary Phase Shift Keying"  (BPSK),  one gets:

$$E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} = \frac{1}{2}\cdot (2\,{\rm V})^2 \cdot 1\,{\rm µ s} = 2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {E_{\rm B}}/{N_0} = \frac {2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s}}{0.25 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}} = 8$$
$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{16} \right ) = {\rm Q}\left ( 4 \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{8}\right )\hspace{0.05cm}.$$
  • Based on the given   $x$–values in the table,  it is convenient to use the first equation in this subtask:
$$p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( 4 \right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.317 \cdot 10^{-4} }\hspace{0.05cm}.$$


(2)  With twice the bit duration,  the energy is also twice as large:  $E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm V^2s$ ⇒ $E_{\rm B}/N_0 = 16$.

  • It follows that:
$$p_\text{B, BPSK} = {\rm Q}\left ( \sqrt{32} \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{16}\right ) ={1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( 4\right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.771 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$
  • For pragmatic reasons,  the last column of the table was used here.



(3)  Substituting the equations given for the 4-QAM into each other,  we get the same result as for the BPSK:

$$p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) \equiv p_\text{B, BPSK}.$$
  • Also,  since the energy per bit has not changed from subtask  (2),  the same error probability will arise:
$$p_{\rm B, \hspace{0.05cm}4-QAM}= {\rm Q}\left ( \sqrt{32} \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( 4\right ) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.771 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Only  Answer 1  is correct:

  • Of course the error probability is the same in the two branches.  Why would it not be?
  • This would no longer be true with a phase offset between the transmitter and receiver though.
  • However,  the distance of the useful samples from the threshold is  $g_0$  here and thus smaller than the envelope   $s_0$  of the entire 4-QAM by a factor of $\sqrt{2}$ .
  • However,  if the inphase branch  (or the quadrature branch)  is considered as a stand-alone BPSK,  the noise power is also half that of BPSK because of the lower symbol rate.  Therefore,  the error probability remains the same.