Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.18Z: BER of Coherent and Non-Coherent FSK"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Trägerfrequenzsysteme mit nichtkohärenter Demodulation}}  
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Non-Coherent_Demodulation}}  
  
[[File:P_ID2081__Dig_Z_4_18.png|right|frame|Bitfehlerwahrscheinlichkeiten von <br>BPSK und BFSK]]
+
[[File:EN_Dig_Z_4_18.png|right|frame|Bit error probabilities of BPSK and BFSK]]
Die Grafik zeigt die Bitfehlerwahrscheinlichkeit für eine binäre&nbsp; [[Modulation_Methods/Nichtlineare_digitale_Modulation#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying| FSK&ndash;Modulation]]&nbsp; (BFSK) bei
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The diagram shows the bit error probability for&nbsp; [[Modulation_Methods/Non-Linear_Digital_Modulation#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying|"binary FSK modulation"]]&nbsp; $\rm (BFSK)$&nbsp; with
* kohärenter Demodulation bzw.
+
* coherent demodulation,&nbsp; or
* inkohärenter Demodulation
 
  
 +
* incoherent demodulation
  
im Vergleich zur binären Phasenmodulation (BPSK). Es wird stets Orthogonalität vorausgesetzt. Bei kohärenter Demodulation kann hierbei der Modulationsindex&nbsp; $h$&nbsp; ein Vielfaches von&nbsp; $0.5$&nbsp; sein, so dass die mittlere Kurve auch für <i>Minimum Shift Keying</i>&nbsp; (MSK) gültig ist. Dagegen muss bei nichtkohärenter Demodulation einer FSK der Modulationsindex&nbsp; $h$&nbsp; ein Vielfaches von&nbsp; $1$&nbsp; sein.
 
  
Diesem Systemvergleich liegt der AWGN&ndash;Kanal zugrunde, gekennzeichnet durch das Verhältnis&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$. Die Gleichungen für die Bitfehlerwahrscheinlichkeiten lauten bei
+
in comparison with binary phase modulation&nbsp; $\rm (BPSK)$.&nbsp; Orthogonality is always assumed.&nbsp;
* <i>Binary Frequency Shift Keying</i>&nbsp; (BFSK) mit <i>kohärenter</i> Demodulation:
+
*For coherent demodulation,&nbsp; the modulation index&nbsp; $h$&nbsp; can be a multiple of&nbsp; $0.5$,&nbsp; so that the purple curve is also valid for&nbsp; "Minimum Shift Keying"&nbsp; $\rm (MSK)$.&nbsp;
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*On the other hand,&nbsp; for non-coherent demodulation of a BFSK,&nbsp; the modulation index&nbsp; $h$&nbsp; must be a multiple of&nbsp; $1$.&nbsp;
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This system comparison is based on the AWGN channel,&nbsp; characterized by the ratio&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$.&nbsp; The equations for the bit error probabilities are as follows for
 +
* BFSK with&nbsp; <U>coherent</u>&nbsp; demodulation:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q } \left ( \sqrt {{E_{\rm B}}/{N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q } \left ( \sqrt {{E_{\rm B}}/{N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
  
* <i>Binary Frequency Shift Keying</i>&nbsp; (BFSK) mit <i>inkohärenter</i> Demodulation:
+
* BFSK with&nbsp; <U>non-coherent</u>&nbsp; demodulation:
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- E_{\rm B}/{(2N_0) }}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- E_{\rm B}/{(2N_0) }}\hspace{0.05cm}.$$
  
* <i>Binary Phase Shift Keying</i>&nbsp; (BPSK), nur <i>kohärente</i> Demodulation möglich:
+
* BPSK,&nbsp; only&nbsp; <U>coherent</u>&nbsp; demodulation possible:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q } \left ( \sqrt {{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q } \left ( \sqrt {{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
  
Bei BPSK muss das logarithmierte Verhältnis&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, (E_{\rm B}/N_0)$&nbsp; mindestens&nbsp; $9.6 \, \rm dB$&nbsp; betragen, damit die Bitfehlerwahrscheinlichkeit den Wert&nbsp; $p_{\rm B} = 10^{\rm -5}$&nbsp; nicht überschreitet.
 
 
Bei binären Modulationsverfahren kann&nbsp; $p_{\rm B}$&nbsp; auch durch&nbsp; $p_{\rm S}$&nbsp; und &nbsp;$E_{\rm B}$&nbsp; durch &nbsp;$E_{\rm S}$&nbsp; ersetzt werden. Dann spricht man von der Symbolfehlerwahrscheinlichkeit&nbsp; $p_{\rm S}$&nbsp; und der Symbolenergie&nbsp; $E_{\rm S}$.
 
  
 +
<u>Remember:</u>
 +
#For&nbsp; BPSK,&nbsp; the log ratio&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, (E_{\rm B}/N_0)$&nbsp; must be at least&nbsp; $9.6 \, \rm dB$&nbsp; so that the bit error probability does not exceed the value&nbsp; $p_{\rm B} = 10^{\rm -5}$.&nbsp;
 +
#For binary modulation methods,&nbsp; $p_{\rm B}$&nbsp; can also be replaced by&nbsp; $p_{\rm S}$&nbsp; and &nbsp;$E_{\rm B}$&nbsp; by &nbsp;$E_{\rm S}$.&nbsp;
 +
#Then we speak of the symbol error probability&nbsp; $p_{\rm S}$&nbsp; and the symbol energy&nbsp; $E_{\rm S}$.
  
  
  
 +
<u>Notes:</u>
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* The exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Non-Coherent_Demodulation| "Carrier Frequency Systems with Non-Coherent Demodulation"]].
  
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* However,&nbsp; reference is also made to the chapter&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Coherent_Demodulation| "Carrier Frequency Systems with Coherent Demodulation"]].
  
''Hinweise:''
+
* Further information can be found in the book&nbsp; [[Modulation_Methods|"Modulation Methods"]].
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_nichtkoh%C3%A4renter_Demodulation| Trägerfrequenzsysteme mit nichtkohärenter Demodulation]].
+
* Use the approximation&nbsp; ${\rm lg}(2) \approx 0.3$.
* Bezug genommen wird aber auch auf das Kapitel&nbsp; [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_koh%C3%A4renter_Demodulation| Trägerfrequenzsysteme mit kohärenter Demodultion]].
 
* Weitere Informationen finden Sie im Buch [[Modulation_Methods]].
 
* Verwenden Sie die Näherung&nbsp; ${\rm lg}(2) \approx 0.3$.
 
  
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welches&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; ist bei FSK und &nbsp;'''kohärenter Demodulation'''&nbsp; erforderlich, damit die Forderung&nbsp; $p_{\rm B} &#8804; 10^{\rm -5}$ erfüllt ist?
+
{For BFSK and &nbsp;<u>coherent demodulation</u>,&nbsp; which&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; is required to satisfy the requirement&nbsp; $p_{\rm B} &#8804; 10^{\rm -5}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 \ = \ $ { 12.6 3% } $\ \rm dB$
 
$10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 \ = \ $ { 12.6 3% } $\ \rm dB$
  
{Sind die folgenden Aussagen richtig: &nbsp; Das gleiche Ergebnis wie unter '''(1)''' erhält man für
+
{Are the following statements correct: &nbsp; The same result as in&nbsp; '''(1)'''&nbsp; is obtained for
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- die kohärente FSK mit Modulationsindex&nbsp; $\eta = 0.7$,
+
- the coherent FSK with modulation index&nbsp; $\eta = 0.7$,
+ die kohärente FSK mit Modulationsindex&nbsp; $\eta = 1$.
+
+ the coherent FSK with modulation index&nbsp; $\eta = 1$.
  
{Welches&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; ist bei FSK mit Modulationsindex&nbsp; $h = 1$&nbsp; und &nbsp;'''nichtkohärenter Demodulation'''&nbsp; erforderlich, damit&nbsp; $p_{\rm B} &#8804; 10^{\rm -5}$&nbsp; erfüllt ist?
+
{For BFSK with modulation index&nbsp; $h = 1$&nbsp; and&nbsp; <u>non-coherent demodulation</u>,&nbsp; which&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; is required for&nbsp; $p_{\rm B} &#8804; 10^{\rm -5}$&nbsp; to be satisfied?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 \ = \ ${ 13.4 3% } $\ \rm dB$
 
$10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 \ = \ ${ 13.4 3% } $\ \rm dB$
  
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$&nbsp; für FSK und nichtkohärente Demodulation?
+
{What is the error probability with&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$&nbsp; for BFSK and&nbsp; <u>non-coherent demodulation</u>?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B} \ = \ ${ 0.012 5% } $\ \%$
 
$p_{\rm B} \ = \ ${ 0.012 5% } $\ \%$
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Ein Vergleich der Gleichungen auf der Angabenseite macht deutlich, dass bei binärer FSK mit kohärenter Demodulation das AWGN&ndash;Verhältnis $E_{\rm B}/N_0$ verdoppelt werden muss, damit die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit wie bei BPSK erreicht wird.  
+
'''(1)'''&nbsp; A comparison of the equations in the information section makes it clear that for BFSK with coherent demodulation,&nbsp; the AWGN ratio $E_{\rm B}/N_0$&nbsp;  must be doubled to achieve the same error probability as for BPSK.
 +
 
 +
*In other words: &nbsp; The coherent BFSK curve lies &nbsp;  $10 \cdot {\rm lg} \, (2) \approx 3 \ \rm dB$ &nbsp; to the right of the BPSK curve.  
  
*In anderen Worten: &nbsp; Die kohärente BFSK&ndash;Kurve liegt um $10 \cdot {\rm lg} \, (2) \approx 3 \ \rm dB$ rechts von der BPSK&ndash;Kurve. Um $p_{\rm B} &#8804; 10^{\rm &ndash;5}$ zu garantieren, muss gelten:
+
*To guarantee&nbsp; $p_{\rm B} &#8804; 10^{\rm &ndash;5}$,&nbsp;  it must hold:
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm} {E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}\approx
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm} {E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}\approx
 
  9.6\,\,{\rm dB} + 3\,\,{\rm dB}\hspace{0.15cm} \underline{=12.6\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  9.6\,\,{\rm dB} + 3\,\,{\rm dB}\hspace{0.15cm} \underline{=12.6\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
'''(2)'''&nbsp; <u>Solution 2</u>&nbsp;  is correct:
*Die angegebene Gleichung gilt nicht nur für die MSK (diese ist eine FSK mit $h = 0.5$), sondern für jede Form von orthogonaler FSK.  
+
*The given equation is valid not only for the MSK&nbsp;  $($this is a BFSK with&nbsp;  $h = 0.5)$,&nbsp;  but for any form of orthogonal BFSK.
*Eine solche liegt vor, wenn der Modulationsindex $h$ ein ganzzahliges Vielfaches von $0.5$ ist, zum Beispiel für $h = 1$.  
+
 
*Mit $h = 0.7$ ergibt sich keine orthogonale FSK.  
+
*Such a BFSK exists if the modulation index&nbsp;  $h$&nbsp;  is an integer multiple of&nbsp;  $0.5$,&nbsp;  for example for&nbsp;  $h = 1$.
*Es kann gezeigt werden, dass sich für $h = 0.7$ sogar eine kleinere Fehlerwahrscheinlichkeit als bei orthogonaler FSK ergibt.
+
*Mit $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ erreicht man hier sogar $p_{\rm B} \approx 10^{\rm &ndash;6}$, also eine Verbesserung um eine Zehnerpotenz.
+
*With&nbsp;  $h = 0.7$&nbsp;  there is no orthogonal FSK.
 +
 
 +
*It can be shown that for&nbsp;  $h = 0.7$&nbsp;  there is even a smaller error probability than with orthogonal FSK:
 +
 
 +
*With&nbsp;  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ one even achieves $p_{\rm B} \approx 10^{\rm &ndash;6}$,&nbsp;  here,&nbsp;  i.e.&nbsp;  an improvement by one power of ten.
  
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Aus der Umkehrfunktion der angegebenen Gleichung erhält man:
+
'''(3)'''&nbsp; From the inverse function of the given equation,&nbsp;  one obtains:
 
:$$\frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}= {\rm ln}\hspace{0.05cm}\frac{1}{2  p_{\rm B}}= {\rm
 
:$$\frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}= {\rm ln}\hspace{0.05cm}\frac{1}{2  p_{\rm B}}= {\rm
 
  ln}(50000)\approx 10.82\hspace{0.3cm}  
 
  ln}(50000)\approx 10.82\hspace{0.3cm}  
Line 86: Line 98:
  
  
'''(4)'''&nbsp; Aus $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ folgt:
+
'''(4)'''&nbsp; From&nbsp;  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$&nbsp;  follows:
 
:$${E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 10^{1.26} \approx 16.8 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$${E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 10^{1.26} \approx 16.8 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  \frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}\approx 8.4 \hspace{0.3cm}
 
  \frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}\approx 8.4 \hspace{0.3cm}
\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- 8.4}\hspace{0.15cm} \underline{ \approx  0.012 \%}\hspace{0.05cm}.$$
+
\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- 8.4}\hspace{0.15cm} \underline{ \approx  0.012 \%= 12 \cdot 10^{\rm -5}}\hspace{0.05cm}.$$
  
Das heißt: &nbsp; Bei gleichem $E_{\rm B}/N_0$ wird die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der nichtkohärenten Demodulation gegenüber der kohärenten Demodulation gemäß Teilaufgabe (1) um etwa den Faktor 11 vergrößert.
+
This means: &nbsp; For the same&nbsp;  $E_{\rm B}/N_0$,&nbsp;  the error probability for non-coherent demodulation is increased by a factor of about&nbsp; $12$&nbsp; compared to coherent demodulation according to subtask&nbsp;  '''(1)'''.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^4.5 Inkohärente Demodulation^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^4.5 Non-Coherent Demodulation^]]

Latest revision as of 05:39, 11 September 2022

Bit error probabilities of BPSK and BFSK

The diagram shows the bit error probability for  "binary FSK modulation"  $\rm (BFSK)$  with

  • coherent demodulation,  or
  • incoherent demodulation


in comparison with binary phase modulation  $\rm (BPSK)$.  Orthogonality is always assumed. 

  • For coherent demodulation,  the modulation index  $h$  can be a multiple of  $0.5$,  so that the purple curve is also valid for  "Minimum Shift Keying"  $\rm (MSK)$. 
  • On the other hand,  for non-coherent demodulation of a BFSK,  the modulation index  $h$  must be a multiple of  $1$. 


This system comparison is based on the AWGN channel,  characterized by the ratio  $E_{\rm B}/N_0$.  The equations for the bit error probabilities are as follows for

  • BFSK with  coherent  demodulation:
$$p_{\rm B} = {\rm Q } \left ( \sqrt {{E_{\rm B}}/{N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
  • BFSK with  non-coherent  demodulation:
$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- E_{\rm B}/{(2N_0) }}\hspace{0.05cm}.$$
  • BPSK,  only  coherent  demodulation possible:
$$p_{\rm B} = {\rm Q } \left ( \sqrt {{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$


Remember:

  1. For  BPSK,  the log ratio  $10 \cdot {\rm lg} \, (E_{\rm B}/N_0)$  must be at least  $9.6 \, \rm dB$  so that the bit error probability does not exceed the value  $p_{\rm B} = 10^{\rm -5}$. 
  2. For binary modulation methods,  $p_{\rm B}$  can also be replaced by  $p_{\rm S}$  and  $E_{\rm B}$  by  $E_{\rm S}$. 
  3. Then we speak of the symbol error probability  $p_{\rm S}$  and the symbol energy  $E_{\rm S}$.


Notes:

  • Further information can be found in the book  "Modulation Methods".
  • Use the approximation  ${\rm lg}(2) \approx 0.3$.



Questions

1

For BFSK and  coherent demodulation,  which  $E_{\rm B}/N_0$  is required to satisfy the requirement  $p_{\rm B} ≤ 10^{\rm -5}$?

$10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 \ = \ $

$\ \rm dB$

2

Are the following statements correct:   The same result as in  (1)  is obtained for

the coherent FSK with modulation index  $\eta = 0.7$,
the coherent FSK with modulation index  $\eta = 1$.

3

For BFSK with modulation index  $h = 1$  and  non-coherent demodulation,  which  $E_{\rm B}/N_0$  is required for  $p_{\rm B} ≤ 10^{\rm -5}$  to be satisfied?

$10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 \ = \ $

$\ \rm dB$

4

What is the error probability with  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$  for BFSK and  non-coherent demodulation?

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  A comparison of the equations in the information section makes it clear that for BFSK with coherent demodulation,  the AWGN ratio $E_{\rm B}/N_0$  must be doubled to achieve the same error probability as for BPSK.

  • In other words:   The coherent BFSK curve lies   $10 \cdot {\rm lg} \, (2) \approx 3 \ \rm dB$   to the right of the BPSK curve.
  • To guarantee  $p_{\rm B} ≤ 10^{\rm –5}$,  it must hold:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm} {E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}\approx 9.6\,\,{\rm dB} + 3\,\,{\rm dB}\hspace{0.15cm} \underline{=12.6\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Solution 2  is correct:

  • The given equation is valid not only for the MSK  $($this is a BFSK with  $h = 0.5)$,  but for any form of orthogonal BFSK.
  • Such a BFSK exists if the modulation index  $h$  is an integer multiple of  $0.5$,  for example for  $h = 1$.
  • With  $h = 0.7$  there is no orthogonal FSK.
  • It can be shown that for  $h = 0.7$  there is even a smaller error probability than with orthogonal FSK:
  • With  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ one even achieves $p_{\rm B} \approx 10^{\rm –6}$,  here,  i.e.  an improvement by one power of ten.



(3)  From the inverse function of the given equation,  one obtains:

$$\frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}= {\rm ln}\hspace{0.05cm}\frac{1}{2 p_{\rm B}}= {\rm ln}(50000)\approx 10.82\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}= 21.64 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.09cm} {E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}\hspace{0.15cm} \underline{\approx 13.4\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  From  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$  follows:

$${E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 10^{1.26} \approx 16.8 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}\approx 8.4 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- 8.4}\hspace{0.15cm} \underline{ \approx 0.012 \%= 12 \cdot 10^{\rm -5}}\hspace{0.05cm}.$$

This means:   For the same  $E_{\rm B}/N_0$,  the error probability for non-coherent demodulation is increased by a factor of about  $12$  compared to coherent demodulation according to subtask  (1).