Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.9: Higher-Level Modulation"

From LNTwww
Line 3: Line 3:
 
}}
 
}}
  
[[File:EN_Inf_A_4_9.png|right|frame|Einige Kanalkapazitätskurven]]
+
[[File:EN_Inf_A_4_9.png|right|frame|Some channel capacitance curves]]
Die Grafik zeigt  AWGN–Kanalkapazitätskurven über der Abszisse  $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0})$:
+
The graph shows AWGN channel capacity curves over the  $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0})$:
* $C_\text{Gauß}$:    Shannonsche Grenzkurve,
+
* $C_\text{Gauß}$:    Shannon's boundary curve,
* $C_\text{BPSK}$:    gültig für ''Binary Phase Shift Keying''.
+
* $C_\text{BPSK}$:    valid for ''Binary Phase Shift Keying''.
  
  
Die beiden weiteren Kurvenverläufe  $C_\text{rot}$  und  $C_\text{braun}$  sollen in den Teilaufgaben  '''(3)'''  und  '''(4)'''  analysiert und möglichen Modulationsverfahren zugeordnet werden.
+
The two other curves  $C_\text{rot}$  and  $C_\text{braun}$  should be analyzed and assigned to possible modulation schemes in subtasks  '''(3)'''  and  '''(4)''' .
  
  
Line 17: Line 17:
  
  
''Hinweise:''
+
Hints:
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Information_Theory/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang|AWGN–Kanalkapazität bei wertdiskretem Eingang]].
+
*The task belongs to the chapter  [[Information_Theory/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang|AWGN channel capacitance with discrete value input]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Information_Theory/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang#Die_Kanalkapazit.C3.A4t_.7F.27.22.60UNIQ-MathJax82-QINU.60.22.27.7F_als_Funktion_von_.7F.27.22.60UNIQ-MathJax83-QINU.60.22.27.7F|Die Kanalkapazität $C$ als Funktion von $E_{\rm S}/{N_0}$]].  
+
*Reference is made in particular to the page  [[Information_Theory/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang#The_channel_capacity_.7F.27.22.60UNIQ-MathJax81-QINU.60.22.27.7F_as_a_function_of_.7F.27.22.60UNIQ-MathJax82-QINU.60.22.27.7F|The channel capacity $C$ as a function of $E_{\rm S}/{N_0}$]].  
*Da die Ergebnisse in "bit" angegeben werden sollen, wird in den Gleichungen  "log" &nbsp;&#8658;&nbsp; "log<sub>2</sub>" verwendet.  
+
*Since the results are to be given in "bit", "log" &nbsp;&#8658;&nbsp; "log<sub>2</sub>" is used in the equations.
*Die im Fragebogen genannten Modulationsverfahren werden anhand ihrer Signalraumkonstellation beschrieben:
+
*The modulation methods mentioned in the questions are described in terms of their signal space constellation:
  
  
 +
[[File:EN_Inf_A_4_9_Zusatz.png|right|frame|Proposed signal space constellations]]
  
[[File:EN_Inf_A_4_9_Zusatz.png|right|frame|Vorgeschlagene Signalraumkonstellationen]]
+
''Notes on nomenclature:'':
 
+
*In the literature,"BPSK" is sometimes also referred to as "2&ndash;ASK"
''Anmerkungen zur Nomenklatur'':
 
*In der Literatur wird manchmal die "BPSK" auch mit "2&ndash;ASK" bezeichnet
 
 
:$$x &#8712; X = \{+1,\ -1\}.$$  
 
:$$x &#8712; X = \{+1,\ -1\}.$$  
*Dagegen verstehen wir in unserem Lerntutorial $\rm LNTwww$ als "ASK" den unipolaren Fall
+
*In contrast, in our learning tutorial $\rm LNTwww$ we understand as "ASK" the unipolar case
 
:$$x &#8712; X = \{0,\ 1 \}.$$   
 
:$$x &#8712; X = \{0,\ 1 \}.$$   
*Nach unserer Nomenklatur gilt deshalb:  
+
*Therefore, according to our nomenclature:  
 
:$$C_\text{AK} < C_\text{BPSK}$$  
 
:$$C_\text{AK} < C_\text{BPSK}$$  
  
Dieser Sachverhalt ist unerheblich für die Lösung der vorliegenden Aufgabe.
+
This fact is irrelevant for the solution of the present problem.
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Gleichung liegt der Shannon&ndash;Grenzkurve &nbsp;$C_{\rm Gauß}$&nbsp; zugrunde?
+
{What equation underlies the Shannon boundary curve &nbsp;$C_{\rm Gauß}$&nbsp; ?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt &nbsp; $C_{\rm Gauß}  = C_1= {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + E_{\rm S}/{N_0})$ ,
+
- &nbsp; $C_{\rm Gauß}  = C_1= {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + E_{\rm S}/{N_0})$ ,
+ Es gilt &nbsp; $C_{\rm Gauß}  = C_2= {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + 2 \cdot E_{\rm S}/{N_0})$ ,
+
+ &nbsp; $C_{\rm Gauß}  = C_2= {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + 2 \cdot E_{\rm S}/{N_0})$ ,
- Es gilt &nbsp; $C_{\rm Gauß}  = C_3=  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + E_{\rm S}/{N_0})$ .
+
- &nbsp; $C_{\rm Gauß}  = C_3=  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + E_{\rm S}/{N_0})$ .
  
  
{Welche Aussagen treffen für die grüne Kurve &nbsp;$C_{\rm BPSK}$&nbsp; zu?
+
{Which statements are true for the green curve &nbsp;$C_{\rm BPSK}$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $C_{\rm BPSK}$&nbsp; kann nicht in geschlossener Form angegeben werden.
+
+ $C_{\rm BPSK}$&nbsp; cannot be given in closed form.
+ $C_{\rm BPSK}$&nbsp; ist größer als Null, wenn &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0} > 0$&nbsp; vorausgesetzt wird.
+
+ $C_{\rm BPSK}$&nbsp; is greater than zero if &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0} > 0$&nbsp; is assumed.
- Für &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0} < \ln (2)$&nbsp; ist &nbsp;$C_{\rm BPSK} &equiv; 0$.
+
- For &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0} < \ln (2)$&nbsp;,&nbsp;$C_{\rm BPSK} &equiv; 0$.
+ Im gesamten Bereich gilt &nbsp;$C_{\rm BPSK} < C_{\rm Gauß} $.
+
+ In the whole range &nbsp;$C_{\rm BPSK} < C_{\rm Gauß} $ is valid.
  
{Welche Aussagen treffen für die rote Kurve &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp; zu?
+
{Which statements are true for the red curve &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Für die zugehörige Zufallsgröße &nbsp;$X$&nbsp; gilt &nbsp;$M_X = |X| = 2$.
+
- For the associated random variable &nbsp;$X$&nbsp; gilt &nbsp;$M_X = |X| = 2$.
+ Für die zugehörige Zufallsgröße &nbsp;$X$&nbsp; gilt &nbsp;$M_X = |X| = 4$.
+
+ For the associated random variable &nbsp;$X$&nbsp; gilt &nbsp;$M_X = |X| = 4$.
+ $C_{\rm rot}$&nbsp; ist gleichzeitig die Kanalkapazität der 4&ndash;ASK.
+
+ $C_{\rm rot}$&nbsp; is simultaneously the channel capacity of the 4&ndash;ASK.
- $C_{\rm rot}$&nbsp; ist gleichzeitig die Kanalkapazität der 4&ndash;QAM.
+
- $C_{\rm rot}$&nbsp; is simultaneously the channel capacity of the 4&ndash;QAM.
+ Für alle &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0} > 0$&nbsp; liegt &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp; zwischen "grün" und "braun".
+
+ For all &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0} > 0$&nbsp; &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp; is between "grün" and "braun".
  
  
{Welche Aussagen treffen für die braune Kurve &nbsp;$C_{\rm braun}$&nbsp; zu? &nbsp;($p_{\rm B}$: &nbsp; Bitfehlerwahrscheinlichkeit)
+
{Which statements are true for the brown curve &nbsp;$C_{\rm braun}$&nbsp; ? &nbsp;($p_{\rm B}$: &nbsp; bit error probability)
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Für die zugehörige Zufallsgröße &nbsp;$X$&nbsp; gilt &nbsp;$M_X = |X| = 8$.
+
+ For the associated random variable &nbsp;$X$&nbsp;, &nbsp;$M_X = |X| = 8$.
+ $C_{\rm braun}$&nbsp; ist gleichzeitig die Kanalkapazität der 8&ndash;ASK.
+
+ $C_{\rm braun}$&nbsp; is simultaneously the channel capacity of the 8&ndash;ASK.
- $C_{\rm braun}$&nbsp; ist gleichzeitig die Kanalkapazität der 8&ndash;PSK.
+
- $C_{\rm braun}$&nbsp; is simultaneously the channel capacity of the 8&ndash;PSK.
- $p_{\rm B} &equiv; 0$&nbsp; ist mit 8&ndash;ASK,&nbsp; $R = 2.5$&nbsp; und&nbsp; $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$&nbsp; möglich.
+
- $p_{\rm B} &equiv; 0$&nbsp; is possible with 8&ndash;ASK,&nbsp; $R = 2.5$&nbsp; and&nbsp; $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$&nbsp;.
+ $p_{\rm B} &equiv; 0$&nbsp; ist mit 8&ndash;ASK,&nbsp; $R = 2$&nbsp; und&nbsp; $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$&nbsp; möglich.
+
+ $p_{\rm B} &equiv; 0$&nbsp; is possible with 8&ndash;ASK,&nbsp; $R = 2$&nbsp; and&nbsp; $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$&nbsp;.
  
  
Line 76: Line 75:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Vorschlag 2</u>, wie die Rechnung für &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 15 \ \rm dB$ &nbsp;&nbsp;&#8658; &nbsp; $E_{\rm S}/{N_0} = 31.62$ zeigt:
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Proposition 2</u> is correct, as shown by the calculation for &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 15 \ \rm dB$ &nbsp;&nbsp;&#8658; &nbsp; $E_{\rm S}/{N_0} = 31.62$ zeigt:
 
:$$C_2(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) = {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 +  2 \cdot 31.62 ) = {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 64.25 ) \approx 3\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm}. $$
 
:$$C_2(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) = {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 +  2 \cdot 31.62 ) = {1}/{2} \cdot  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 64.25 ) \approx 3\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm}. $$
*Die beiden anderen Lösungsvorschläge liefern folgende Zahlenwerte:
+
*The other two proposed solutions provide the following numerical values:
 
:$$C_3(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) \  =  \  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 +  31.62 ) \approx 5.03\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$C_3(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) \  =  \  {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 +  31.62 ) \approx 5.03\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ C_1(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) \  =  \  C_3/2 \approx 2.51\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ C_1(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) \  =  \  C_3/2 \approx 2.51\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm}.$$
*Der Lösungsvorschlag 3 entspricht dabei dem Fall ''Zweier unabhängiger Gaußkanäle'' mit jeweils halber Sendeleistung pro Kanal.
+
*The proposed solution 3 corresponds to the case of ''two independent Gaussian channels'' with half transmit power per channel.
  
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 4</u>:
+
'''(2)'''&nbsp;<u>Proposed solutions 1, 2 and 4</u> are correct:
*Würde man &nbsp;$E_{\rm S}$&nbsp; durch &nbsp;$E_{\rm B}$&nbsp; ersetzen, so wäre auch die Aussage 3 richtig.  
+
*If one would replace &nbsp;$E_{\rm S}$&nbsp; by &nbsp;$E_{\rm B}$&nbsp;, then also the statement 3 would be correct.
*Für &nbsp;$E_{\rm B}/{N_0} < \ln (2)$&nbsp; gilt nämlich &nbsp;$C_{\rm Gauß} &equiv; 0$&nbsp; und damit auch &nbsp;$C_{\rm BPSK} &equiv; 0$&nbsp;.
+
*For &nbsp;$E_{\rm B}/{N_0} < \ln (2)$&nbsp; &nbsp;$C_{\rm Gauß} &equiv; 0$&nbsp; is valid and therefore also &nbsp;$C_{\rm BPSK} &equiv; 0$&nbsp;.
  
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 2, 3 und 5</u>:  
+
'''(3)'''&nbsp; <u>Statements 2, 3 and 5</u> are correct::  
*Der rote Kurvenzug &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp; liegt stets oberhalb von &nbsp;$C_{\rm BPSK}$&nbsp;, aber unterhalb von &nbsp;$C_{\rm braun}$&nbsp; und der Shannon&ndash;Grenzkurve &nbsp;$C_{\rm Gauß}$.  
+
*The red curve &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp; is always above &nbsp;$C_{\rm BPSK}$&nbsp;, but below &nbsp;$C_{\rm braun}$&nbsp; and the Shannon boundary curve &nbsp;$C_{\rm Gauß}$.  
*Die Aussagen gelten auch, wenn für gewisse &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}$&ndash;Werte Kurven innerhalb der Zeichengenauigkeit nicht zu unterscheiden sind.
+
*The statements also hold if for certain &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}$ values curves are indistinguishable within the character precision.
*Aus dem Grenzwert &nbsp;$C_{\rm rot}= 2 \ \rm bit/Kanalzugriff$&nbsp; für &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}  &#8594; &#8734;$&nbsp; ergibt sich der Symbolumfang &nbsp;$M_X = |X| = 4$.  
+
*From the limit &nbsp;$C_{\rm rot}= 2 \ \rm bit/channel use$&nbsp; for &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}  &#8594; &#8734;$&nbsp;, the symbol range &nbsp;$M_X = |X| = 4$.  
*Die rote Kurve beschreibt also die 4&ndash;ASK.&nbsp; $M_X = |X| = 2$&nbsp; würde für die BPSK gelten.
+
*Thus, the red curve describes the 4&ndash;ASK.&nbsp; $M_X = |X| = 2$&nbsp; would apply to the BPSK.
*Die 4&ndash;QAM führt genau zum gleichen Endwert "2 bit/Kanalzugriff".&nbsp; Für kleine &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}$&ndash;Werte liegt aber die Kanalkapazität &nbsp;$C_{\rm 4&ndash;QAM}$&nbsp; oberhalb der roten Kurve, da &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp; von der Gauß&ndash;Grenzkurve &nbsp;$C_2$&nbsp; begrenzt wird, $C_{\rm 4&ndash;QAM}$&nbsp; aber von &nbsp;$C_3$.  
+
*The 4&ndash;QAM leads exactly to the same final value "2 bit/channel use".&nbsp; For small &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}$ values, however, the channel capacity &nbsp;$C_{\rm 4&ndash;QAM}$&nbsp; is above the red curve, since &nbsp;$C_{\rm rot}$&nbsp; is bounded by the Gaussian boundary curve &nbsp;$C_2$&nbsp;, but $C_{\rm 4&ndash;QAM}$&nbsp; is bounded by &nbsp;$C_3$.  
  
  
Die Bezeichnungen &nbsp;$C_2$&nbsp; und &nbsp;$C_3$&nbsp; beziehen sich hierbei auf die Teilaufgabe&nbsp; '''(1)'''.
+
The designations &nbsp;$C_2$&nbsp; and &nbsp;$C_3$&nbsp; here refer to subtask&nbsp; '''(1)'''.
  
  
  
  
[[File:EN_Inf_A_4_9e_v2.png|right|frame|Kanalkapazitätsgrenzen für <br>BPSK, 4–ASK und 8–ASK]]
+
[[File:EN_Inf_A_4_9e_v2.png|right|frame|Channel capacity limits for <br>BPSK, 4–ASK and 8–ASK]]
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 5</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; <u>Proposed solutions 1, 2 and 5</u> are correct:
*Aus dem braunen Kurvenverlauf erkennt man die Richtigkeit der beiden ersten Aussagen.
+
*From the brown curve, one can see the correctness of the first two statements.
*Die 8&ndash;PSK mit I&ndash; und Q&ndash;Komponente &ndash; also mit&nbsp; $K = 2$&nbsp; Dimensionen &ndash; liegt für kleine &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}$&ndash;Werte etwas oberhalb der braunen Kurve &nbsp; &rArr; &nbsp; die Antwort 3 ist falsch.
+
*The 8&ndash;PSK with I&ndash; and Q&ndash;components &ndash; i.e. with&nbsp; $K = 2$&nbsp; dimensions &ndash; lies slightly above the brown curve for small &nbsp;$E_{\rm S}/{N_0}$ values &nbsp; &rArr; &nbsp; the answer 3 is incorrect.
  
  
In der Grafik sind auch die beiden 8&ndash;ASK&ndash;Systeme gemäß den Vorschlägen 4 und 5 als Punkte eingezeichnet.
+
In the graph, the two 8&ndash;ASK&ndash;systems are also drawn as dots according to propositions 4 and 5.
* Der violette Punkt liegt über der Kurve &nbsp;$C_{\rm 8&ndash;ASK}$ &nbsp; &#8658; &nbsp; $R = 2.5$ und $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ reichen nicht aus, um die  8&ndash;ASK fehlerfrei decodieren zu können &nbsp; &#8658; &nbsp; $R > C$ &nbsp; &#8658; &nbsp; das Kanalcodierungstheorem wird nicht erfüllt &nbsp; &#8658; &nbsp; Antwort 4 ist falsch.
+
* The purple dot is above the &nbsp;$C_{\rm 8&ndash;ASK}$ curve &nbsp; &#8658; &nbsp; $R = 2.5$ and $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ are not enough to decode the 8&ndash;ASK without errors &nbsp; &#8658; &nbsp; $R > C$ &nbsp; &#8658; &nbsp; the channel coding theorem is not satisfied &nbsp; &#8658; &nbsp; answer 4 is wrong.
* Reduziert man aber die Coderate gemäß dem gelben Punkt bei gleichem $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ auf $R = 2 < C_{\rm 8&ndash;ASK}$, so wird das Kanalcodierungstheorem erfüllt  &nbsp; &#8658; &nbsp; Antwort 5 ist richtig.
+
* However, if we reduce the code rate to $R = 2 < C_{\rm 8&ndash;ASK}$  according to the yellow dot for the same $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$, the channel coding theorem is satisfied  &nbsp; &#8658; &nbsp; Answer 5 is correct.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}

Revision as of 15:16, 12 October 2021

Some channel capacitance curves

The graph shows AWGN channel capacity curves over the  $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0})$:

  • $C_\text{Gauß}$:    Shannon's boundary curve,
  • $C_\text{BPSK}$:    valid for Binary Phase Shift Keying.


The two other curves  $C_\text{rot}$  and  $C_\text{braun}$  should be analyzed and assigned to possible modulation schemes in subtasks  (3)  and  (4) .




Hints:


Proposed signal space constellations

Notes on nomenclature::

  • In the literature,"BPSK" is sometimes also referred to as "2–ASK"
$$x ∈ X = \{+1,\ -1\}.$$
  • In contrast, in our learning tutorial $\rm LNTwww$ we understand as "ASK" the unipolar case
$$x ∈ X = \{0,\ 1 \}.$$
  • Therefore, according to our nomenclature:
$$C_\text{AK} < C_\text{BPSK}$$

This fact is irrelevant for the solution of the present problem.


Questions

1

What equation underlies the Shannon boundary curve  $C_{\rm Gauß}$  ?

  $C_{\rm Gauß} = C_1= {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + E_{\rm S}/{N_0})$ ,
  $C_{\rm Gauß} = C_2= {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + 2 \cdot E_{\rm S}/{N_0})$ ,
  $C_{\rm Gauß} = C_3= {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + E_{\rm S}/{N_0})$ .

2

Which statements are true for the green curve  $C_{\rm BPSK}$ ?

$C_{\rm BPSK}$  cannot be given in closed form.
$C_{\rm BPSK}$  is greater than zero if  $E_{\rm S}/{N_0} > 0$  is assumed.
For  $E_{\rm S}/{N_0} < \ln (2)$ , $C_{\rm BPSK} ≡ 0$.
In the whole range  $C_{\rm BPSK} < C_{\rm Gauß} $ is valid.

3

Which statements are true for the red curve  $C_{\rm rot}$ ?

For the associated random variable  $X$  gilt  $M_X = |X| = 2$.
For the associated random variable  $X$  gilt  $M_X = |X| = 4$.
$C_{\rm rot}$  is simultaneously the channel capacity of the 4–ASK.
$C_{\rm rot}$  is simultaneously the channel capacity of the 4–QAM.
For all  $E_{\rm S}/{N_0} > 0$   $C_{\rm rot}$  is between "grün" and "braun".

4

Which statements are true for the brown curve  $C_{\rm braun}$  ?  ($p_{\rm B}$:   bit error probability)

For the associated random variable  $X$ ,  $M_X = |X| = 8$.
$C_{\rm braun}$  is simultaneously the channel capacity of the 8–ASK.
$C_{\rm braun}$  is simultaneously the channel capacity of the 8–PSK.
$p_{\rm B} ≡ 0$  is possible with 8–ASK,  $R = 2.5$  and  $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ .
$p_{\rm B} ≡ 0$  is possible with 8–ASK,  $R = 2$  and  $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ .


Solution

(1)  Proposition 2 is correct, as shown by the calculation for  $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 15 \ \rm dB$   ⇒   $E_{\rm S}/{N_0} = 31.62$ zeigt:

$$C_2(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + 2 \cdot 31.62 ) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 64.25 ) \approx 3\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm}. $$
  • The other two proposed solutions provide the following numerical values:
$$C_3(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) \ = \ {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + 31.62 ) \approx 5.03\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm},$$
$$ C_1(15\hspace{0.1cm}{\rm dB}) \ = \ C_3/2 \approx 2.51\,{\rm bit/Kanalzugriff}\hspace{0.05cm}.$$
  • The proposed solution 3 corresponds to the case of two independent Gaussian channels with half transmit power per channel.



(2) Proposed solutions 1, 2 and 4 are correct:

  • If one would replace  $E_{\rm S}$  by  $E_{\rm B}$ , then also the statement 3 would be correct.
  • For  $E_{\rm B}/{N_0} < \ln (2)$   $C_{\rm Gauß} ≡ 0$  is valid and therefore also  $C_{\rm BPSK} ≡ 0$ .



(3)  Statements 2, 3 and 5 are correct::

  • The red curve  $C_{\rm rot}$  is always above  $C_{\rm BPSK}$ , but below  $C_{\rm braun}$  and the Shannon boundary curve  $C_{\rm Gauß}$.
  • The statements also hold if for certain  $E_{\rm S}/{N_0}$ values curves are indistinguishable within the character precision.
  • From the limit  $C_{\rm rot}= 2 \ \rm bit/channel use$  for  $E_{\rm S}/{N_0} → ∞$ , the symbol range  $M_X = |X| = 4$.
  • Thus, the red curve describes the 4–ASK.  $M_X = |X| = 2$  would apply to the BPSK.
  • The 4–QAM leads exactly to the same final value "2 bit/channel use".  For small  $E_{\rm S}/{N_0}$ values, however, the channel capacity  $C_{\rm 4–QAM}$  is above the red curve, since  $C_{\rm rot}$  is bounded by the Gaussian boundary curve  $C_2$ , but $C_{\rm 4–QAM}$  is bounded by  $C_3$.


The designations  $C_2$  and  $C_3$  here refer to subtask  (1).



Channel capacity limits for
BPSK, 4–ASK and 8–ASK

(4)  Proposed solutions 1, 2 and 5 are correct:

  • From the brown curve, one can see the correctness of the first two statements.
  • The 8–PSK with I– and Q–components – i.e. with  $K = 2$  dimensions – lies slightly above the brown curve for small  $E_{\rm S}/{N_0}$ values   ⇒   the answer 3 is incorrect.


In the graph, the two 8–ASK–systems are also drawn as dots according to propositions 4 and 5.

  • The purple dot is above the  $C_{\rm 8–ASK}$ curve   ⇒   $R = 2.5$ and $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ are not enough to decode the 8–ASK without errors   ⇒   $R > C$   ⇒   the channel coding theorem is not satisfied   ⇒   answer 4 is wrong.
  • However, if we reduce the code rate to $R = 2 < C_{\rm 8–ASK}$ according to the yellow dot for the same $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$, the channel coding theorem is satisfied   ⇒   Answer 5 is correct.