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 Gaußschen 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 (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 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.
  
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Quadratur%E2%80%93Amplitudenmodulation|Quadratur–Amplitudenmodulation]].
 
*Bezug genommen wird aber auch auf die Seite [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation#Fehlerwahrscheinlichkeiten_-_ein_kurzer_.C3.9Cberblick|Fehlerwahrscheinlichkeiten – ein kurzer Überblick]] im vorherigen Kapitel.
 
* 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 $T_{\rm B} = 1 \ \rm μs$ (Teilaufgabe 1) bzw. $T_{\rm B} = 2 \ \rm μs$ (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 $R = 1 \ \rm \Omega$.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
===Fragebogen===
+
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:   $s_0 = 2\,{\rm V}, \hspace{0.05cm} N_0 = 0.25 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}\hspace{0.05cm}.$
 +
*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).
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*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  $R = 1 \ \rm \Omega$.
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 +
 
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit $p_\text{B, BPSK}$ ergibt sich für ''Binary Phase Shift Keying'' (BPSK) mit $T_{\rm B} = 1 \ \rm μs$?
+
{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 $p_\text{B, BPSK}$ ergibt sich für ''Binary Phase Shift Keying'' (BPSK) mit $T_{\rm B} = 2 \ \rm μs$?
+
{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 $p_\text{B, 4-QAM}$ erhält man für die 4–QAM mit $E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm V^2s$?
+
{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 (I oder Q) 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 $s_0$.
+
- 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''Binary Phase Shift Keying'' (BPSK):
+
'''(1)'''&nbsp; With the values given,&nbsp; for &nbsp;"Binary Phase Shift Keying"&nbsp; (BPSK),&nbsp; one gets:
:$$E_{\rm B} = {1}/{2} \cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B} = \frac{1}{2}\cdot (2\,{\rm V})^2 \cdot 1\,{\rm \mu s} = 2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s}
+
:$$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 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: $E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm  V^2s$  ⇒  $E_B/N_0 = 16$. Daraus folgt:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; With twice the bit duration,&nbsp; the energy is also twice as large:&nbsp; $E_{\rm B} = 4 · 10^{–6} \ \rm  V^2s$  ⇒  $E_{\rm B}/N_0 = 16$.  
 +
*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 b) 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>:
+
 
*Die Fehlerwahrscheinlichkeit ist natürlich in den beiden Zweigen gleich groß. Warum auch nicht? Das würde allerdings bei einem Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger nicht mehr gelten.
+
'''(4)'''&nbsp; Only&nbsp; <u>Answer 1</u>&nbsp; is correct:
*Der Abstand der Nutzabtastwerte von der Schwelle ist hier allerdings $g_0$ und damit um den Faktor $\sqrt{2}$ kleiner als die Hüllkurve $s_0$ der gesamten 4–QAM.
+
*Of course the error probability is the same in the two branches.&nbsp;  Why would it not be?
*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. Deshalb bleibt die Fehlerwahrscheinlichkeit gleich.
+
*This would no longer be true with a phase offset between the transmitter and receiver though.
 +
*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;.
 +
*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.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^4.3 Quadratur–Amplitudenmodulation^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.3 Quadrature Amplitude Modulation^]]

Latest revision as of 07:43, 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.