Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.11Z: OOK and BPSK once again"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Trägerfrequenzsysteme mit kohärenter Demodulation}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Coherent_Demodulation}}
  
[[File:P_ID2061__Dig_Z_4_11.png|right|frame|Fehlerwahrscheinlichkeiten von <i>On&ndash;Off&ndash;Keying</i> und <i>Binary Phase Shift Keying</i>]]
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[[File:P_ID2061__Dig_Z_4_11.png|right|frame|Error probabilities of <i>On&ndash;Off Keying</i> and <i>Binary Phase Shift Keying</i>]]
Hier werden die Fehlerwahrscheinlichkeiten&nbsp; $p_{\rm S}$&nbsp; von den digitalen Modulationsverfahren <i>On&ndash;Off&ndash;Keying</i>&nbsp; (OOK) und <i>Binary Phase Shift Keying</i>&nbsp; (BPSK) ohne Herleitung angegeben. Beispielsweise erhält man mit der sogenannten Q&ndash;Funktion
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The error probabilities&nbsp; $p_{\rm S}$&nbsp; of the digital modulation methods <i>On&ndash;Off Keying</i>&nbsp; (OOK) and <i>Binary Phase Shift Keying</i>&nbsp; (BPSK) are given here without derivation. For example, one obtains with the so-called Q function
 
:$${\rm Q} (x) = \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\cdot \int_{\it
 
:$${\rm Q} (x) = \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\cdot \int_{\it
 
x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u$$
 
x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u$$
  
für den AWGN&ndash;Kanal &ndash; gekennzeichnet durch&nbsp; $E_{\rm S}/N_0$&nbsp; &ndash; und weiteren optimalen Voraussetzungen (zum Beispiel kohärente Demodulation)
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for the AWGN channel &ndash; identified by&nbsp; $E_{\rm S}/N_0$&nbsp; &ndash; and other optimal conditions (e.g. coherent demodulation)
* für <i>On&ndash;Off&ndash;Keying</i>&nbsp; (OOK), oft auch <i>Amplitude Shift Keying</i>&nbsp; (2&ndash;ASK) genannt:
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* for <i>On&ndash;Off Keying</i>&nbsp; (OOK), often also called <i>Amplitude Shift Keying</i>&nbsp; (2&ndash;ASK):
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{E_{\rm S}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{E_{\rm S}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
 
  ) \hspace{0.05cm},$$
 
  ) \hspace{0.05cm},$$
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Diese Symbolfehlerwahrscheinlichkeiten (gleichzeitig die Bitfehlerwahrscheinlichkeiten) sind in der Grafik dargestellt.  
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These symbol error probabilities (at the same time the bit error probabilities) are shown in the graph.
  
Für&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$&nbsp; erhält man beispielsweise entsprechend den exakten Funktionen:
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For example, for&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$&nbsp; one obtains according to the exact functions:
 
:$$p_{\rm S} = 7.83 \cdot 10^{-4}\,\,{\rm (OOK)}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}
 
:$$p_{\rm S} = 7.83 \cdot 10^{-4}\,\,{\rm (OOK)}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}
 
p_{\rm S} = 3.87 \cdot 10^{-6}\,\,{\rm (BPSK)}\hspace{0.05cm}.$$
 
p_{\rm S} = 3.87 \cdot 10^{-6}\,\,{\rm (BPSK)}\hspace{0.05cm}.$$
  
Um bei BPSK&nbsp; $p_{\rm S} = 10^{\rm -5}$&nbsp; zu erreichen, muss&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 &#8805; 9.6 \ \rm dB$&nbsp; sein.
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In order to achieve&nbsp; $p_{\rm S} = 10^{\rm -5}$&nbsp; with BPSK,&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 &#8805; 9.6 \ \rm dB$&nbsp; must hold.
  
  
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''Hinweise:''
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''Notes:''
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_koh%C3%A4renter_Demodulation| Trägerfrequenzsysteme mit kohärenter Demodulation]].
+
* The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Coherent_Demodulation|"Carrier Frequency Systems with Coherent Demodulation"]].
* Die Herleitungen finden Sie auch im Kapitel&nbsp; [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Lineare_digitale_Modulation_%E2%80%93_Koh%C3%A4rente_Demodulation| Lineare digitale Modulation &ndash; Kohärente Demodulation]].
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* You can also find the derivations in the chapter&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|"Linear Digital Modulation &ndash; Coherent Demodulation"]].
 
   
 
   
* Verwenden Sie für die komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion die folgende obere Schranke:
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* For the complementary Gaussian error function, use the following upper bound:
 
:$${\rm Q}(x)  \approx  \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot x} \cdot {\rm e}^{-x^2/2}
 
:$${\rm Q}(x)  \approx  \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot x} \cdot {\rm e}^{-x^2/2}
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
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===Fragebogen===
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===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die &nbsp;'''OOK'''&ndash;Symbolfehlerwahrscheinlichkeit für&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$&nbsp; unter Verwendung der oberen Schranke.
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{Calculate the&nbsp;'''OOK''' symbol error probability for&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$&nbsp; using the upper bound.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm S}\ = \ $  { 85 3% } $\ \cdot 10^{\rm &ndash;5}$
 
$p_{\rm S}\ = \ $  { 85 3% } $\ \cdot 10^{\rm &ndash;5}$
  
{Wie groß ist die &nbsp;'''BPSK'''&ndash;Symbolfehlerwahrscheinlichkeit für&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$?
+
{What is the &nbsp;'''BPSK''' symbol error probability for&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm S}\ = \ $ { 0.405 3% } $\ \cdot 10^{\rm &ndash;5}$
 
$p_{\rm S}\ = \ $ { 0.405 3% } $\ \cdot 10^{\rm &ndash;5}$
  
{Geben Sie für&nbsp; '''OOK''' den minimalen Wert für&nbsp; $E_{\rm S}/N_0$&nbsp; $($in $\rm dB)$&nbsp; an, der für&nbsp; $p_{\rm S} = 10^{\rm -5}$ erforderlich ist.
+
{For&nbsp; '''OOK''', give the minimum value of&nbsp; $E_{\rm S}/N_0$&nbsp; $($in $\rm dB)$&nbsp; required for&nbsp; $p_{\rm S} = 10^{\rm -5}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
${\rm Minimum} \big[10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 \big ] \ = \ $ { 12.6 3% } $\ \rm dB$
 
${\rm Minimum} \big[10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 \big ] \ = \ $ { 12.6 3% } $\ \rm dB$
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$ folgt $E_{\rm S}/N_0 = 10$ und damit
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'''(1)'''&nbsp; From $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$ it follows that $E_{\rm S}/N_0 = 10$ and thus
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{10} \right ) \approx  
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{10} \right ) \approx  
 
  \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 20\pi} }\cdot \rm e^{-5  }  \underline{=85 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 20\pi} }\cdot \rm e^{-5  }  \underline{=85 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Der tatsächliche Wert gemäß dem Angabenblatt lautet $78.3 \cdot 10^{\rm -5}$.  
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*The actual value according to the data section is $78.3 \cdot 10^{\rm -5}$.  
*Die angegebene Gleichung ist also tatsächlich eine obere Schranke für ${\rm Q}(x)$.  
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*So the given equation is actually an upper bound for ${\rm Q}(x)$.  
*Der relative Fehler bei Verwendung dieser Näherung anstelle der exakten Funktion ${\rm Q}(x)$ ist in diesem Fall kleiner als $10\%$.
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*The relative error when using this approximation instead of the exact function ${\rm Q}(x)$ is less than $10\%$ in this case.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Bei BPSK lautet die entsprechende Gleichung:
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'''(2)'''&nbsp; For BPSK, the corresponding equation is:
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{20} \right ) \approx  
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{20} \right ) \approx  
 
  \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 40\pi} }\cdot \rm e^{-10  }  \underline{=0.405 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 40\pi} }\cdot \rm e^{-10  }  \underline{=0.405 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Nun beträgt der relative Fehler bei Verwendung der Näherung nur noch $5\%$.  
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*Now the relative error using the approximation is only $5\%$.  
*Allgemein gilt: Je kleiner die Fehlerwahrscheinlichkeit ist, um so besser ist die Näherung.
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*In general: The smaller the error probability, the better the approximation.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Bei BPSK ist hierfür laut Angabe ein (logarithmierter) Wert von $9.6 \ \rm dB$ erforderlich.  
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'''(3)'''&nbsp; According to the specification, a (logarithmic) value of $9.6 \ \rm dB$ is required for BPSK.
*Bei der OOK muss der logarithmierte Wert um etwa $3 \ \rm dB$ erhöht werden &#8658; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 \ \underline {\approx 12.6 \ \rm dB}$.
+
*With the OOK, the logarithmic value must be increased by about $3 \ \rm dB$ &#8658; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 \ \underline {\approx 12.6 \ \rm dB}$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 14:58, 19 July 2022

Error probabilities of On–Off Keying and Binary Phase Shift Keying

The error probabilities  $p_{\rm S}$  of the digital modulation methods On–Off Keying  (OOK) and Binary Phase Shift Keying  (BPSK) are given here without derivation. For example, one obtains with the so-called Q function

$${\rm Q} (x) = \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\cdot \int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u$$

for the AWGN channel – identified by  $E_{\rm S}/N_0$  – and other optimal conditions (e.g. coherent demodulation)

  • for On–Off Keying  (OOK), often also called Amplitude Shift Keying  (2–ASK):
$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{E_{\rm S}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) \hspace{0.05cm},$$
  • für Binary Phase Shift Keying  (BPSK):
$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm S}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) \hspace{0.05cm}.$$


These symbol error probabilities (at the same time the bit error probabilities) are shown in the graph.

For example, for  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$  one obtains according to the exact functions:

$$p_{\rm S} = 7.83 \cdot 10^{-4}\,\,{\rm (OOK)}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} p_{\rm S} = 3.87 \cdot 10^{-6}\,\,{\rm (BPSK)}\hspace{0.05cm}.$$

In order to achieve  $p_{\rm S} = 10^{\rm -5}$  with BPSK,  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 ≥ 9.6 \ \rm dB$  must hold.



Notes:

  • For the complementary Gaussian error function, use the following upper bound:
$${\rm Q}(x) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot x} \cdot {\rm e}^{-x^2/2} \hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

Calculate the OOK symbol error probability for  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$  using the upper bound.

$p_{\rm S}\ = \ $

$\ \cdot 10^{\rm –5}$

2

What is the  BPSK symbol error probability for  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$?

$p_{\rm S}\ = \ $

$\ \cdot 10^{\rm –5}$

3

For  OOK, give the minimum value of  $E_{\rm S}/N_0$  $($in $\rm dB)$  required for  $p_{\rm S} = 10^{\rm -5}$.

${\rm Minimum} \big[10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 \big ] \ = \ $

$\ \rm dB$


Solution

(1)  From $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 10 \ \rm dB$ it follows that $E_{\rm S}/N_0 = 10$ and thus

$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{10} \right ) \approx \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 20\pi} }\cdot \rm e^{-5 } \underline{=85 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The actual value according to the data section is $78.3 \cdot 10^{\rm -5}$.
  • So the given equation is actually an upper bound for ${\rm Q}(x)$.
  • The relative error when using this approximation instead of the exact function ${\rm Q}(x)$ is less than $10\%$ in this case.


(2)  For BPSK, the corresponding equation is:

$$p_{\rm S} = {\rm Q}\left ( \sqrt{20} \right ) \approx \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 40\pi} }\cdot \rm e^{-10 } \underline{=0.405 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Now the relative error using the approximation is only $5\%$.
  • In general: The smaller the error probability, the better the approximation.


(3)  According to the specification, a (logarithmic) value of $9.6 \ \rm dB$ is required for BPSK.

  • With the OOK, the logarithmic value must be increased by about $3 \ \rm dB$ ⇒ $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 \ \underline {\approx 12.6 \ \rm dB}$.