[[File:P_ID2062__Dig_A_4_12.png|right|frame|Signalraumkonstellation der 16–QAM]]
[[File:P_ID2062__Dig_A_4_12.png|right|frame|Signal space constellation of $\rm 16–QAM$]]
Die Grafik zeigt die Signalraumkonstellation der [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_koh%C3%A4renter_Demodulation#Quadraturamplitudenmodulation_.28M.E2.80.93QAM.29| Quadraturamplitudenmodulation]] mit $M = 16$ Signalraumpunkten.
The graph shows the signal space constellation of [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Coherent_Demodulation#Quadrature_amplitude_modulation_.28M-QAM.29|"quadrature amplitude modulation"]] with $M = 16$ signal space points. The following should be calculated for this modulation method:
* the average energy per symbol or per bit,
Für dieses Modulationsverfahren sollen berechnet werden:
* the average symbol error probability $p_{\rm S}$,
* die mittlere Energie pro Symbol bzw. pro Bit,
* die mittlere Symbolfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm S}$,
*die [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Approximation_der_Fehlerwahrscheinlichkeit#Union_Bound_-_Obere_Schranke_f.C3.BCr_die_Fehlerwahrscheinlichkeit| Union Bound]] $p_{\rm UB}$ als obere Schranke,
* die mittlere Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm B}$ bei Graycodierung.
*the [[Digital_Signal_Transmission/Approximation_of_the_Error_Probability#Union_Bound_-_Upper_bound_for_the_error_probability|"Union Bound"]] $p_{\rm UB}$ as upper bound,
* the average bit error probability $p_{\rm B}$ with Gray coding.
''Hinweise:''
Notes:
* Die Aufgabe behandelt einen Teilaspekt des Kapitels [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_koh%C3%A4renter_Demodulation| Trägerfrequenzsysteme mit kohärenter Demodulation]].
# The exercise deals with a partial aspect of the chapter [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Coherent_Demodulation|"Carrier Frequency Systems with Coherent Demodulation"]].
*Die Gray–Zuordnung ist in der Grafik angegeben (rote Beschriftung).
#The Gray assignment is given in the graphic $($red lettering$)$.
* Die Wahrscheinlichkeit, dass das linke obere Symbol in eines der benachbarten Symbole verfälscht wird, wird mit $p$ abgekürzt (blaue Pfeile in der Grafik).
#The probability that the upper left symbol is falsified into one of the neighboring symbols is abbreviated to $p$ $($blue arrows in the graph$)$.
* Eine diagonale Verfälschung ⇒ zwei Bit verfälscht (grüner Pfeil) wird ausgeschlossen.
#A diagonal falsification ⇒ two bit falsified $($green arrow$)$ is excluded.
* Für den AWGN–Kanal gilt mit dem komplementären Gaußschen Fehlerintegrale für diese Hilfsgröße: $p = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { 2E}/{ N_0} }\right )\hspace{0.05cm}.$
#For the AWGN channel, with the complementary Gaussian error integral for this auxiliary variable, the following applies: $p = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { 2E}/{ N_0} }\right )\hspace{0.05cm}.$
* Verwenden Sie für numerische Berechnungen $E = 1 \ \rm mWs$ und $p = 0.4\%$.
# For numerical calculations, use $E = 1 \ \rm mWs$ and $p = 0.4\%$.
*Aus diesen Werten kann die AWGN–Rauschleistungsdichte $N_0$ näherungsweise berechnet werden:
#The AWGN noise power density $N_0$ can be calculated approximately from these values:
{Berechnen Sie die tatsächliche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm S} < p_{\rm UB}$.
{Calculate the actual symbol error probability $p_{\rm S} < p_{\rm UB}$.
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.2 3% } $\ \%$
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.2 3% } $\ \%$
{Berechnen Sie die tatsächliche Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei Graycodierung.
{Calculate the actual bit error probability $p_{\rm B}$ for Gray coding.
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.3 3% } $\ \%$
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.3 3% } $\ \%$
</quiz>
</quiz>
===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)''' Der Quotient $E_{\rm S}/E$ ergibt sich als der mittlere quadratische Abstand der $M = 16$ Signalraumpunkte $\boldsymbol{s}_i$ vom Ursprung. Mit der gegebenen Signalraumkonstellation der 16–QAM erhält man:
'''(1)''' The quotient $E_{\rm S}/E$ is obtained as the mean square distance of the $M = 16$ signal space points $\boldsymbol{s}_i$ from the origin.
Zum gleichen Ergebnis kommt man mit der im [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_koh%C3%A4renter_Demodulation| Theorieteil]] angegebenen Gleichung
*With the given signal space constellation of the $\rm 16–QAM$ we obtain:
:$$E_{\rm S} = \frac{ 2 \cdot (M-1)}{ 3 } \cdot E = \frac{ 2 \cdot 15}{ 3 } \cdot E = 10 E
'''(2)''' Jedes einzelne Symbol stellt vier Binärsymbole dar. Damit ist die mittlere Energie pro Bit.
*The same result is obtained with the equation given in the [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Coherent_Demodulation| "theory section"]]:
[[File:P_ID2063__Dig_A_4_12c.png|right|frame|Zur Verdeutlichung der 16–QAM–Fehlerwahrscheinlichkeit]]
'''(3)''' Die <i>Union Bound</i> ist eine obere Schranke für die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit. Sie berücksichtigt nur den Übergang zu benachbarten Entscheidungsregionen aufgrund von AWGN–Rauschen.
'''(2)''' Each individual symbol represents four binary symbols. Thus, the average energy per bit is
Aus der Grafik geht hervor, dass die Ecksymbole (gelb gefüllt) nur zu zwei anderen Symbolen hin verfälscht werden können und die restlichen Randsymbole (grüne Füllung) in drei Richtungen. Der „worst case” sind die vier inneren Symbole (mit blauer Füllung) mit jeweils vier Verfälschungsmöglichkeiten. Daraus folgt:
'''(3)''' The "Union Bound" is an upper bound on the symbol error probability.
*It only takes into account the transition to adjacent decision regions due to AWGN noise.
'''(4)''' Zählt man die blauen Pfeile in obiger Grafik, so kommt man auf $4 \cdot 2 + 8 \cdot 3 + 4 \cdot 4 = 48$. Die mittlere Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ist somit gleich
*From the graph, it can be seen that the corner symbols (filled in yellow) can only be biased towards two other symbols and the remaining edge symbols (filled in green) can be biased in three directions.
Zum gleichen Ergebnis kommt man mit der im [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_koh%C3%A4renter_Demodulation| Theorieteil]] angegebenen Gleichung
*The "worst case" are the four inner symbols (with blue filling) with four falsification possibilities each.
'''(5)''' Bei Graycodierung entsprechend der roten Beschriftung in der Grafik bewirkt jeder Symbolfehler genau einen Bitfehler. Da aber mit jedem Symbol $M = 4$ Binärsymbole übertragen werden, ist
'''(4)''' Counting the blue arrows in the above graph, we get
*The same result is obtained with the equation given in the [[Digital_Signal_Transmission/Carrier_Frequency_Systems_with_Coherent_Demodulation| "theory section"]]:
The graph shows the signal space constellation of "quadrature amplitude modulation" with $M = 16$ signal space points. The following should be calculated for this modulation method:
The Gray assignment is given in the graphic $($red lettering$)$.
The probability that the upper left symbol is falsified into one of the neighboring symbols is abbreviated to $p$ $($blue arrows in the graph$)$.
A diagonal falsification ⇒ two bit falsified $($green arrow$)$ is excluded.
For the AWGN channel, with the complementary Gaussian error integral for this auxiliary variable, the following applies: $p = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { 2E}/{ N_0} }\right )\hspace{0.05cm}.$
For numerical calculations, use $E = 1 \ \rm mWs$ and $p = 0.4\%$.
The AWGN noise power density $N_0$ can be calculated approximately from these values:
(3) The "Union Bound" is an upper bound on the symbol error probability.
It only takes into account the transition to adjacent decision regions due to AWGN noise.
From the graph, it can be seen that the corner symbols (filled in yellow) can only be biased towards two other symbols and the remaining edge symbols (filled in green) can be biased in three directions.
The "worst case" are the four inner symbols (with blue filling) with four falsification possibilities each.