Die beiden weiteren Kurvenverläufe <i>C</i><sub>rot</sub> und <i>C</i><sub>braun</sub> sollen in den Teilaufgaben (c) und (d) analysiert und möglichen Modulationsverfahren zugeordnet werden.
The two other curves $C_\text{red}$ and $C_\text{brown}$ should be analyzed and assigned to possible modulation schemes in subtasks '''(3)''' and '''(4)'''.
'''Hinweis'''
:* Die Aufgabe bezieht sich auf das [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang|'''Kapitel 4.3.''']]
Die hier genannten Modulationsverfahren werden anhand ihrer Signalraumkonstellation beschrieben:
Hints:
[[File:P_ID2953__Inf_A_4_9_Zusatz.png|centre|]]
*The task belongs to the chapter [[Information_Theory/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang|AWGN channel capacity with discrete value input]].
In der Literatur wird manchmal die BPSK auch mit 2–ASK bezeichnet ⇒ <i>x</i> ∈ <i>X</i> = (+1, –1). Dagegen verstehen wir im LNTwww als ASK den unipolaren Fall <i>x</i> ∈ <i>X</i> = (0, 1). Nach unserer Nomenklatur gilt deshalb: <i>C</i><sub>ASK</sub> < <i>C</i><sub>BPSK</sub>. <br>
*Reference is made in particular to the page [[Information_Theory/AWGN_Channel_Capacity_for_Discrete-Valued_Input#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|Channel capacity $C$ as a function of $E_{\rm S}/{N_0}$]].
Dieser Sachverhalt hat aber keinen Einfluss auf die Lösung der vorliegenden Aufgabe.
*Since the results are to be given in "bit" ⇒ "log" ⇒ "log<sub>2</sub>" is used in the equations.
*The modulation methods mentioned in the questions are described in terms of their signal space constellation <br>(see lower graph).
===Fragebogen===
[[File:EN_Inf_A_4_9_Zusatz.png|right|frame|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 we understand as "ASK" the unipolar case:
:$$x ∈ X = \{0,\ 1 \}.$$
*Therefore, according to our nomenclature:
:$$C_\text{ASK} < C_\text{BPSK}$$
But: This fact is irrelevant for the solution of the present problem.
===Questions===
<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Welche Gleichung liegt der Shannon–Grenzkurve <i>C</i><sub>Gauß</sub> zugrunde?
'''(1)''' Richtig ist der <u>Vorschlag 2</u>, wie die Rechnung für 10 · lg (<i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>) = 15 dB ⇒ <i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub> = 31.62 zeigt:
'''(1)''' <u>Proposition 2</u> is correct, as shown by the calculation for $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 15 \ \rm dB$ ⇒ $E_{\rm S}/{N_0} = 31.62$:
Der Lösungsvorschlag 3 entspricht dabei dem Fall [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang#Parallele_Gau.C3.9Fsche_Kan.C3.A4le|'''zweier unabhängiger Gaußkanäle''']] mit jeweils halber Sendeleistung pro Kanal.
*The proposed solution 3 corresponds to the case of "two independent Gaussian channels" with half transmission power per channel.
'''(2)''' Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 4</u>. Würde man <i>E</i><sub>S</sub> durch <i>E</i><sub>B</sub> ersetzen, so wäre auch die Aussage 3 richtig. Für <i>E</i><sub>B</sub>/<i>N</i><sub>0</sub> < ln 2 gilt nämlich <i>C</i><sub>Gauß</sub> ≡ 0 und damit auch <i>C</i><sub>BPSK</sub> ≡ 0.
'''(2)''' <u>Proposed solutions 1, 2 and 4</u> are correct:
*If one would replace $E_{\rm S}$ by $E_{\rm B}$, then the statement 3 would be also correct.
*For $E_{\rm B}/{N_0} < \ln (2)$ ⇒ $C_{\rm Gaussian} ≡ 0$ is valid, and therefore also $C_{\rm BPSK} ≡ 0$.
'''(3)''' Richtig sind die <u>Aussagen 2, 3 und 5</u>. Der rote Kurvenzug (<i>C</i><sub>rot</sub>) liegt stets oberhalb von <i>C</i><sub>BPSK</sub>, aber unterhalb von <i>C</i><sub>braun</sub> und der Shannon–Grenzkurve <i>C</i><sub>Gauß</sub>. Diese Aussagen gelten auch, wenn für gewisse <i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>–Werte Kurven innerhalb der Zeichengenauigkeit nicht zu unterscheiden sind.
Aus dem Grenzwert <i>C</i><sub>rot</sub> = 2 bit/Kanalzugriff für <i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub> → ∞ kann auf den Symbolumfang <i>M<sub>X</sub></i> = 4 geschlossen werden. Die rote Kurve beschreibt also die 4–ASK. <i>M<sub>X</sub></i> = 2 würde für die BPSK gelten.
'''(3)''' <u>Statements 2, 3 and 5</u> are correct:
*The red curve $(C_{\rm red})$ is always above $C_{\rm BPSK}$, but below $C_{\rm brown}$ and Shannon's boundary curve $(C_{\rm Gaussian})$.
*The statements also hold if (for certain $E_{\rm S}/{N_0}$ values) curves are indistinguishable within the drawing precision.
*From the limit $C_{\rm red}= 2 \ \rm bit/use$ for $E_{\rm S}/{N_0} → ∞$, the symbol set size $M_X = |X| = 4$.
*Thus, the red curve describes "4–ASK". $M_X = |X| = 2$ would apply to the "BPSK".
*The "4–QAM" leads exactly to the same final value "2 bit/use". For small $E_{\rm S}/{N_0}$ values, however, the channel capacity $C_{\rm 4–QAM}$ is above the red curve, since $C_{\rm red}$ 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)''
Die 4–QAM führt genau zum gleichen Endwert 2 bit/Kanalzugriff. Für kleine <i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>–Werte liegt aber die Kanalkapazität <i>C</i><sub>4–QAM</sub> oberhalb der roten Kurve, da <i>C</i><sub>rot</sub> von der Gauß–Grenzkurve <i>C</i><sub>2</sub> begrenzt wird, <i>C</i><sub>4–QAM</sub> aber von <i>C</i><sub>3</sub>. Die Bezeichnungen <i>C</i><sub>2</sub> und <i>C</i><sub>3</sub> beziehen sich hierbei auf die Teilaufgabe (a).
[[File:EN_Inf_A_4_9e_v2.png|right|frame|Channel capacity limits for <br>BPSK, 4–ASK and 8–ASK]]
<br><br>
'''(4)''' <u>Proposed solutions 1, 2 and 5</u> 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.
'''(4)''' Aus dem braunen Kurvenverlauf erkennt man die Richtigkeit der beiden ersten Aussagen, während die 8–PSK mit I– und Q–Komponente – also mit <i>K</i> = 2 Dimensionen – für kleinere <i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>–Werte etwas oberhalb der braunen Kurve liegen wird.
[[File:P_ID2954__Inf_A_4_9e.png|right|]]
In nebenstehender Grafik sind die beiden Systeme gemäß den Vorschlägen 4 und 5 eingezeichnet.
:* Der violette Punkt liegt über der Kurve <i>C</i><sub>8–ASK</Sub>. Das heißt: 10 · lg (<i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>) = 10 dB und <i>R</i> = 2.5 reichen nicht, um die 8–ASK fehlerfrei decodieren zu können ⇒ <i>R</i> > <i>C</i> ⇒ Kanalcodierungstheorem wird nicht erfüllt.
:* Reduziert man die Coderate auf <i>R</i> = 2 < <i>C</i>, so wird das Kanalcodierungstheorem erfüllt ⇒ gelber Punkt.
Richtig sind also die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 5</u>.
In the graph, the two "8–ASK"nbsp; 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 ⇒ $R > C_{\rm 8–ASK}$ ⇒ channel coding theorem is not satisfied ⇒ answer 4 is wrong.
* However, if we reduce the code rate to $R = 2 < C_{\rm 8–ASK}$ for the same $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ according to the yellow dot, the channel coding theorem is satisfied ⇒ answer 5 is correct.
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[[Category:Aufgaben zu Informationstheorie|^4.3 AWGN–Kanalkapazität bei wertdiskretem Eingang^]]
[[Category:Information Theory: Exercises|^4.3 AWGN and Value-Discrete Input^]]
The proposed solution 3 corresponds to the case of "two independent Gaussian channels" with half transmission power per channel.
(2)Proposed solutions 1, 2 and 4 are correct:
If one would replace $E_{\rm S}$ by $E_{\rm B}$, then the statement 3 would be also correct.
For $E_{\rm B}/{N_0} < \ln (2)$ ⇒ $C_{\rm Gaussian} ≡ 0$ is valid, and therefore also $C_{\rm BPSK} ≡ 0$.
(3)Statements 2, 3 and 5 are correct:
The red curve $(C_{\rm red})$ is always above $C_{\rm BPSK}$, but below $C_{\rm brown}$ and Shannon's boundary curve $(C_{\rm Gaussian})$.
The statements also hold if (for certain $E_{\rm S}/{N_0}$ values) curves are indistinguishable within the drawing precision.
From the limit $C_{\rm red}= 2 \ \rm bit/use$ for $E_{\rm S}/{N_0} → ∞$, the symbol set size $M_X = |X| = 4$.
Thus, the red curve describes "4–ASK". $M_X = |X| = 2$ would apply to the "BPSK".
The "4–QAM" leads exactly to the same final value "2 bit/use". For small $E_{\rm S}/{N_0}$ values, however, the channel capacity $C_{\rm 4–QAM}$ is above the red curve, since $C_{\rm red}$ 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"nbsp; 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 ⇒ $R > C_{\rm 8–ASK}$ ⇒ channel coding theorem is not satisfied ⇒ answer 4 is wrong.
However, if we reduce the code rate to $R = 2 < C_{\rm 8–ASK}$ for the same $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0}) = 10 \ \rm dB$ according to the yellow dot, the channel coding theorem is satisfied ⇒ answer 5 is correct.