Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 5.5: Multi-User Interference"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/BER der PN–Modulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Error_Probability_of_Direct-Sequence_Spread_Spectrum_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1887__Mod_A_5_5.png|right|frame|PAKF und PKKF von M–Sequenzen mit <i>P</i> = 31]]
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[[File:P_ID1887__Mod_A_5_5.png|right|frame|$\rm PACF$&nbsp; and&nbsp; $\rm PCCF$&nbsp; of M-sequences with &nbsp;$P = 31$]]
Wir betrachten die PN–Modulation mit folgenden Parametern:
+
We consider&nbsp; "Direct-Sequence Spread Spectrum Modulation"&nbsp; with the following parameters:
* Die Spreizung erfolgt mit der M–Sequenz mit der Oktalkennung (45), ausgehend  vom Grad $G = 5$. Die Periodenlänge ist somit $P = 2^5 –1 = 31$.
+
* The spreading is done with the M-sequence &nbsp;$(45)_{\rm oct}$,&nbsp; starting from the degree &nbsp;$G = 5$.&nbsp; The period length is thus &nbsp;
* Der AWGN–Parameter wird mit $10 · \lg \ (E_{\rm B}/N_0) = 5 \ \rm  dB$ festgelegt &nbsp; &rArr; &nbsp;  $E_{\rm B}/N_0 = 3.162 = 1/0.316$.
+
:$$P = 2^5 –1 = 31.$$
* Die Bitfehlerwahrscheinlichkeit beträgt ohne interferierende Teilnehmer im gleichen Frequenzband:
+
* The AWGN parameter is set as &nbsp;$10 · \lg \ (E_{\rm B}/N_0) = 5 \ \rm  dB$&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp;  $E_{\rm B}/N_0 = 3.162 = 1/0.316$.
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( \sqrt{ {2E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}}}\right ) \approx {\rm Q} \left ( \sqrt{2 \cdot 3.162}\right ) = {\rm Q} \left ( 2.515 \right ) \approx 6 \cdot 10^{-3} \hspace{0.05cm}.$$
+
* The bit error probability without interfering subscribers in the same frequency band is:
* Da ohne interferierende Teilnehmer alle Nutzabtastwerte gleich $±s_0$ sind (Nyquistsystem), kann für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit  mit dem Rauscheffektivwert $σ_d$ vor dem Entscheider, herrührend vom AWGN–Rauschen, auch geschrieben werden: &nbsp; $p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( {s_0}/{\sigma_d}\right ) \hspace{0.05cm}.$
+
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( \sqrt{ {2\cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}}}\right ) \approx {\rm Q} \left ( \sqrt{2 \cdot 3.162}\right ) = {\rm Q} \left ( 2.515 \right ) \approx 6 \cdot 10^{-3} \hspace{0.05cm}.$$
 +
* The value of the signal at sampling time, without noise or interfering subscribers, is equal to&nbsp;$±s_0$&nbsp;&nbsp; ("Nyquist system").&nbsp; As a result, the bit error probability for noise standard deviation &nbsp;$σ_d$&nbsp; before the decision stage $($ originating from the AWGN noise$)$&nbsp; can be stated as follows: &nbsp;  
 +
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( {s_0}/{\sigma_d}\right ) \hspace{0.05cm}.$$
  
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In this exercise,&nbsp; we want to investigate how the bit error probability is changed by an additional participant.
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*The possible spreading sequences of the interfering participant are also defined by&nbsp; $P = 31$. &nbsp;
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*The PN generators with octal identifiers &nbsp;$(45)$, &nbsp;$(51)$, &nbsp;$(57)$, &nbsp;$(67)$, &nbsp;$(73)$ and &nbsp;$(75)$ are available.
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*In the first column of the table the PCCF values for &nbsp;$λ = 0$&nbsp; are given, furthermore also the respective maximum value for another initial phase:
 +
:$$ {\rm Max}\,\,|{\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}i}| = \max_{\lambda} \,\,|{\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}i}(\lambda)| \hspace{0.05cm}.$$
 +
*The special case &nbsp;$φ_\text{45, 45}(λ = 0)$&nbsp; gives the PACF value of the spreading sequence with the octal identifier &nbsp;&nbsp;$(45)$.&nbsp;
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 +
 +
In the course of this exercise and in the sample solution the following signals are mentioned:
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:&nbsp;$q(t)$: &nbsp; binary bipolar source signal,&nbsp; symbol duration &nbsp;$T$,
 +
:&nbsp;$c(t)$:  &nbsp; $±1$ spreading signal,&nbsp; chip duration &nbsp;$T_c$,
 +
:&nbsp;$s(t)$:  &nbsp; band-spread transmission signal;&nbsp; it holds that &nbsp;$s(t) = q(t) · c(t)$,&nbsp; amplitude &nbsp;$±s_0$,&nbsp; chip duration &nbsp;$T_c$,
 +
:&nbsp;$n(t)$:  &nbsp; AWGN noise,&nbsp; characterized by the quotient &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$,
 +
:&nbsp;$i(t)$:  &nbsp; interference signal of the interfering subscriber,
 +
:&nbsp;$r(t)$:  &nbsp; received signal; it holds that &nbsp;$r(t) = s(t) + n(t) + i(t)$,
 +
:&nbsp;$b(t)$:  &nbsp; band-compressed signal;&nbsp; it holds that &nbsp;$b(t)= r(t) · c(t)$,
 +
:&nbsp;$d(t)$:  &nbsp; detection signal after integration of &nbsp;$b(t)$&nbsp; over the symbol duration &nbsp;$T$,
 +
:&nbsp;$v(t)$:  &nbsp; sink signal,&nbsp; comparison with &nbsp;$q(t)$&nbsp; gives the error probability.
  
In dieser Aufgabe soll untersucht werden, wie die Bitfehlerwahrscheinlichkeit durch einen zusätzlichen Teilnehmer verändert wird. Die möglichen Spreizfolgen des interferierenden Teilnehmers seien ebenfalls durch $P = 31$ festgelegt. Zur Verfügung stehen die PN–Generatoren mit den Oktalkennungen (45), (51), (57), (67), (73) und (75).
 
  
In der Tabelle sind die PKKF–Werte für $λ = 0$ angegeben, desweiteren auch der jeweilige Maximalwert für eine andere Anfangsphase:
 
:$$ {\rm Max}\,\,|{\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}i}| = \max_{\lambda} \,\,|{\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}i}(\lambda)| \hspace{0.05cm}.$$
 
Der Sonderfall $φ_\text{45, 45}(λ = 0)$ gibt den PAKF–Wert der Spreizfolge mit der Oktalkennung (45) an.
 
  
Im Verlauf dieser Aufgabe und in der Musterlösung werden folgende Signale erwähnt:
 
* $q(t)$: &nbsp; binäres bipolares Quellensignal, Symboldauer $T$,
 
* $c(t)$:  &nbsp; $±1$–Spreizsignal, Chipdauer $T_c$,
 
* $s(t)$:  &nbsp; bandgespreiztes Sendesignal; es gilt  $s(t) = q(t) · c(t)$, Amplitude $±s_0$, Chipdauer $T_c$,
 
* $n(t)$:  &nbsp; AWGN–Rauschen, gekennzeichnet durch den Quotienten $E_{\rm B}/N_0$,
 
* $i(t)$:  &nbsp; Interferenzsignal des störenden Teilnehmers,
 
* $r(t)$:  &nbsp; Empfangssignal; es gilt  $r(t) = s(t) + n(t) + i(t)$,
 
* $b(t)$:  &nbsp;  bandgestauchtes Signal; es gilt  $b(t)= r(t) · c(t)$,
 
* $d(t)$:  &nbsp; Detektionssignal nach Integration von $b(t)$ über die Symboldauer $T$,
 
* $v(t)$:  &nbsp; Sinkensignal, der Vergleich mit $q(t)$ liefert die Fehlerwahrscheinlichkeit.
 
  
  
''Hinweise:''
+
Notes:  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Fehlerwahrscheinlichkeit_der_PN%E2%80%93Modulation|Fehlerwahrscheinlichkeit der PN-Modulation]].
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Error_Probability_of_Direct-Sequence_Spread_Spectrum_Modulation|Error Probability of Direct-Sequence Spread Spectrum Modulation]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf den Abschnitt [[Modulationsverfahren/Fehlerwahrscheinlichkeit_der_PN–Modulation#Zwei_Teilnehmer_mit_M.E2.80.93Sequenz.E2.80.93Spreizung |Zwei Teilnehmer mit_M&ndash;Sequenz&ndash;Spreizung]].  
+
*Reference is made in particular to the section&nbsp; [[Modulation_Methods/Error_Probability_of_Direct-Sequence_Spread_Spectrum_Modulation#Two_users_with_M-sequence_spreading|Two users with M-sequence spreading]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
*For the so-called&nbsp; [[Applets:Complementary_Gaussian_Error_Functions|Q-function]],&nbsp; the following approximations can be assumed:
*Für die so genannte Q-Funktion kann von folgenden Näherungen ausgegangen werden:
 
 
:$$ {\rm Q} (2) \approx 0.02275, \hspace{0.2cm}{\rm Q} (3) \approx 0.00135, \hspace{0.2cm}{\rm Q} (5) \approx 2.45 \cdot 10^{-7} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ {\rm Q} (2) \approx 0.02275, \hspace{0.2cm}{\rm Q} (3) \approx 0.00135, \hspace{0.2cm}{\rm Q} (5) \approx 2.45 \cdot 10^{-7} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie groß ist der (normierte) Rauscheffektivwert am Entscheider?
+
{What is the&nbsp; (normalized)&nbsp; noise standard deviation at the decision maker?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$σ_d/s_0 \ = \ $  { 0.4 3% }  
+
$σ_d/s_0 \ = \ $  { 0.4 3% }  
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm B}$ erhält man, wenn der störende Teilnehmer $i(t)$ die gleiche M–Sequenz mit Oktalkennung (45) nutzt wie der betrachtete Teilnehmer?
+
{What is the bit error probability &nbsp;$p_{\rm B}$ if the interfering participant &nbsp;$i(t)$&nbsp; uses the same M-sequence with octal identifier &nbsp;$(45)$&nbsp; as the participant under consideration?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B}\ = \ $ { 25 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm B}\ = \ $ { 25 3% } $\ \%$
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm B}$ ergibt sich näherungsweise, wenn der störende Teilnehmer die M–Sequenz  mit Oktalkennung (75) nutzt?
+
{What is the approximate bit error probability &nbsp;$p_{\rm B}$&nbsp; if the interfering subscriber&nbsp;$i(t)$&nbsp; uses the M-sequence with octal identifier &nbsp;$(75)$?&nbsp;
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B}\ = \ $ { 1.2 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm B}\ = \ $ { 1.2 3% } $\ \%$
  
{Welche Aussagen könnten unter Umständen für eine andere Spreizfolge des interferierenden Teilnehmers möglich sein?
+
{What statements could possibly be made for a different spreading sequence of the interfering participant?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Mit der Oktalkennung (51) ist &nbsp; $p_{\rm B} = 0.001$ &nbsp; möglich.
+
- With octal identifier &nbsp;$(51)$,&nbsp; &nbsp; $p_{\rm B} = 0.1\%$ &nbsp; is possible.
+ Mit der Oktalkennung (57) ist &nbsp;  $p_{\rm B} = 0.007$ &nbsp; möglich.
+
+ With octal identifier &nbsp;$(57)$,&nbsp; &nbsp;  $p_{\rm B} = 0.7\%$ &nbsp; is possible.
+ Mit der Oktalkennung (67) ist &nbsp; $p_{\rm B} = 0.012$ &nbsp; möglich.
+
+ With octal identifier &nbsp;$(67)$,&nbsp; &nbsp; $p_{\rm B} = 1.2\%$ &nbsp; is possible.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Aus den beiden vorne angegebenen Gleichungen folgt direkt:
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'''(1)'''&nbsp; From the two equations given above,&nbsp; it follows directly:
$$p_{\rm B} = {\rm Q}(2.515) = {\rm Q}({s_0}/{\sigma_d}) \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} \frac{\sigma_d}{s_0} = \frac{1}{2.515} = 0.398 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.4} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(2.515) = {\rm Q}({s_0}/{\sigma_d}) \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} \frac{\sigma_d}{s_0} = \frac{1}{2.515} = 0.398 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.4} \hspace{0.05cm}.$$
Man könnte diese Größe aber auch über die allgemeinere Gleichung
+
*However,&nbsp; one could also calculate this quantity using the more general equation
$$ \sigma_d^2 = \frac{N_0}{2 }\cdot\int^{+\infty}_{-\infty} |H_{\rm I}(f) |^2 \,\,{\rm d} {\it f}\hspace{0.05cm} = \frac{N_0}{2 }\cdot\int^{+\infty}_{-\infty}{\rm si}^2(\pi f T)\,\,{\rm d} {\it f} = \frac{N_0}{2T } \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ \sigma_d^2 = \frac{N_0}{2 }\cdot\int^{+\infty}_{-\infty} |H_{\rm I}(f) |^2 \,\,{\rm d} {\it f}\hspace{0.05cm} = \frac{N_0}{2 }\cdot\int^{+\infty}_{-\infty}{\rm sinc}^2(f T)\,\,{\rm d} {\it f} = \frac{N_0}{2T } \hspace{0.05cm}.$$
berechnen. Hierbei beschreibt $H_I(f)$ den Integrator im Frequenzbereich. Mit $E_B = s_0^2 · T$ ergibt sich
+
:&nbsp; Here&nbsp; $H_{\rm I}(f)$&nbsp; describes the integrator in the frequency domain.
$$\frac{\sigma_d^2}{s_0^2} = \frac{N_0}{2 \cdot s_0^2 \cdot T } = \frac{N_0}{2 E_{\rm B} } = \frac{0.316}{2 } = 0.158\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\sigma_d}/{s_0} = 0.398 \approx 0.4 \hspace{0.05cm}.$$
+
*With&nbsp; $E_{\rm B}= s_0^2 · T$&nbsp; the same result is obtained:
 +
:$$\frac{\sigma_d^2}{s_0^2} = \frac{N_0}{2 \cdot s_0^2 \cdot T } = \frac{N_0}{2 E_{\rm B} } = \frac{0.316}{2 } = 0.158\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\sigma_d}/{s_0} = 0.398 \approx 0.4 \hspace{0.05cm}.$$
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 +
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; If the interfering participant uses the same M-sequence&nbsp; $(45)$&nbsp; as the considered user, <br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; then the&nbsp; (normalized)&nbsp; detection samples&nbsp; (without noise)&nbsp; are equal to&nbsp; $+2$&nbsp; $($at&nbsp; $25\%)$,&nbsp; $-2$&nbsp; $($at&nbsp; $25\%)$&nbsp; and&nbsp; $0$&nbsp; $($at&nbsp; $50\%)$.
 +
*When &nbsp;$d(νT) = ±2$,&nbsp; the error probability for the considered user is significantly reduced.&nbsp;
 +
*In this case,&nbsp; both users transmit the same bit&nbsp; $($"$+1$"&nbsp; or&nbsp; "$-1$"$)$&nbsp; and the distance from the threshold is doubled:
 +
:$$ p_{\rm B}\,\,\big [{\rm if}\,\, d (\nu T) = \pm 2s_0 \big ] = {\rm Q} \left ( 2 \cdot 2.515 \right ) = {\rm Q} \left ( 5.03 \right ) \approx 2.45 \cdot 10^{-7} \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$
 +
*On the other hand,&nbsp; if &nbsp;$d(νT) = 0$&nbsp; (for example, if&nbsp; $a_\text{1(s)} = +1$ &nbsp; and&nbsp; $a_\text{1(i)} = -1$ &nbsp; holds or vice versa),&nbsp; the signals cancel completely and we obtain
 +
:$$p_{\rm B}\big[{\rm if}\,\, d (\nu T) = 0 \big] = {\rm Q} \left ( 0 \right ) = 0.5 \hspace{0.05cm}.$$
 +
*Averaging over these two equally probable possibilities,&nbsp; we thus obtain for the mean bit error probability:
 +
:$$p_{\rm B}= 0.5 \cdot 2.45 \cdot 10^{-7}+ 0.5 \cdot 0.5 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 25\%} \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
 
  
'''2.''' Benutzt der interferierende Teilnehmer die gleiche M–Sequenz $(45)_{oct}$ wie der betrachtete Nutzer, so sind die (normierten) Detektionsnutzabtastwerte gleich +2 (zu 25%), –2 (zu 25%) und 0 (zu 50%). Bei $d(νT) = ±2$ wird die Fehlerwahrscheinlichkeit für den betrachteten Teilnehmer signifikant verkleinert. In diesem Fall übertragen beide Nutzer das gleiche Bit (+1 oder –1) und der Abstand von der Schwelle wird verdoppelt:
+
'''(3)'''&nbsp; We first consider only the useful part &nbsp; &nbsp; $n(t) = 0$,&nbsp; restricting ourselves to the first data symbol and assuming the coefficient&nbsp; $a_\text{1(s)} = +1$.  
$$ p_{\rm B}\,\,[{\rm falls}\,\, d (\nu T) = \pm 2s_0 ] = {\rm Q} \left ( 2 \cdot 2.515 \right ) = {\rm Q} \left ( 5.03 \right ) \approx 2.45 \cdot 10^{-7} \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$
+
*Then within this data bit&nbsp; $s(t) = c_{45}(t)$ holds.  
Ist dagegen $d(νT) = 0$ (zum Beispiel, wenn $a_1(s) = +1$ und $a_1(i) = –1$ gilt oder umgekehrt), so löschen sich die Signale vollständig aus und man erhält
+
*If the coefficient&nbsp; $a_\text{1(i)} $&nbsp; of the interfering participant is also&nbsp; $+1$,&nbsp; then for the signals specified in front in the time interval from&nbsp; $0$&nbsp; to&nbsp; $T$ we obtain:
$$p_{\rm B}\,\,[{\rm falls}\,\, d (\nu T) = 0 ] = {\rm Q} \left ( 0 \right ) = 0.5 \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ r(t)  =  c_{45}(t) + c_{75}(t)\hspace{0.05cm},$$  
Durch Mittelung über diese beiden gleichwahrscheinlichen Möglichkeiten ergibt sich so für die mittlere Bitfehlerwahrscheinlichkeit:
+
:$$b(t)  =  r(t) \cdot c_{45}(t) = \left [c_{45}(t) + c_{75}(t) \right ] \cdot c_{45}(t) = 1+ c_{45}(t) \cdot c_{75}(t) \hspace{0.05cm},$$
$$p_{\rm B}= 0.5 \cdot 2.45 \cdot 10^{-7}+ 0.5 \cdot 0.5 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.25} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ d (T)  =  \frac{1}{T} \cdot \int_{0 }^{ T} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t = 1 + {\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}75}(\lambda = 0) \hspace{0.05cm}.$$
'''3.''' Wir betrachten zunächst nur den Nutzanteil $n(t) = 0$. Außerdem beschränken wir uns auf das erste Datensymbol und setzen den Amplitudenkoeffizienten $a_{1(s)} = +1$ voraus. Dann gilt innerhalb dieses Datenbits $s(t) = c_{45}(t)$. Ist der Koeffizient $a_{1(i)}$ des interferierenden Teilnehmers ebenfalls +1, so erhält man für die vorne spezifizierten Signale im Zeitintervall von 0 bis T:
+
*Here, &nbsp; $φ_\text{45, 75}(τ)$&nbsp; denotes the PCCF between the spreading sequences with octal identifiers&nbsp; $(45)$&nbsp; and&nbsp; $(75)$,&nbsp; which can be found in the table on the data page.
$$ r(t)  =  c_{45}(t) + c_{75}(t)\hspace{0.05cm},$$  
+
*Correspondingly,&nbsp; for the detection sample without noise,&nbsp; given&nbsp; $a_\text{1(s)} = +1$&nbsp; and&nbsp; $a_\text{1(i)} =-1$:
$$b(t)  =  r(t) \cdot c_{45}(t) = \left [c_{45}(t) + c_{75}(t) \right ] \cdot c_{45}(t) = 1+ c_{45}(t) \cdot c_{75}(t) \hspace{0.05cm},$$
+
:$$d (T) = 1 - {\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}75}(\lambda = 0) \hspace{0.05cm}.$$
$$ d (T)  =  \frac{1}{T} \cdot \int_{0 }^{ T} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t = 1 + {\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}75}(\lambda = 0) \hspace{0.05cm}.$$
+
*For symmetry reasons,&nbsp; the coefficients&nbsp; $a_\text{1(s)}&nbsp; = -1$,&nbsp; $a_\text{1(i)} = -1$&nbsp; as well as&nbsp; $a_\text{1(s)} = -1$,&nbsp; $a_\text{1(i)} = +1$&nbsp; provide exactly the same contributions for the bit error probability as&nbsp; $a_\text{1(s)} = +1$,&nbsp; $a_\text{1(i)} = +1$&nbsp; and&nbsp; $a_{1(s)} = +1$,&nbsp; $a_{1(i)} = -1$ respectively,&nbsp; if we also consider the AWGN noise.
Hierbei bezeichnet $φ_{45, 75}(τ)$ die PKKF zwischen den Spreizfolgen mit den Oktalkennungen (45) und (75), die in der Tabelle auf der Angabenseite zu finden sind.
 
  
Entsprechend gilt für den Detektionsnutzabtastwert unter der Voraussetzung $a_{1(s)} = +1$ und $a_{1(i)} = –1$:
+
*Thus,&nbsp; using the result of subtask&nbsp; '''(1)'''&nbsp; and with&nbsp; $φ_\text{45, 75}(λ = 0) = 7/31$,&nbsp; we obtain approximately:
$$d (T) = 1 - {\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}75}(\lambda = 0) \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$p_{\rm B}  = \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1+ 7/31}{0.4} \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1- 7/31}{0.4} \right ) \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1.225}{0.4} \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{0.775}{0.4} \right ) = \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( 3.06 \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( 1.94 \right )$$  
Aus Symmetriegründen liefern die Koeffizienten $a_{1(s)} = –1$, $a_{1(i)} = –1$ sowie $a_{1(s)} = –1$, $a_{1(i)} = +1$ die genau gleichen Beiträge für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit wie $a_{1(s)} = +1$, $a_{1(i)} = +1$ bzw. $a_{1(s)} = +1$, $a_{1(i)} = –1$, wenn man zudem das AWGN–Rauschen berücksichtigt.
+
:$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B}\approx  \frac{1}{2} \cdot \left [{\rm Q} \left ( 3 \right ) + {\rm Q} \left ( 2 \right ) \right ] = \frac{1}{2} \cdot \left [0.00135 + 0.02275 \right ] \hspace{0.15cm}\underline {= 1.2\%}\hspace{0.05cm}.$$
  
Mit dem Ergebnis der Teilaufgabe a) und $φ_{45, 75}(λ = 0) = 7/31$ erhält man somit näherungsweise:
 
$$p_{\rm B}  =  \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1+ 7/31}{0.4} \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1- 7/31}{0.4} \right ) =$$
 
$$ =  \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1.225}{0.4} \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{0.775}{0.4} \right ) = \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( 3.06 \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( 1.94 \right ) \approx $$
 
$$ \approx  \frac{1}{2} \cdot \left [{\rm Q} \left ( 3 \right ) + {\rm Q} \left ( 2 \right ) \right ] = \frac{1}{2} \cdot \left [0.00135 + 0.02275 \right ] \hspace{0.15cm}\underline {= 0.012}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''4.''' Möglich sind die Lösungsvorschläge 2 und 3. Der PKKF–Wert $φ_{45, 57}(λ = 0)$ ist betragsmäßig nur 1/31 und damit ist die Fehlerwahrscheinlichkeit nur geringfügig größer als 0.6%. Die Folge $(67)_{oktal}$ führt dagegen zur gleichen PKKF wie die Folge $(75)_{oktal}$.
 
  
Ohne störenden Teilnehmer gilt entsprechend dem Angabenblatt; $p_B = 0.6%$. Mit Interferenz kann dieser Wert nicht unterschritten werden  ⇒  Lösungsvorschlag 1 ist nicht möglich.
+
'''(4)'''&nbsp; Possible solutions are&nbsp; <u>2 and 3</u>:
 +
* The PCCF value&nbsp; $φ_\text{45, 57}(λ = 0)$&nbsp; is only&nbsp; $1/31$&nbsp; in magnitude and thus the error probability is only slightly larger than&nbsp; $0.6\%$.  
 +
*In contrast,&nbsp; the sequence with octal identifiers&nbsp; $(67)$&nbsp; leads to the same PCCF as sequence&nbsp; $(75)$.
 +
*Without interfering participants,&nbsp; the following applies according to the data sheet: &nbsp; $p_{\rm B} = 0.6\%$.
 +
*With interference,&nbsp; this value cannot be undercut &nbsp; ⇒  &nbsp; solution 1 is not possible.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^5.4 BER der PN–Modulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^5.4 BER of the PN Modulation^]]

Latest revision as of 12:11, 17 February 2022

$\rm PACF$  and  $\rm PCCF$  of M-sequences with  $P = 31$

We consider  "Direct-Sequence Spread Spectrum Modulation"  with the following parameters:

  • The spreading is done with the M-sequence  $(45)_{\rm oct}$,  starting from the degree  $G = 5$.  The period length is thus  
$$P = 2^5 –1 = 31.$$
  • The AWGN parameter is set as  $10 · \lg \ (E_{\rm B}/N_0) = 5 \ \rm dB$    ⇒   $E_{\rm B}/N_0 = 3.162 = 1/0.316$.
  • The bit error probability without interfering subscribers in the same frequency band is:
$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( \sqrt{ {2\cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}}}\right ) \approx {\rm Q} \left ( \sqrt{2 \cdot 3.162}\right ) = {\rm Q} \left ( 2.515 \right ) \approx 6 \cdot 10^{-3} \hspace{0.05cm}.$$
  • The value of the signal at sampling time, without noise or interfering subscribers, is equal to $±s_0$   ("Nyquist system").  As a result, the bit error probability for noise standard deviation  $σ_d$  before the decision stage $($ originating from the AWGN noise$)$  can be stated as follows:  
$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( {s_0}/{\sigma_d}\right ) \hspace{0.05cm}.$$

In this exercise,  we want to investigate how the bit error probability is changed by an additional participant.

  • The possible spreading sequences of the interfering participant are also defined by  $P = 31$.  
  • The PN generators with octal identifiers  $(45)$,  $(51)$,  $(57)$,  $(67)$,  $(73)$ and  $(75)$ are available.
  • In the first column of the table the PCCF values for  $λ = 0$  are given, furthermore also the respective maximum value for another initial phase:
$$ {\rm Max}\,\,|{\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}i}| = \max_{\lambda} \,\,|{\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}i}(\lambda)| \hspace{0.05cm}.$$
  • The special case  $φ_\text{45, 45}(λ = 0)$  gives the PACF value of the spreading sequence with the octal identifier   $(45)$. 


In the course of this exercise and in the sample solution the following signals are mentioned:

 $q(t)$:   binary bipolar source signal,  symbol duration  $T$,
 $c(t)$:   $±1$ spreading signal,  chip duration  $T_c$,
 $s(t)$:   band-spread transmission signal;  it holds that  $s(t) = q(t) · c(t)$,  amplitude  $±s_0$,  chip duration  $T_c$,
 $n(t)$:   AWGN noise,  characterized by the quotient  $E_{\rm B}/N_0$,
 $i(t)$:   interference signal of the interfering subscriber,
 $r(t)$:   received signal; it holds that  $r(t) = s(t) + n(t) + i(t)$,
 $b(t)$:   band-compressed signal;  it holds that  $b(t)= r(t) · c(t)$,
 $d(t)$:   detection signal after integration of  $b(t)$  over the symbol duration  $T$,
 $v(t)$:   sink signal,  comparison with  $q(t)$  gives the error probability.



Notes:

$$ {\rm Q} (2) \approx 0.02275, \hspace{0.2cm}{\rm Q} (3) \approx 0.00135, \hspace{0.2cm}{\rm Q} (5) \approx 2.45 \cdot 10^{-7} \hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

What is the  (normalized)  noise standard deviation at the decision maker?

$σ_d/s_0 \ = \ $

2

What is the bit error probability  $p_{\rm B}$ if the interfering participant  $i(t)$  uses the same M-sequence with octal identifier  $(45)$  as the participant under consideration?

$p_{\rm B}\ = \ $

$\ \%$

3

What is the approximate bit error probability  $p_{\rm B}$  if the interfering subscriber $i(t)$  uses the M-sequence with octal identifier  $(75)$? 

$p_{\rm B}\ = \ $

$\ \%$

4

What statements could possibly be made for a different spreading sequence of the interfering participant?

With octal identifier  $(51)$,    $p_{\rm B} = 0.1\%$   is possible.
With octal identifier  $(57)$,    $p_{\rm B} = 0.7\%$   is possible.
With octal identifier  $(67)$,    $p_{\rm B} = 1.2\%$   is possible.


Solution

(1)  From the two equations given above,  it follows directly:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}(2.515) = {\rm Q}({s_0}/{\sigma_d}) \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} \frac{\sigma_d}{s_0} = \frac{1}{2.515} = 0.398 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.4} \hspace{0.05cm}.$$
  • However,  one could also calculate this quantity using the more general equation
$$ \sigma_d^2 = \frac{N_0}{2 }\cdot\int^{+\infty}_{-\infty} |H_{\rm I}(f) |^2 \,\,{\rm d} {\it f}\hspace{0.05cm} = \frac{N_0}{2 }\cdot\int^{+\infty}_{-\infty}{\rm sinc}^2(f T)\,\,{\rm d} {\it f} = \frac{N_0}{2T } \hspace{0.05cm}.$$
  Here  $H_{\rm I}(f)$  describes the integrator in the frequency domain.
  • With  $E_{\rm B}= s_0^2 · T$  the same result is obtained:
$$\frac{\sigma_d^2}{s_0^2} = \frac{N_0}{2 \cdot s_0^2 \cdot T } = \frac{N_0}{2 E_{\rm B} } = \frac{0.316}{2 } = 0.158\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\sigma_d}/{s_0} = 0.398 \approx 0.4 \hspace{0.05cm}.$$


(2)  If the interfering participant uses the same M-sequence  $(45)$  as the considered user,
        then the  (normalized)  detection samples  (without noise)  are equal to  $+2$  $($at  $25\%)$,  $-2$  $($at  $25\%)$  and  $0$  $($at  $50\%)$.

  • When  $d(νT) = ±2$,  the error probability for the considered user is significantly reduced. 
  • In this case,  both users transmit the same bit  $($"$+1$"  or  "$-1$"$)$  and the distance from the threshold is doubled:
$$ p_{\rm B}\,\,\big [{\rm if}\,\, d (\nu T) = \pm 2s_0 \big ] = {\rm Q} \left ( 2 \cdot 2.515 \right ) = {\rm Q} \left ( 5.03 \right ) \approx 2.45 \cdot 10^{-7} \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$
  • On the other hand,  if  $d(νT) = 0$  (for example, if  $a_\text{1(s)} = +1$   and  $a_\text{1(i)} = -1$   holds or vice versa),  the signals cancel completely and we obtain
$$p_{\rm B}\big[{\rm if}\,\, d (\nu T) = 0 \big] = {\rm Q} \left ( 0 \right ) = 0.5 \hspace{0.05cm}.$$
  • Averaging over these two equally probable possibilities,  we thus obtain for the mean bit error probability:
$$p_{\rm B}= 0.5 \cdot 2.45 \cdot 10^{-7}+ 0.5 \cdot 0.5 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 25\%} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  We first consider only the useful part   ⇒   $n(t) = 0$,  restricting ourselves to the first data symbol and assuming the coefficient  $a_\text{1(s)} = +1$.

  • Then within this data bit  $s(t) = c_{45}(t)$ holds.
  • If the coefficient  $a_\text{1(i)} $  of the interfering participant is also  $+1$,  then for the signals specified in front in the time interval from  $0$  to  $T$ we obtain:
$$ r(t) = c_{45}(t) + c_{75}(t)\hspace{0.05cm},$$
$$b(t) = r(t) \cdot c_{45}(t) = \left [c_{45}(t) + c_{75}(t) \right ] \cdot c_{45}(t) = 1+ c_{45}(t) \cdot c_{75}(t) \hspace{0.05cm},$$
$$ d (T) = \frac{1}{T} \cdot \int_{0 }^{ T} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t = 1 + {\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}75}(\lambda = 0) \hspace{0.05cm}.$$
  • Here,   $φ_\text{45, 75}(τ)$  denotes the PCCF between the spreading sequences with octal identifiers  $(45)$  and  $(75)$,  which can be found in the table on the data page.
  • Correspondingly,  for the detection sample without noise,  given  $a_\text{1(s)} = +1$  and  $a_\text{1(i)} =-1$:
$$d (T) = 1 - {\it \varphi}_{45,\hspace{0.05cm}75}(\lambda = 0) \hspace{0.05cm}.$$
  • For symmetry reasons,  the coefficients  $a_\text{1(s)}  = -1$,  $a_\text{1(i)} = -1$  as well as  $a_\text{1(s)} = -1$,  $a_\text{1(i)} = +1$  provide exactly the same contributions for the bit error probability as  $a_\text{1(s)} = +1$,  $a_\text{1(i)} = +1$  and  $a_{1(s)} = +1$,  $a_{1(i)} = -1$ respectively,  if we also consider the AWGN noise.
  • Thus,  using the result of subtask  (1)  and with  $φ_\text{45, 75}(λ = 0) = 7/31$,  we obtain approximately:
$$p_{\rm B} = \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1+ 7/31}{0.4} \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1- 7/31}{0.4} \right ) = \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{1.225}{0.4} \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( \frac{0.775}{0.4} \right ) = \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( 3.06 \right ) + \frac{1}{2} \cdot {\rm Q} \left ( 1.94 \right )$$
$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B}\approx \frac{1}{2} \cdot \left [{\rm Q} \left ( 3 \right ) + {\rm Q} \left ( 2 \right ) \right ] = \frac{1}{2} \cdot \left [0.00135 + 0.02275 \right ] \hspace{0.15cm}\underline {= 1.2\%}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Possible solutions are  2 and 3:

  • The PCCF value  $φ_\text{45, 57}(λ = 0)$  is only  $1/31$  in magnitude and thus the error probability is only slightly larger than  $0.6\%$.
  • In contrast,  the sequence with octal identifiers  $(67)$  leads to the same PCCF as sequence  $(75)$.
  • Without interfering participants,  the following applies according to the data sheet:   $p_{\rm B} = 0.6\%$.
  • With interference,  this value cannot be undercut   ⇒   solution 1 is not possible.