Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2Z: Bit Error Measurement"

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m (Textersetzung - „*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.“ durch „ “)
 
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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit bei Basisbandübertragung
+
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_for_Baseband_Transmission
 
}}
 
}}
  
  
[[File:P_ID1265__Dig_Z_1_2.png|right|frame|Simulierte Bitfehlerhäufigkeiten]]
+
[[File:EN_Dig_Z_1_2.png|right|frame|Simulated bit error frequencies  $(h_{\rm B})$;     in last column  $(N \to \infty) $:     $h_{\rm B} \to p_{\rm B}$   ⇒   bit error probability.]]
Die Bitfehlerwahrscheinlichkeit
+
The bit error probability
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot{\rm erfc} \left( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0}}\right)$$  
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot{\rm erfc} \left( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0}}\right)$$  
eines Binärsystems wurde durch eine Messung der Bitfehlerquote (BER)  
+
of a binary system was simulatively determined by a measurement of the bit error rate  $\rm (BER)$:
:$$h_{\rm B} = {n_{\rm B}}/{N}$$
+
:$$h_{\rm B} = {n_{\rm B}}/{N}.$$
simulativ ermittelt. Oftmals wird $h_{\rm B}$ auch Bitfehlerhäufigkeit genannt.  
+
Often,  $h_{\rm B}$  is also called  "bit error frequency".
  
  
In obigen Gleichungen bedeuten:
+
In above equations mean:
*$E_{\rm B}$:   die Energie pro Bit,
+
*$E_{\rm B}$:   energy per bit,
*$N_0$:   AWGN–Rauschleistungsdichte,
+
*$N_0$:   AWGN noise power density,
*$n_{\rm B}$:    Anzahl der aufgetretenen Bitfehler,
+
*$n_{\rm B}$:    number of bit errors occurred,
*$N$:    Anzahl der simulierten Bit einer Versuchsreihe.
+
*$N$:      number of simulated bits of a test series.
  
  
Die Tabelle zeigt die Ergebnisse einiger Versuchsreihen mit $N = 6.4 \cdot 10^4 $, $N = 1. 28 \cdot 10^5$ und $N = 1.6 \cdot 10^6$. Die letzte mit $N \to \infty $ benannte Spalte gibt die Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm B}$ an.
+
The table shows the results of some test series with  $N = 6.4 \cdot 10^4 $,  $N = 1. 28 \cdot 10^5$  and  $N = 1.6 \cdot 10^6$. The last column named  $N \to \infty $  gives the bit error probability  $p_{\rm B}$. 
  
Im Fragebogen zur Aufgabe wird auf folgende Eigenschaften Bezug genommen:
+
The following properties are referred to in the exercise questionnaire:
*Die Bitfehlerhäufigkeit $h_{\rm B}$ ist in erster Näherung eine gaußverteilte Zufallsgröße mit dem Mittelwert $m_h = p_{\rm B}$ und der Varianz $\sigma_h^2  \approx p_{\rm B}$.
+
*The bit error frequency  $h_{\rm B}$  is  (to a first approximation)  a Gaussian distributed random variable with mean  $m_h = p_{\rm B}$  and variance  $\sigma_h^2  \approx p_{\rm B}/N$.
*Die relative Abweichung der Bitfehlerhäufigkeit von der Wahrscheinlichkeit beträgt
+
*The relative deviation of the bit error frequency from the probability is
 
:$$\varepsilon_{\rm rel}= \frac {h_{\rm B}-p_{\rm B}}{p_{\rm B}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\varepsilon_{\rm rel}= \frac {h_{\rm B}-p_{\rm B}}{p_{\rm B}}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Als eine grobe Faustregel zur erforderlichen Genauigkeit gilt, dass die Anzahl  der gemessenen Bitfehler $n_{\rm B} \ge 100$sein sollte.
+
*As a rough rule of thumb on the required accuracy,  the number of measured bit errors should be  $n_{\rm B} \ge 100$. 
  
  
''Hinweise:''
+
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisbandübertragung| Fehlerwahrscheinlichkeit bei Basisbandübertragung]].
+
 
 +
 
 +
 
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Note:  
 +
*The exercise belongs to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_for_Baseband_Transmission|"Error Probability for Baseband Transmission"]].
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Die Genauigkeit der BER&ndash;Messung ist unabhängig von $N$.
+
- The accuracy of the BER measurement is independent of &nbsp;$N$.
+ Je größer $N$ ist, desto genauer ist im Mittel die BER&ndash;Messung.
+
+ The larger &nbsp;$N$&nbsp; is,&nbsp; the more accurate the BER measurement is on average.
- Je größer $N$ ist, desto genauer ist jede einzelne BER&ndash;Messung.
+
- The larger &nbsp;$N$&nbsp; is,&nbsp; the more accurate each individual BER measurement is.
  
  
{Geben Sie die Streuung $\sigma_h$ für verschiedene $N$ an. Es gelte $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$.
+
{Give the standard deviation &nbsp;$\sigma_h$&nbsp; for different &nbsp;$N$.&nbsp; Let &nbsp;$10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  σ_h \ = \ $  { 1.1 3% }  $\ \cdot 10^{ -3 }\ $
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  σ_h \ = \ $  { 1.1 3% }  $\ \cdot 10^{ -3 }\ $
Line 51: Line 55:
  
  
{Wie groß ist die jeweilige relative Abweichung  für $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$?
+
{What is the respective relative deviation for &nbsp;$10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  ε_{\rm rel} \ = \ $  { -0.927--0.873 }  $\  \% $
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  ε_{\rm rel} \ = \ $  { -0.927--0.873 }  $\  \% $
Line 57: Line 61:
  
  
{Geben Sie die Streuung $\sigma_h$ für verschiedene $N$ an. Es gelte $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$.
+
{Give the standard deviation &nbsp;$\sigma_h$&nbsp; for different &nbsp;$N$.&nbsp; Let $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  σ_h \ = \ $  { 2.3 3% }  $\ \cdot 10^{ -5 }\ $
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  σ_h \ = \ $  { 2.3 3% }  $\ \cdot 10^{ -5 }\ $
Line 63: Line 67:
  
  
{Wie groß ist die jeweilige relative Abweichung  für $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$?
+
{What is the respective relative deviation for &nbsp;$10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  ε_{\rm rel} \ = \ $  { 86 3% }  $\  \% $
 
$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}  ε_{\rm rel} \ = \ $  { 86 3% }  $\  \% $
Line 69: Line 73:
  
  
{Bis zu welchem (logarithmischen) $E_{\rm B}/N_0$&ndash;Wert ist $N = 1.6 \cdot 10^6$ aufgrund der Bedingung  $n_{\rm B} \ge 100$ ausreichend?
+
{Up to what (logarithmic) &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$&nbsp; value is &nbsp;$N = 1.6 \cdot 10^6$&nbsp; sufficient due to the condition &nbsp;$n_{\rm B} \ge 100$?&nbsp;
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\text{Maximum} \ [10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0]  \ = \ $ { 8 3% }  $\ \rm dB $
+
$\text{Maximum} \ \big [10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 \big]  \ = \ $ { 8 3% }  $\ \rm dB $
  
  
Line 77: Line 81:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist nur der <u>zweite Lösungsvorschlag</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; Only the&nbsp; <u>second solution</u>&nbsp; is correct:  
*Natürlich wird die Genauigkeit der BER&ndash;Messung durch den Parameter $N$ in starkem Maße beeinflusst. Im statistischen Mittel wird die BER&ndash;Messung natürlich besser, wenn man $N$ erhöht.  
+
*Of course,&nbsp; the accuracy of the BER measurement is influenced by the parameter&nbsp; $N$&nbsp; to a large extent.&nbsp; On statistical average,&nbsp; the BER measurement naturally becomes better when&nbsp; $N$&nbsp; is increased.  
*Es besteht jedoch kein deterministischer Zusammenhang zwischen der Anzahl der simulierten Bit und der Genauigkeit der BER&ndash;Messung, wie z. B. die Ergebnisse für $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 6 \ \rm dB$ zeigen:  
+
*However,&nbsp; there is no deterministic relationship between the number of simulated bits and the accuracy of the BER measurement,&nbsp; as shown,&nbsp; for example,&nbsp; by the results for&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 6 \ \rm dB$:  
*Bei $N = 6.4 \cdot 10^4\  (n_{\rm B} = 0.258 \cdot 10^{-2})$ ist die Abweichung vom tatsächlichen Wert $(0.239 \cdot 10^{-2})$ geringer als bei $N = 1.28 \cdot 10^5\  (n_{\rm B} = 0.272 \cdot 10^{-2})$.  
+
*For&nbsp; $N = 6.4 \cdot 10^4\  (h_{\rm B} = 0.258 \cdot 10^{-2})$,&nbsp; the deviation from the true value&nbsp; $(0.239 \cdot 10^{-2})$&nbsp; is smaller than for&nbsp; $N = 1.28 \cdot 10^5\  (h_{\rm B} = 0.272 \cdot 10^{-2})$.  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Bei $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$, also $E_{\rm B} = N_0$, erhält man folgende Werte:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; At&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$,&nbsp; i.e.&nbsp; $E_{\rm B} = N_0$,&nbsp; the following values are obtained:
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.0786}{64000}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 1.1
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.0786}{64000}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 1.1
 
   \cdot10^{-3}}\hspace{0.05cm},$$
 
   \cdot10^{-3}}\hspace{0.05cm},$$
Line 91: Line 96:
 
   0.22 \cdot10^{-3}}\hspace{0.05cm}.$$
 
   0.22 \cdot10^{-3}}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(3)'''&nbsp; Hierfür ergeben sich mit $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$ folgende Werte:
+
 
 +
'''(3)'''&nbsp; For this,&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$&nbsp; yields the following values:
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}
 
= \frac{0.0779-0.0786}{0.0786}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -0.9\% }\hspace{0.05cm}$$
 
= \frac{0.0779-0.0786}{0.0786}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -0.9\% }\hspace{0.05cm}$$
 
:$$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} \varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.0782-0.0786}{0.0786}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -0.5\% } \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} \varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.0782-0.0786}{0.0786}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -0.5\% } \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(4)'''&nbsp; Aufgrund der kleineren Fehlerwahrscheinlichkeit ergeben sich nun kleinere Werte als in der Teilaufgabe (2):
+
 
 +
'''(4)'''&nbsp; Due to the smaller error probability,&nbsp; the values are now smaller than in subtask&nbsp; '''(2)''':
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.336 \cdot 10^{-4}}{6.4 \cdot 10^{4}}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.336 \cdot 10^{-4}}{6.4 \cdot 10^{4}}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx
 
   2.3 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm},$$
 
   2.3 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.336 \cdot 10^{-4}}{1.6 \cdot 10^{6}}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 0.46 \cdot10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.336 \cdot 10^{-4}}{1.6 \cdot 10^{6}}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 0.46 \cdot10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$
'''(5)'''&nbsp; Trotz der deutlich kleineren Streuung $\sigma_h$ ergeben sich für $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ aufgrund der kleineren Fehlerwahrscheinlichkeit größere relative Abweichungen als für $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$:
+
 
 +
 
 +
'''(5)'''&nbsp; Despite the much smaller standard deviation&nbsp; $\sigma_h$,&nbsp; the smaller error probability results in larger relative deviations for&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; than for&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$:
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.625 \cdot 10^{-4} - 0.336 \cdot 10^{-4}}{0.336 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.1cm}\underline { \approx 86\% } \hspace{0.05cm},$$
 
:$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.625 \cdot 10^{-4} - 0.336 \cdot 10^{-4}}{0.336 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.1cm}\underline { \approx 86\% } \hspace{0.05cm},$$
 
:$$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.325 \cdot 10^{-4} - 0.336 \cdot 10^{-4}}{0.336 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -3.3\%}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}-  p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.325 \cdot 10^{-4} - 0.336 \cdot 10^{-4}}{0.336 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -3.3\%}\hspace{0.05cm}.$$
'''(6)'''&nbsp; Die Anzahl  der gemessenen Bitfehler sollte $n_{\rm B} \ge 100$ sein. Deshalb gilt näherungsweise (Rundungsfehler sind zu berücksichtigen):
+
 
 +
 
 +
'''(6)'''&nbsp; The number of measured bit errors should be&nbsp; $n_{\rm B} \ge 100$.&nbsp; Therefore,&nbsp; approximately (rounding errors should be taken into account):
 
:$$n_{\rm B} =  {p_{\rm B}}\cdot {N} > 100 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$n_{\rm B} =  {p_{\rm B}}\cdot {N} > 100 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
p_{\rm B} > \frac{100}{1.6 \cdot 10^6} = 0.625 \cdot 10^{-4}\hspace{0.05cm}.$$
 
p_{\rm B} > \frac{100}{1.6 \cdot 10^6} = 0.625 \cdot 10^{-4}\hspace{0.05cm}.$$
Daraus folgt weiter, dass bei der Simulation für $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0\hspace{0.05cm}\underline{ = 8 \ \rm dB}$ noch ausreichend viele Bitfehler aufgetreten sind $(n_{\rm B} =315)$, während für $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ im Mittel nur mehr $n_{\rm B} =52$ Fehler zu erwarten sind. Für diesen dB&ndash;Wert müsste etwa die doppelte Anzahl an Bits simuliert werden.
+
*It further follows that in the simulation for&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0\hspace{0.05cm}\underline{ = 8 \ \rm dB}$&nbsp; still a sufficient number of bit errors occurred&nbsp; $(n_{\rm B} =1.6 \cdot 10^{6}\cdot 0.197 \cdot 10^{-3}= 315)$,&nbsp; while for&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$&nbsp; on average only&nbsp; $n_{\rm B} =52$&nbsp; errors are to be expected.
 +
*For this dB value,&nbsp; about twice the number of bits would have to be simulated.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^1.2 BER bei Basisbandsystemen^]]
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[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.2 BER for Baseband Systems^]]

Latest revision as of 17:16, 29 April 2022


Simulated bit error frequencies  $(h_{\rm B})$;     in last column  $(N \to \infty) $:     $h_{\rm B} \to p_{\rm B}$   ⇒   bit error probability.

The bit error probability

$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot{\rm erfc} \left( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0}}\right)$$

of a binary system was simulatively determined by a measurement of the bit error rate  $\rm (BER)$:

$$h_{\rm B} = {n_{\rm B}}/{N}.$$

Often,  $h_{\rm B}$  is also called  "bit error frequency".


In above equations mean:

  • $E_{\rm B}$:   energy per bit,
  • $N_0$:   AWGN noise power density,
  • $n_{\rm B}$:   number of bit errors occurred,
  • $N$:     number of simulated bits of a test series.


The table shows the results of some test series with  $N = 6.4 \cdot 10^4 $,  $N = 1. 28 \cdot 10^5$  and  $N = 1.6 \cdot 10^6$. The last column named  $N \to \infty $  gives the bit error probability  $p_{\rm B}$. 

The following properties are referred to in the exercise questionnaire:

  • The bit error frequency  $h_{\rm B}$  is  (to a first approximation)  a Gaussian distributed random variable with mean  $m_h = p_{\rm B}$  and variance  $\sigma_h^2 \approx p_{\rm B}/N$.
  • The relative deviation of the bit error frequency from the probability is
$$\varepsilon_{\rm rel}= \frac {h_{\rm B}-p_{\rm B}}{p_{\rm B}}\hspace{0.05cm}.$$
  • As a rough rule of thumb on the required accuracy,  the number of measured bit errors should be  $n_{\rm B} \ge 100$. 




Note:



Questions

1

Which of the following statements are true?

The accuracy of the BER measurement is independent of  $N$.
The larger  $N$  is,  the more accurate the BER measurement is on average.
The larger  $N$  is,  the more accurate each individual BER measurement is.

2

Give the standard deviation  $\sigma_h$  for different  $N$.  Let  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$.

$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm} σ_h \ = \ $

$\ \cdot 10^{ -3 }\ $
$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} σ_h \ = \ $

$\ \cdot 10^{ -3 }\ $

3

What is the respective relative deviation for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$?

$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm} ε_{\rm rel} \ = \ $

$\ \% $
$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} ε_{\rm rel} \ = \ $

$\ \% $

4

Give the standard deviation  $\sigma_h$  for different  $N$.  Let $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$.

$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm} σ_h \ = \ $

$\ \cdot 10^{ -5 }\ $
$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} σ_h \ = \ $

$\ \cdot 10^{ -5 }\ $

5

What is the respective relative deviation for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$?

$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm} ε_{\rm rel} \ = \ $

$\ \% $
$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} ε_{\rm rel} \ = \ $

$\ \% $

6

Up to what (logarithmic)  $E_{\rm B}/N_0$  value is  $N = 1.6 \cdot 10^6$  sufficient due to the condition  $n_{\rm B} \ge 100$? 

$\text{Maximum} \ \big [10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 \big] \ = \ $

$\ \rm dB $


Solution

(1)  Only the  second solution  is correct:

  • Of course,  the accuracy of the BER measurement is influenced by the parameter  $N$  to a large extent.  On statistical average,  the BER measurement naturally becomes better when  $N$  is increased.
  • However,  there is no deterministic relationship between the number of simulated bits and the accuracy of the BER measurement,  as shown,  for example,  by the results for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 6 \ \rm dB$:
  • For  $N = 6.4 \cdot 10^4\ (h_{\rm B} = 0.258 \cdot 10^{-2})$,  the deviation from the true value  $(0.239 \cdot 10^{-2})$  is smaller than for  $N = 1.28 \cdot 10^5\ (h_{\rm B} = 0.272 \cdot 10^{-2})$.


(2)  At  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$,  i.e.  $E_{\rm B} = N_0$,  the following values are obtained:

$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.0786}{64000}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 1.1 \cdot10^{-3}}\hspace{0.05cm},$$
$$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} \sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.0786}{1600000}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 0.22 \cdot10^{-3}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  For this,  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$  yields the following values:

$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}- p_{\rm B}}{h_{\rm B}} = \frac{0.0779-0.0786}{0.0786}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -0.9\% }\hspace{0.05cm}$$
$$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm} \varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}- p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.0782-0.0786}{0.0786}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -0.5\% } \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Due to the smaller error probability,  the values are now smaller than in subtask  (2):

$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.336 \cdot 10^{-4}}{6.4 \cdot 10^{4}}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 2.3 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm},$$
$$ N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm}\sigma_h = \sqrt{{p}/{N}}= \sqrt{\frac{0.336 \cdot 10^{-4}}{1.6 \cdot 10^{6}}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 0.46 \cdot10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$


(5)  Despite the much smaller standard deviation  $\sigma_h$,  the smaller error probability results in larger relative deviations for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ 
        than for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$:

$$N = 6.4 \cdot 10^4\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}- p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.625 \cdot 10^{-4} - 0.336 \cdot 10^{-4}}{0.336 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.1cm}\underline { \approx 86\% } \hspace{0.05cm},$$
$$N = 1.6 \cdot 10^6\text{:}\hspace{0.4cm}\varepsilon_{\rm rel}= \frac{h_{\rm B}- p_{\rm B}}{h_{\rm B}}= \frac{0.325 \cdot 10^{-4} - 0.336 \cdot 10^{-4}}{0.336 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.1cm}\underline {\approx -3.3\%}\hspace{0.05cm}.$$


(6)  The number of measured bit errors should be  $n_{\rm B} \ge 100$.  Therefore,  approximately (rounding errors should be taken into account):

$$n_{\rm B} = {p_{\rm B}}\cdot {N} > 100 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B} > \frac{100}{1.6 \cdot 10^6} = 0.625 \cdot 10^{-4}\hspace{0.05cm}.$$
  • It further follows that in the simulation for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0\hspace{0.05cm}\underline{ = 8 \ \rm dB}$  still a sufficient number of bit errors occurred  $(n_{\rm B} =1.6 \cdot 10^{6}\cdot 0.197 \cdot 10^{-3}= 315)$,  while for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$  on average only  $n_{\rm B} =52$  errors are to be expected.
  • For this dB value,  about twice the number of bits would have to be simulated.