Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.7: Several Parallel Gaussian Channels"

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{{quiz-Header|Buchseite=Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität bei wertkontinuierlichem Eingang
+
{{quiz-Header|Buchseite=Information_Theory/AWGN_Channel_Capacity_for_Continuous_Input
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID2905__Inf_A_4_7_neu.png|right|frame|Signalraumpunkte bei digitaler Modulation]]  
+
[[File:P_ID2905__Inf_A_4_7_neu.png|right|frame|Signal space points in digital modulation]]  
Die Kanalkapazität des AWGN&ndash;Kanals mit dem Kennzeichen $Y = X + N$&nbsp; wurde im&nbsp; [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang#Kanalkapazit.C3.A4t_des_AWGN.E2.80.93Kanals|Theorieteil]]&nbsp; wie folgt angegeben <br>(mit der Zusatz&ndash;Einheit &bdquo;bit&rdquo;):
+
The channel capacity of the AWGN channel with the indicator&nbsp; $Y = X + N$&nbsp; was given in the&nbsp; [[Information_Theory/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang#Channel_capacity_of_the_AWGN_channels|theory section]]&nbsp; as follows <br>(with the additional unit&nbsp; "bit"):
 
:$$C_{\rm AWGN}(P_X,\ P_N) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {P_X}/{P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$C_{\rm AWGN}(P_X,\ P_N) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {P_X}/{P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$
Die verwendeten Größen haben folgende Bedeutung:
+
The quantities used have the following meaning:
* $P_X$&nbsp; ist die Sendeleistung &nbsp; &#8658; &nbsp; Varianz der Zufallsgröße&nbsp; $X$,
+
* $P_X$&nbsp; is the transmission power &nbsp; &#8658; &nbsp; variance of the random variable&nbsp; $X$,
* $P_N$&nbsp; ist die Störleistung &nbsp; &#8658; &nbsp; Varianz der Zufallsgröße&nbsp; $N$.
+
* $P_N$&nbsp; is the noise power &nbsp; &#8658; &nbsp; variance of the random variable&nbsp; $N$.
  
  
Werden&nbsp; $K$&nbsp; identische Gaußkanäle parallel genutzt, so gilt für die Gesamtkapazität:
+
If&nbsp; $K$&nbsp; identical Gaussian channels are used in parallel, the total capacity is:
 
:$$C_K(P_X,\ P_N)  = K \cdot C_{\rm AWGN}(P_X/K, \ P_N) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$C_K(P_X,\ P_N)  = K \cdot C_{\rm AWGN}(P_X/K, \ P_N) \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei ist berücksichtigt, dass
+
Here it is considered that
* in jedem Kanal die gleiche Störleistung&nbsp; $P_N$&nbsp; vorliegt,
+
* in each channel the same interference power&nbsp; $P_N$&nbsp; is present,
* somit jeder Kanal die gleiche Sendeleistung erhält,
+
* thus each channel receives the same transmit power&nbsp; $(P_X/K)$&nbsp;,
* die Gesamtleistung genau wie im Fall&nbsp; $K = 1$&nbsp; gleich&nbsp; $P_X$ ist.
+
* the total power is equal to&nbsp; $P_X$ exactly as in the case&nbsp; $K = 1$&nbsp;.
  
  
In nebenstehender Grafik sind die Signalraumpunkte für einige digitale Modulationsverfahren angegeben:
+
In the adjacent graph, the signal space points for some digital modulation schemes are given:
* [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying|Amplitude Shift Keying]]&nbsp; (ASK),
+
* [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying|Amplitude Shift Keying]]&nbsp; (ASK),
* [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|Binary Phase Shift Keying]]&nbsp; (BPSK),
+
* [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|Binary Phase Shift Keying]]&nbsp; (BPSK),
* [[Modulationsverfahren/Weitere_AM–Varianten#Quadratur.E2.80.93Amplitudenmodulation|Quadratur-Amplitudenmodulation]]&nbsp; (hier: &nbsp; 4-QAM),
+
* [[Modulation_Methods/Further_AM_Variants#Quadrature_Amplitude_Modulation_.28QAM.29|Quadrature Amplitude Modulation]]&nbsp; (here: &nbsp; 4-QAM),
*[[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Weiterentwicklungen_des_GSM#Enhanced_Data_Rates_for_GSM_Evolution|Phase Shift Keying]]&nbsp; (hier: &nbsp; 8&ndash;PSK für GSM Evolution),
+
*[[Examples_of_Communication_Systems/Further_Developments_of_the_GSM#Enhanced_Data_Rates_for_GSM_Evolution|Phase Shift Keying]]&nbsp; (here: &nbsp; 8&ndash;PSK for GSM Evolution),
* [[Modulationsverfahren/Quadratur–Amplitudenmodulation#Weitere_Signalraumkonstellationen|Kombinierte ASK/PSK-Modulation]]&nbsp; (hier: &nbsp; 16-ASK/PSK).
+
* [[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation#Other_signal_space_constellations|Combined ASK/PSK Modulation]]&nbsp; (here: &nbsp; 16-ASK/PSK).
  
  
Zu Beginn dieser Aufgabe ist zu prüfen, welcher&nbsp; $K$&ndash;Parameter für die einzelnen Verfahren gültig ist.
+
At the beginning of this exercise, check which&nbsp; $K$&ndash;parameter is valid for each method.
  
  
Line 37: Line 37:
  
  
''Hinweise:''
+
Hints:
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang|AWGN–Kanalkapazität bei wertkontinuierlichem Eingang]].
+
*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Information_Theory/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang|AWGN channel capacity with continuous value input]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp; [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang#Parallele_Gau.C3.9Fsche_Kan.C3.A4le|Parallele Gaußkanäle]].
+
*Reference is made in particular to the page&nbsp; [[Information_Theory/AWGN_Channel_Capacity_for_Continuous_Input#Parallel_Gaussian_channels|Parallel Gaussian Channels]].
*Da die Ergebnisse in &bdquo;bit&rdquo; angegeben werden sollen, wird  &bdquo;log<sub>2</sub>&rdquo; verwendet.  
+
*Since the results are to be given in "bit", wird  "log<sub>2</sub>" is used.
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Welche Parameter&nbsp; $K$&nbsp; gelten für die folgenden Modulationsverfahren?
+
{Which parameters &nbsp; $K$&nbsp; are valid for the following modulation methods?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$K \ = \ $ { 1 3% } $\text{ (bei ASK)}$
+
$K \ = \ $ { 1 3% } $\text{ (ASK)}$
$K \ = \ $ { 1 3% } $\text{ (bei BPSK)}$
+
$K \ = \ $ { 1 3% } $\text{ (BPSK)}$
$K \ = \ $ { 2 3% } $\text{ (bei 4-QAM)}$
+
$K \ = \ $ { 2 3% } $\text{ (4-QAM)}$
$K \ = \ $ { 2 3% } $\text{ (bei 8-PSK)}$
+
$K \ = \ $ { 2 3% } $\text{ (8-PSK)}$
 
$K \ = \ $ { 2 3% } $\text{ (16-ASK/PSK)}$
 
$K \ = \ $ { 2 3% } $\text{ (16-ASK/PSK)}$
  
  
  
{Welche Kanalkapazität &nbsp;$C_K$&nbsp; ergibt sich für&nbsp; $K$&nbsp; gleich gute Kanäle&nbsp; (jeweils mit der Störleistung &nbsp;$P_N$&nbsp; und der Sendeleistung &nbsp;$P_X(K)$?
+
{What is the channel capacity &nbsp;$C_K$&nbsp; for&nbsp; $K$&nbsp; equal channels,&nbsp; each with the noise power &nbsp;$P_N$&nbsp; and the transmission power &nbsp;$P_X(K)$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Es gilt &nbsp; $C_K = K/2 \cdot  \log_2 \ \big[1 + P_X/P_N \big]$.
+
- &nbsp; $C_K = K/2 \cdot  \log_2 \ \big[1 + P_X/P_N \big]$.
+ Es gilt &nbsp; $C_K = K/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + P_X/(K \cdot P_N) \big]$.
+
+ &nbsp; $C_K = K/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + P_X/(K \cdot P_N) \big]$.
- Es gilt &nbsp; $C_K = 1/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + P_X/P_N \big]$.
+
- &nbsp; $C_K = 1/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + P_X/P_N \big]$.
  
  
  
  
{Welche Kapazitäten ergeben sich für &nbsp;$P_X/P_N = 15$?
+
{What are the capacities for &nbsp;$P_X/P_N = 15$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K = 1\text{:} \ \  C_K \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm bit$
 
$K = 1\text{:} \ \  C_K \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm bit$
Line 76: Line 76:
  
  
{Gibt es bezüglich der Kanalzahl&nbsp; $K$&nbsp; ein (theoretisches) Optimum?
+
{Is there a&nbsp; (theoretical)&nbsp; optimum with respect to the number&nbsp; $K$&nbsp; of channels?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Ja: &nbsp; Die größte Kanalkapazität ergibt sich für &nbsp;$K = 2$.
+
- Yes: &nbsp; The largest channel capacity results for &nbsp;$K = 2$.
- Ja: &nbsp; Die größte Kanalkapazität ergibt sich für &nbsp;$K = 4$.
+
- Yes: &nbsp; The largest channel capacity results for &nbsp;$K = 4$.
+ Nein: &nbsp;  Je größer&nbsp; $K$, desto größer ist die Kanalkapazität.
+
+ No: &nbsp;  The larger&nbsp; $K$, the larger the channel capacity.
+ Der Grenzwert für&nbsp; $K \to \infty$&nbsp; (in bit)&nbsp; ist &nbsp;$C_K = P_X/P_N/2/\ln (2)$&nbsp; in &bdquo;bit&rdquo;.
+
+ The limit value for&nbsp; $K \to \infty$&nbsp; (in bit)&nbsp; is &nbsp;$C_K = P_X/P_N/2/\ln (2)$&nbsp; in&nbsp; "bit".
  
  
Line 88: Line 88:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Der Parameter $K$ ist gleich der Dimension der Signalraumdarstellung:
+
'''(1)'''&nbsp; The parameter&nbsp; $K$&nbsp; is equal to the dimension of the signal space representation:
* Für <u>ASK und BPSK</u> ist $\underline{K=1}$.
+
* For&nbsp; <u>ASK and BPSK</u>,&nbsp; $\underline{K=1}$.
* Für die <u> Konstellationen 3 bis 5</u> gilt dagegen $\underline{K=2}$ (orthogonale Modulation mit Cosinus und Sinus).
+
* For&nbsp; <u> constellations 3 to 5</u>,&nbsp; however,&nbsp; $\underline{K=2}$&nbsp; (orthogonal modulation with cosine and sine).
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
 
*Für jeden der Kanäle $(1 &#8804; k &#8804; K)$ beträgt die Kanalkapazität $C = 1/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + (P_X/K) /P_N) \big]$. Die Gesamtkapazität ist dann um den Faktor $K$ größer:  
+
'''(2)'''&nbsp; Correct is the <u>proposed solution 2</u>:
 +
*For each of the channels&nbsp; $(1 &#8804; k &#8804; K)$,&nbsp; the channel capacitance is &nbsp; $C = 1/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + (P_X/K) /P_N) \big]$.&nbsp;
 +
*The total capacitance is then larger by a factor of&nbsp; $K$&nbsp;:
 
:$$C_K(P_X)  = \sum_{k= 1}^K \hspace{0.1cm}C_k = \frac{K}{2} \cdot  {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \frac{P_X}{K \cdot P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$C_K(P_X)  = \sum_{k= 1}^K \hspace{0.1cm}C_k = \frac{K}{2} \cdot  {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \frac{P_X}{K \cdot P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$
*Der Lösungsvorschlag 1 ist zu positiv. Dieser würde bei Begrenzung der Gesamtleistung auf $K &middot; P_X$ gelten.  
+
*The proposed solution 1 is too positive.&nbsp; This would apply when limiting the total power to&nbsp; $K &middot; P_X$&nbsp;.  
*Der Vorschlag 3 würde dagegen bedeuten, dass man durch die Nutzung mehrerer unabhängiger Kanäle keine Kapazitätssteigerung erreicht, was offensichtlich nicht zutrifft.
+
*Proposition 3 would imply that no capacity increase is achieved by using multiple independent channels,&nbsp; which is obviously not true.
  
  
'''(3)'''&nbsp; Die Tabelle zeigt die Ergebnisse für $K = 1$, $K = 2$ und $K = 4$ und verschiedene Signal&ndash;zu&ndash;Störleistungsverhältnisse $\xi = P_X/P_N$. Für $\xi = P_X/P_N = 15$ (markierte Spalte) ergibt sich:
+
[[File:P_ID2902__Inf_A_4_7c.png|right|frame|Channel capacity&nbsp; $C_K$&nbsp; of&nbsp; $K$&nbsp; parallel Gaussian channels for different&nbsp; $\xi = P_X/P_N$]]
 +
'''(3)'''&nbsp; The table shows the results for&nbsp; $K = 1$,&nbsp; $K = 2$&nbsp; and&nbsp; $K = 4$,&nbsp; and various signa&ndash;to&ndash;noise power ratios&nbsp; $\xi = P_X/P_N$. <br>For&nbsp; $\xi = P_X/P_N = 15$&nbsp; (highlighted column),&nbsp; the result is:
 +
 
*  $K=1$:&nbsp;&nbsp; $C_K = 1/2 &middot; \log_2 \ (16)\hspace{0.05cm}\underline{ = 2.000}$ bit,
 
*  $K=1$:&nbsp;&nbsp; $C_K = 1/2 &middot; \log_2 \ (16)\hspace{0.05cm}\underline{ = 2.000}$ bit,
 
* $K=2$:&nbsp;&nbsp; $C_K = 1/2 &middot; \log_2 \ (8.5)\hspace{0.05cm}\underline{ = 3.087}$ bit,
 
* $K=2$:&nbsp;&nbsp; $C_K = 1/2 &middot; \log_2 \ (8.5)\hspace{0.05cm}\underline{ = 3.087}$ bit,
* $K=1$:&nbsp;&nbsp; $C_K = 1/2 &middot; \log_2 \ (4.75)\hspace{0.05cm}\underline{ = 4.496}$ bit.  
+
* $K=4$:&nbsp;&nbsp; $C_K = 1/2 &middot; \log_2 \ (4.75)\hspace{0.05cm}\underline{ = 4.496}$ bit.  
 
+
<br clear=all>
 
+
'''(4)'''&nbsp; <u>Propositions 3 and 4</u> are correct, as the following calculations show:
[[File:P_ID2902__Inf_A_4_7c.png|center|frame|Kanalkapazität $C_K$ von $K$ parallelen Gaußkanälen für verschiedene $\xi = P_X/P_N$]]
+
*It is already obvious from the above table that the first proposed solution must be wrong.
 
+
*We now write the channel capacity using the natural logarithm and the abbreviation&nbsp; $\xi = P_X/P_N$:
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Vorschläge 3 und 4</u>, wie die folgenden Rechnungen  zeigen:
 
*Schon aus obiger Tabelle ist ersichtlich, dass der erste Lösungsvorschlag falsch sein muss.  
 
* Wir schreiben nun die Kanalkapazität mit $\ln$ und der Abkürzung $\xi = P_X/P_N$:
 
 
:$$C_{\rm nat}(\xi, K)  ={K}/{2} \cdot  {\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {\xi}/{K} \right )\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$C_{\rm nat}(\xi, K)  ={K}/{2} \cdot  {\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {\xi}/{K} \right )\hspace{0.05cm}.$$
* Für große $K$&ndash;Werte, also für kleine Werte des Quotienten $\varepsilon =\xi/K$ gilt dann:
+
*Then,&nbsp; for large values of&nbsp; $K$&nbsp; i.e., for small values of the quotient&nbsp; $\varepsilon =\xi/K$&nbsp; holds:
 
:$${\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \varepsilon \right )=  
 
:$${\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \varepsilon \right )=  
 
\varepsilon - \frac{\varepsilon^2}{2} + \frac{\varepsilon^3}{3} - ...
 
\varepsilon - \frac{\varepsilon^2}{2} + \frac{\varepsilon^3}{3} - ...
Line 124: Line 125:
 
\frac{\xi^2}{3K^2} -\frac{\xi^3}{4K^3} +
 
\frac{\xi^2}{3K^2} -\frac{\xi^3}{4K^3} +
 
\frac{\xi^4}{5K^4}  - \text{...}  \right ] \hspace{0.05cm}.$$
 
\frac{\xi^4}{5K^4}  - \text{...}  \right ] \hspace{0.05cm}.$$
* Für $K &#8594; &#8734;$ ergibt sich der vorgeschlagene Wert:
+
* For&nbsp; $K &#8594; &#8734;$&nbsp;, the proposed value is:
 
:$$C_{\rm bit}(\xi, K \rightarrow\infty)  = \frac{\xi}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} =
 
:$$C_{\rm bit}(\xi, K \rightarrow\infty)  = \frac{\xi}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} =
 
\frac{P_X/P_N}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} \hspace{0.05cm}.$$
 
\frac{P_X/P_N}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} \hspace{0.05cm}.$$
* Für kleinere Werte von $K$ ergibt sich stets ein kleinerer $C$&ndash;Wert, da
+
*For smaller values of&nbsp; $K$,&nbsp; the result is always a smaller&nbsp; $C$&ndash;value, since
 
:$$\frac{\xi}{2K} > \frac{\xi^2}{3K^2}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm}   
 
:$$\frac{\xi}{2K} > \frac{\xi^2}{3K^2}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm}   
 
\frac{\xi^3}{4K^3} > \frac{\xi^4}{5K^4}  \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm}  {\rm usw.}$$
 
\frac{\xi^3}{4K^3} > \frac{\xi^4}{5K^4}  \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm}  {\rm usw.}$$
  
Die letzte Tabellenzeile zeigt: &nbsp; Mit $K = 4$ ist man für große $\xi$&ndash;Werte noch weit vom theoretischen Maximum $($für $K &#8594; &#8734;)$ entfernt.
+
The last row of the table shows: &nbsp; With&nbsp; $K = 4$&nbsp; one is still far away from the theoretical maximum&nbsp; $($for $K &#8594; &#8734;)$&nbsp; for large &nbsp; $\xi$&ndash;values.
  
  
Line 138: Line 139:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Informationstheorie|^4.2 AWGN & kontinuierlicher Eingang^]]
+
[[Category:Information Theory: Exercises|^4.2 AWGN and Value-Continuous Input^]]

Latest revision as of 13:33, 4 October 2021

Signal space points in digital modulation

The channel capacity of the AWGN channel with the indicator  $Y = X + N$  was given in the  theory section  as follows
(with the additional unit  "bit"):

$$C_{\rm AWGN}(P_X,\ P_N) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {P_X}/{P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$

The quantities used have the following meaning:

  • $P_X$  is the transmission power   ⇒   variance of the random variable  $X$,
  • $P_N$  is the noise power   ⇒   variance of the random variable  $N$.


If  $K$  identical Gaussian channels are used in parallel, the total capacity is:

$$C_K(P_X,\ P_N) = K \cdot C_{\rm AWGN}(P_X/K, \ P_N) \hspace{0.05cm}.$$

Here it is considered that

  • in each channel the same interference power  $P_N$  is present,
  • thus each channel receives the same transmit power  $(P_X/K)$ ,
  • the total power is equal to  $P_X$ exactly as in the case  $K = 1$ .


In the adjacent graph, the signal space points for some digital modulation schemes are given:


At the beginning of this exercise, check which  $K$–parameter is valid for each method.





Hints:



Questions

1

Which parameters   $K$  are valid for the following modulation methods?

$K \ = \ $

$\text{ (ASK)}$
$K \ = \ $

$\text{ (BPSK)}$
$K \ = \ $

$\text{ (4-QAM)}$
$K \ = \ $

$\text{ (8-PSK)}$
$K \ = \ $

$\text{ (16-ASK/PSK)}$

2

What is the channel capacity  $C_K$  for  $K$  equal channels,  each with the noise power  $P_N$  and the transmission power  $P_X(K)$?

  $C_K = K/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + P_X/P_N \big]$.
  $C_K = K/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + P_X/(K \cdot P_N) \big]$.
  $C_K = 1/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + P_X/P_N \big]$.

3

What are the capacities for  $P_X/P_N = 15$?

$K = 1\text{:} \ \ C_K \ = \ $

$\ \rm bit$
$K = 2\text{:} \ \ C_K \ = \ $

$\ \rm bit$
$K = 4\text{:} \ \ C_K \ = \ $

$\ \rm bit$

4

Is there a  (theoretical)  optimum with respect to the number  $K$  of channels?

Yes:   The largest channel capacity results for  $K = 2$.
Yes:   The largest channel capacity results for  $K = 4$.
No:   The larger  $K$, the larger the channel capacity.
The limit value for  $K \to \infty$  (in bit)  is  $C_K = P_X/P_N/2/\ln (2)$  in  "bit".


Solution

(1)  The parameter  $K$  is equal to the dimension of the signal space representation:

  • For  ASK and BPSK,  $\underline{K=1}$.
  • For  constellations 3 to 5,  however,  $\underline{K=2}$  (orthogonal modulation with cosine and sine).


(2)  Correct is the proposed solution 2:

  • For each of the channels  $(1 ≤ k ≤ K)$,  the channel capacitance is   $C = 1/2 \cdot \log_2 \ \big[1 + (P_X/K) /P_N) \big]$. 
  • The total capacitance is then larger by a factor of  $K$ :
$$C_K(P_X) = \sum_{k= 1}^K \hspace{0.1cm}C_k = \frac{K}{2} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \frac{P_X}{K \cdot P_N} \right )\hspace{0.05cm}.$$
  • The proposed solution 1 is too positive.  This would apply when limiting the total power to  $K · P_X$ .
  • Proposition 3 would imply that no capacity increase is achieved by using multiple independent channels,  which is obviously not true.


Channel capacity  $C_K$  of  $K$  parallel Gaussian channels for different  $\xi = P_X/P_N$

(3)  The table shows the results for  $K = 1$,  $K = 2$  and  $K = 4$,  and various signa–to–noise power ratios  $\xi = P_X/P_N$.
For  $\xi = P_X/P_N = 15$  (highlighted column),  the result is:

  • $K=1$:   $C_K = 1/2 · \log_2 \ (16)\hspace{0.05cm}\underline{ = 2.000}$ bit,
  • $K=2$:   $C_K = 1/2 · \log_2 \ (8.5)\hspace{0.05cm}\underline{ = 3.087}$ bit,
  • $K=4$:   $C_K = 1/2 · \log_2 \ (4.75)\hspace{0.05cm}\underline{ = 4.496}$ bit.


(4)  Propositions 3 and 4 are correct, as the following calculations show:

  • It is already obvious from the above table that the first proposed solution must be wrong.
  • We now write the channel capacity using the natural logarithm and the abbreviation  $\xi = P_X/P_N$:
$$C_{\rm nat}(\xi, K) ={K}/{2} \cdot {\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + {\xi}/{K} \right )\hspace{0.05cm}.$$
  • Then,  for large values of  $K$  i.e., for small values of the quotient  $\varepsilon =\xi/K$  holds:
$${\rm ln}\hspace{0.05cm}\left ( 1 + \varepsilon \right )= \varepsilon - \frac{\varepsilon^2}{2} + \frac{\varepsilon^3}{3} - ... \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} C_{\rm nat}(\xi, K) = \frac{K}{2} \cdot \left [ \frac{\xi}{K} - \frac{\xi^2}{2K^2} + \frac{\xi^3}{3K^3} - \text{...} \right ]$$
$$\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} C_{\rm bit}(\xi, K) = \frac{\xi}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} \cdot \left [ 1 - \frac{\xi}{2K} + \frac{\xi^2}{3K^2} -\frac{\xi^3}{4K^3} + \frac{\xi^4}{5K^4} - \text{...} \right ] \hspace{0.05cm}.$$
  • For  $K → ∞$ , the proposed value is:
$$C_{\rm bit}(\xi, K \rightarrow\infty) = \frac{\xi}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} = \frac{P_X/P_N}{2 \cdot {\rm ln}\hspace{0.1cm}(2)} \hspace{0.05cm}.$$
  • For smaller values of  $K$,  the result is always a smaller  $C$–value, since
$$\frac{\xi}{2K} > \frac{\xi^2}{3K^2}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} \frac{\xi^3}{4K^3} > \frac{\xi^4}{5K^4} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} {\rm usw.}$$

The last row of the table shows:   With  $K = 4$  one is still far away from the theoretical maximum  $($for $K → ∞)$  for large   $\xi$–values.