Aufgaben:Exercise 1.08Z: BPSK Error Probability: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation
}}
}}


[[File:P_ID1681__Dig_Z_4_1.png|right|frame|Zahlenwerte der Funktion  ${\rm Q}(x)$]]
[[File:P_ID1681__Dig_Z_4_1.png|right|frame|Numerical values of the function  ${\rm Q}(x)$]]
Wir gehen vom optimalen Basisbandübertragungssystem für Binärsignale aus mit
We assume the optimal baseband transmission system for binary signals with
*bipolaren Amplitudenkoeffizienten  $a_{\nu} \in \{–1, +1\}$,
*bipolar amplitude coefficients  $a_{\nu} \in \{–1, +1\}$,
*rechteckförmigem Sendesignal mit den Signalwerten  $\pm s_{0}$  und der Bitdauer  $T_{\rm B}$,
*rectangular transmitted signal with signal values  $\pm s_{0}$  and bit duration  $T_{\rm B}$,
*AWGN–Rauschen mit der Rauschleistungsdichte  $N_{0}$,
*AWGN noise with noise power density  $N_{0}$,
*Empfangsfilter gemäß dem Matched–Filter–Prinzip,
*receiver filter according to the matched filter principle,
*Entscheider mit der optimalen Schwelle  $E = 0$.
*decision with the optimal threshold  $E = 0$.




Wenn nichts anderes angegeben, sollten Sie zudem von den folgenden Zahlenwerten ausgehen:
Unless otherwise specified, you should also assume the following numerical values:
:$$ s_0 = 4\,{\rm V},\hspace{0.2cm} T_{\rm B} = 1\,{\rm ns},\hspace{0.2cm}N_0 = 2 \cdot 10^{-9}\, {\rm V^2/Hz} \hspace{0.05cm}.$$
:$$ s_0 = 4\,{\rm V},\hspace{0.2cm} T_{\rm B} = 1\,{\rm ns},\hspace{0.2cm}N_0 = 2 \cdot 10^{-9}\, {\rm V^2/Hz} \hspace{0.05cm}.$$


Die Bitfehlerwahrscheinlichkeit dieses „Basisbandsystems” wurde bereits im Kapitel  [[Digital_Signal_Transmission/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisbandübertragung|Fehlerwahrscheinlichkeit bei Basisbandübertragung]]  angegeben (Index:  BB):
The bit error probability of this "baseband system" has already been given in the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_for_Baseband_Transmission|Error Probability for Baseband Transmission]]  (Index:  BB):
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}.$$
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}.$$


Hierbei bezeichnet  $\sigma_{d}$  den Rauscheffektivwert am Entscheider und  ${\rm Q}(x)$  die komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion, die hier tabellarisch gegeben ist.
Here,  $\sigma_{d}$  denotes the noise rms value at the decision and  ${\rm Q}(x)$  denotes the complementary Gaussian error function, which is given here in tabular form.


Diese Fehlerwahrscheinlichkeit kann man auch in der Form
This error probability can also be expressed in the form
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )$$
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )$$
schreiben, wobei  $E_{\rm B}$  die „Energie pro Bit” bezeichnet.  
where  $E_{\rm B}$  denotes "energy per bit."


Die Fehlerwahrscheinlichkeit eines vergleichbaren Übertragungssystems mit ''Binary Phase Shift Keying'' lautet (Index:  BPSK):
The error probability of a comparable transmission system with ''Binary Phase Shift Keying'' is (Index:  BPSK):
:$$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\left ( {s_0}/{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{{N_0}/{T_{\rm B}}}.$$
:$$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\left ( {s_0}/{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{{N_0}/{T_{\rm B}}}.$$




Line 32: Line 32:




''Hinweise:''  
''Notes:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel   [[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]].
*The exercise belongs to the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation]].
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel  [[Digital_Signal_Transmission/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisbandübertragung|Fehlerwahrscheinlichkeit bei Basisbandübertragung]].  
*Reference is also made to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_for_Baseband_Transmission|Error Probability for Baseband Transmission]].  
   
   
*Sie können die Ergebnisse mit dem Applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]] überprüfen.
*You can check the results with the applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Complementary Gaussian Error Functions]].
*Da hier der Signalwert  $s_{0}$  in „Volt” angegeben ist und keine Angabe zum Bezugswiderstand gemacht wird, hat  $E_{\rm B}$  die Einheit „$\rm V^{2}/Hz$.
*Since the signal value  $s_{0}$  is specified here in "volts" and no specification is made for the reference resistance,  $E_{\rm B}$  has the unit "$\rm V^{2}/Hz$".








===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>


{Es gelte &nbsp;$s_{0} = 4 \, \rm V$. Wie groß ist die Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_{\rm BB}$&nbsp; des Basisbandsystems?
{Let &nbsp;$s_{0} = 4 \, \rm V$. What is the error probability &nbsp;$p_{\rm BB}$&nbsp; of the baseband system?
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm BB} \ = \ $ { 0.00317 3% } $\ \% $
$p_{\rm BB} \ = \ $ { 0.00317 3% } $\ \% $


{Wie groß ist die Energie pro Bit beim Basisbandsystem mit &nbsp;$s_{0} = 4 \, \rm V$?
{What is the energy per bit for the baseband system with &nbsp;$s_{0} = 4 \, \rm V$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$E_{\rm B} \ = \ $ { 1.6 3% } $\ \cdot 10^{-8}\  \rm V^{2}s $
$E_{\rm B} \ = \ $ { 1.6 3% } $\ \cdot 10^{-8}\  \rm V^{2}s $


{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_{\rm BB}$&nbsp; ergibt sich bei halber Sendeamplitude &nbsp;$(s_{0} = 2 \, \rm V)$?
{What is the error probability &nbsp;$p_{\rm BB}$&nbsp; at half the transmission amplitude &nbsp;$(s_{0} = 2 \, \rm V)$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm BB} \ = \ $ {  2.27 3% } $\ \% $
$p_{\rm BB} \ = \ $ {  2.27 3% } $\ \% $


{Geben Sie die Fehlerwahrscheinlichkeit der BPSK abhängig vom Quotienten &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0}$&nbsp; an. Welches Ergebnis stimmt?
{Give the error probability of the BPSK depending on the quotient &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0}$.&nbsp; Which result is correct?
|type="[]"}
|type="[]"}
- $p_{\rm BPSK} =  {\rm Q}\big [(E_{\rm B}/N_{0})^{1/2}\big ]$,
- $p_{\rm BPSK} =  {\rm Q}\big [(E_{\rm B}/N_{0})^{1/2}\big ]$,
Line 64: Line 64:
-$p_{\rm BPSK} =  {\rm Q}\big [(4\cdot E_{\rm B}/N_{0})^{1/2}\big ]$.
-$p_{\rm BPSK} =  {\rm Q}\big [(4\cdot E_{\rm B}/N_{0})^{1/2}\big ]$.


{Welche Fehlerwahrscheinlichkeiten ergeben sich für die BPSK und &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8$&nbsp; bzw. &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 2$?
{What are the error probabilities for the BPSK and &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8$&nbsp; and &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 2$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$E_{\rm B}/N_{0} = 8\text{:}\hspace{0.4cm}  p_{\rm BPSK} \ = \ $ { 0.00317 3% } $\ \% $
$E_{\rm B}/N_{0} = 8\text{:}\hspace{0.4cm}  p_{\rm BPSK} \ = \ $ { 0.00317 3% } $\ \% $
Line 73: Line 73:
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Der Rauscheffektivwert ergibt sich hier zu
'''(1)'''&nbsp; The noise rms value here is given by
:$$\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}= \sqrt{\frac{2 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 1\,{\rm ns}}}= 1\,{\rm V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ({s_0}/{\sigma_d } \right
:$$\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}= \sqrt{\frac{2 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 1\,{\rm ns}}}= 1\,{\rm V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ({s_0}/{\sigma_d } \right
  )=  {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.00317 \%}.$$
  )=  {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.00317 \%}.$$




'''(2)'''&nbsp; Beim Basisbandsystem gilt:
'''(2)'''&nbsp; For the baseband system:
:$$E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T_{\rm B}= (4\,{\rm V})^2 \cdot
:$$E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T_{\rm B}= (4\,{\rm V})^2 \cdot
10^{-9}\,{\rm s}\hspace{0.1cm}\underline {= 1.6 \cdot 10^{-8}\,{\rm V^2s}}.$$
10^{-9}\,{\rm s}\hspace{0.1cm}\underline {= 1.6 \cdot 10^{-8}\,{\rm V^2s}}.$$
Natürlich ergibt sich mit der zusätzlich angegebenen Gleichung die genau gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit:
Of course, the additional equation given gives the exact same error probability:
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
  ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot 16 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2s}}{2 \cdot 10^{-9}\, {\rm
  ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot 16 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2s}}{2 \cdot 10^{-9}\, {\rm
Line 89: Line 89:
  ) =  {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
  ) =  {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$


Ein Vergleich mit der Teilaufgabe '''(4)''' von [[Aufgaben:1.08_Vergleich_ASK_und_BPSK|Aufgabe A1.8]] zeigt, dass &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8$&nbsp; nicht (exakt) gleich &nbsp;$10 \cdot \lg E_{\rm B}/N_{0} = 9 \ \rm dB$&nbsp; ist. Im ersten Fall ergibt sich &nbsp;$p_{\rm BB} = 0.317 \cdot 10^{–4}$, im zweiten &nbsp;$p_{\rm BB} = 0.336 \cdot 10^{-4}$.
A comparison with question '''(4)''' of [[Aufgaben:Exercise_1.08:_Comparison_of_ASK_and_BPSK|Exercise 1.8]] shows that &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8$&nbsp; is not (exactly) equal to &nbsp;$10 \cdot \lg E_{\rm B}/N_{0} = 9 \ \rm dB$.&nbsp; In the first case &nbsp;$p_{\rm BB} = 0.317 \cdot 10^{–4}$ is obtained, in the second &nbsp;$p_{\rm BB} = 0.336 \cdot 10^{-4}$.




'''(3)'''&nbsp; Bei halber Sendeamplitude $s_{0} = 2 \ \rm V$ sinkt die Energie pro Bit auf ein Viertel und es gelten folgende Gleichungen:
'''(3)'''&nbsp; At half the transmission amplitude $s_{0} = 2 \ \rm V$, the energy per bit decreases to a quarter and the following equations apply:
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \frac{2\,{\rm V}}{1\,{\rm V}} \right )\hspace{0.1cm}\underline {= {\rm Q}(2)= 2.27 \%},$$
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \frac{2\,{\rm V}}{1\,{\rm V}} \right )\hspace{0.1cm}\underline {= {\rm Q}(2)= 2.27 \%},$$
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot 4 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2s}}{2 \cdot 10^{-9}\, {\rm V^2/Hz} }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(2)= 2.27 \%.$$
:$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot 4 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2s}}{2 \cdot 10^{-9}\, {\rm V^2/Hz} }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(2)= 2.27 \%.$$




'''(4)'''&nbsp; Unter Berücksichtigung der nur mehr halben Energie $E_{\rm B} = s^{2}_{0} \cdot T_{\rm B}/2$ erhält man mit $\sigma^{2}_{d} = N_{0}/T_{\rm B}$ und
'''(4)'''&nbsp; Considering only half the energy $E_{\rm B} = s^{2}_{0} \cdot T_{\rm B}/2$, we obtain with $\sigma^{2}_{d} = N_{0}/T_{\rm B}$ and
:$$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\left ( {s_0}/{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \sqrt{{s_0^2 \cdot T_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }}\hspace{0.1cm}\right )$$
:$$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\left ( {s_0}/{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \sqrt{{s_0^2 \cdot T_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }}\hspace{0.1cm}\right )$$
das genau gleiche Ergebnis wie beim optimalen Basisbandsystem &nbsp; &rArr; &nbsp; <u>Lösungsvorschlag 2</u>.
the exact same result as for the optimal baseband system &nbsp; &rArr; &nbsp; <u>solution 2</u>.




'''(5)'''&nbsp; Es ergeben sich damit natürlich auch die genau gleichen Ergebnisse wie bei der Basisbandübertragung:
'''(5)'''&nbsp; Of course, this also gives the exact same results as for the baseband transmission:
:$${ E_{\rm B}}/{N_0 }= 8{\rm :} \hspace{0.2cm}p_{\rm BPSK} = {\rm Q}(\sqrt{16}) =  {\rm Q}(4)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.00317 \%},$$
:$${ E_{\rm B}}/{N_0 }= 8{\rm :} \hspace{0.2cm}p_{\rm BPSK} = {\rm Q}(\sqrt{16}) =  {\rm Q}(4)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.00317 \%},$$
:$${ E_{\rm B}}/{N_0 }= 2{\rm :} \hspace{0.2cm}p_{\rm BPSK} = {\rm Q}(\sqrt{4}) =  {\rm Q}(2) \hspace{0.1cm}\underline {= 2.27 \%}.$$
:$${ E_{\rm B}}/{N_0 }= 2{\rm :} \hspace{0.2cm}p_{\rm BPSK} = {\rm Q}(\sqrt{4}) =  {\rm Q}(2) \hspace{0.1cm}\underline {= 2.27 \%}.$$

Revision as of 15:56, 29 March 2022

Numerical values of the function  ${\rm Q}(x)$

We assume the optimal baseband transmission system for binary signals with

  • bipolar amplitude coefficients  $a_{\nu} \in \{–1, +1\}$,
  • rectangular transmitted signal with signal values  $\pm s_{0}$  and bit duration  $T_{\rm B}$,
  • AWGN noise with noise power density  $N_{0}$,
  • receiver filter according to the matched filter principle,
  • decision with the optimal threshold  $E = 0$.


Unless otherwise specified, you should also assume the following numerical values:

$$ s_0 = 4\,{\rm V},\hspace{0.2cm} T_{\rm B} = 1\,{\rm ns},\hspace{0.2cm}N_0 = 2 \cdot 10^{-9}\, {\rm V^2/Hz} \hspace{0.05cm}.$$

The bit error probability of this "baseband system" has already been given in the chapter  Error Probability for Baseband Transmission  (Index:  BB):

$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}.$$

Here,  $\sigma_{d}$  denotes the noise rms value at the decision and  ${\rm Q}(x)$  denotes the complementary Gaussian error function, which is given here in tabular form.

This error probability can also be expressed in the form

$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )$$

where  $E_{\rm B}$  denotes "energy per bit."

The error probability of a comparable transmission system with Binary Phase Shift Keying is (Index:  BPSK):

$$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\left ( {s_0}/{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{{N_0}/{T_{\rm B}}}.$$




Notes:

  • You can check the results with the applet  Complementary Gaussian Error Functions.
  • Since the signal value  $s_{0}$  is specified here in "volts" and no specification is made for the reference resistance,  $E_{\rm B}$  has the unit "$\rm V^{2}/Hz$".



Questions

1 Let  $s_{0} = 4 \, \rm V$. What is the error probability  $p_{\rm BB}$  of the baseband system?

$p_{\rm BB} \ = \ $ $\ \% $

2 What is the energy per bit for the baseband system with  $s_{0} = 4 \, \rm V$?

$E_{\rm B} \ = \ $ $\ \cdot 10^{-8}\ \rm V^{2}s $

3 What is the error probability  $p_{\rm BB}$  at half the transmission amplitude  $(s_{0} = 2 \, \rm V)$?

$p_{\rm BB} \ = \ $ $\ \% $

4 Give the error probability of the BPSK depending on the quotient  $E_{\rm B}/N_{0}$.  Which result is correct?

$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\big [(E_{\rm B}/N_{0})^{1/2}\big ]$,
$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\big [(2 \cdot E_{\rm B}/N_{0})^{1/2}\big ]$,
$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\big [(4\cdot E_{\rm B}/N_{0})^{1/2}\big ]$.

5 What are the error probabilities for the BPSK and  $E_{\rm B}/N_{0} = 8$  and  $E_{\rm B}/N_{0} = 2$?

$E_{\rm B}/N_{0} = 8\text{:}\hspace{0.4cm} p_{\rm BPSK} \ = \ $ $\ \% $
$E_{\rm B}/N_{0} = 2\text{:}\hspace{0.4cm} p_{\rm BPSK} \ = \ $ $\ \% $


Solution

(1)  The noise rms value here is given by

$$\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}= \sqrt{\frac{2 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 1\,{\rm ns}}}= 1\,{\rm V}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ({s_0}/{\sigma_d } \right
)=  {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.00317 \%}.$$


(2)  For the baseband system:

$$E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T_{\rm B}= (4\,{\rm V})^2 \cdot

10^{-9}\,{\rm s}\hspace{0.1cm}\underline {= 1.6 \cdot 10^{-8}\,{\rm V^2s}}.$$ Of course, the additional equation given gives the exact same error probability:

$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
) = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot 16 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2s}}{2 \cdot 10^{-9}\, {\rm

V^2/Hz} }} \hspace{0.1cm}\right

) =  {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$

A comparison with question (4) of Exercise 1.8 shows that  $E_{\rm B}/N_{0} = 8$  is not (exactly) equal to  $10 \cdot \lg E_{\rm B}/N_{0} = 9 \ \rm dB$.  In the first case  $p_{\rm BB} = 0.317 \cdot 10^{–4}$ is obtained, in the second  $p_{\rm BB} = 0.336 \cdot 10^{-4}$.


(3)  At half the transmission amplitude $s_{0} = 2 \ \rm V$, the energy per bit decreases to a quarter and the following equations apply:

$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \frac{2\,{\rm V}}{1\,{\rm V}} \right )\hspace{0.1cm}\underline {= {\rm Q}(2)= 2.27 \%},$$
$$p_{\rm BB} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot 4 \cdot 10^{-9}\,{\rm V^2s}}{2 \cdot 10^{-9}\, {\rm V^2/Hz} }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(2)= 2.27 \%.$$


(4)  Considering only half the energy $E_{\rm B} = s^{2}_{0} \cdot T_{\rm B}/2$, we obtain with $\sigma^{2}_{d} = N_{0}/T_{\rm B}$ and

$$p_{\rm BPSK} = {\rm Q}\left ( {s_0}/{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \sqrt{{s_0^2 \cdot T_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }}\hspace{0.1cm}\right )$$

the exact same result as for the optimal baseband system   ⇒   solution 2.


(5)  Of course, this also gives the exact same results as for the baseband transmission:

$${ E_{\rm B}}/{N_0 }= 8{\rm :} \hspace{0.2cm}p_{\rm BPSK} = {\rm Q}(\sqrt{16}) = {\rm Q}(4)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.00317 \%},$$
$${ E_{\rm B}}/{N_0 }= 2{\rm :} \hspace{0.2cm}p_{\rm BPSK} = {\rm Q}(\sqrt{4}) = {\rm Q}(2) \hspace{0.1cm}\underline {= 2.27 \%}.$$