Exercise 4.11: On-Off Keying and Binary Phase Shift Keying
Die Grafik zeigt Signalraumkonstellationen für trägermodulierte Modulationsverfahren:
- On–Off–Keying (OOK), in anderen LNTwww–Büchern auch als Amplitude Shift Keying (ASK) bezeichnet, sowie
- Binary Phase Shift Keying (BPSK).
Für die Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit gehen wir vom AWGN–Kanal aus. In diesem Fall ist die Fehlerwahrscheinlichkeit (bezogen auf Symbole oder auf Bit gleichermaßen):
- $$p_{\rm S} = p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right ) \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei bezeichnet
- $d$ den Abstand der Signalraumpunkte, und
- $\sigma_n^2 = N_0/2$ die Varianz des AWGN–Rauschens.
In den Teilfragen ab (3) wird zudem auf die mittlere Signalenergie $E_{\rm S}$ Bezug genommen.
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Approximation der Fehlerwahrscheinlichkeit.
- Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
- Gegeben sind folgende Werte der komplementären Gaußschen Fehlerfunktion:
- $${\rm Q}(1) \hspace{-0.1cm} \ \approx \ \hspace{-0.1cm} 0.159\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}{\rm Q}(\sqrt{2}) \approx 0.079\hspace{0.05cm}, \hspace{0.23cm}{\rm Q}(\sqrt{3}) \approx 0.042\hspace{0.05cm},$$
- $${\rm Q}(2) \hspace{-0.1cm} \ \approx \ \hspace{-0.1cm} 0.023\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}{\rm Q}(2.14) \approx 0.016\hspace{0.05cm}, \hspace{0.1cm}{\rm Q}(\sqrt{5}) \approx 0.013 \hspace{0.05cm}.$$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Trägerfrequenzsysteme mit kohärenter Demodulation.
- Weiter wird die hier behandelte Thematik auch im Kapitel Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation dieses Buches sowie im Kapitel Lineare digitale Modulation des Buches „Modulationsverfahren” ausführlich behandelt.
- Verwenden Sie für die komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion die folgende Näherung:
- $${\rm Q}(x) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot x} \cdot {\rm e}^{-x^2/2} \hspace{0.05cm}.$$
Fragebogen
Musterlösung
- $$\underline{b = 1 }\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} \underline{M = 2} \hspace{0.05cm}.$$
(2) Richtig ist der Lösungsvorschlag 2, erkennbar an der imaginären Basisfunktion $\varphi_2(t) = {\rm j} \cdot \varphi_1(t)$. Bei Beschreibung im Bandpassbereich wären die Basisfunktionen cosinus– und (minus–)sinusförmig reell.
(3) Die vorgegebene Gleichung lautet bei On–Off–Keying (OOK) mit $d = \sqrt {E}$, $E_{\rm S} = E/2$ (wobei gleichwahrscheinliche Symbole $\boldsymbol{s}_0$ und $\boldsymbol{s}_1$ vorausgesetzt sind) und $\sigma_n^2 = N_0/2$:
- $$p_{\rm S} \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right )= {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E}/2}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ \frac{ E/2}{ N_0} }\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
Für $E_{\rm S}/N_0 = 9 = 3^2$ ergibt sich somit:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (3) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot 3} \cdot {\rm e}^{-9/2} = \underline{0.148 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$
Entsprechend gilt für $10 \cdot {\rm lg} \, (E_{\rm S}/N_0) = 12 \ \rm dB$ ⇒ $E_{\rm S}/N_0 = 15.85$:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{15.85}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 15.85} } \cdot {\rm e}^{-15.85/2} = \underline{0.362 \cdot 10^{-4}} \hspace{0.05cm}.$$
(4) Im Unterschied zur Teilaufgabe (3) gilt nun $d = 2 \cdot \sqrt {E}$ und $E_{\rm S} = E$, beides sogar unabhängig von den Auftrittswahrscheinlichkeiten für $\boldsymbol{s}_0$ und $\boldsymbol{s}_1$. Daraus folgt:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E_{\rm S}}}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { 2E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
Mit $E_{\rm S}/N_0 = 9$ ergibt sich daraus der Zahlenwert:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{18}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 18} } \cdot {\rm e}^{-18/2} = \underline{0.117 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm},$$
und mit $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 12 \ \rm dB$ ⇒ $2E_{\rm S}/N_0 = 31.7$:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{31.7}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 31.7} } \cdot {\rm e}^{-31.7/2} = \underline{0.926 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$
