Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.08: Comparison of ASK and BPSK"

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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_ID1680__Dig_A_4_1.png|right|frame|Bitfehlerwahrscheinlichkeiten <br>von ASK und BPSK]]
+
[[File:P_ID1680__Dig_A_4_1.png|right|frame|Bit error probabilities&nbsp; (ASK and BPSK)]]
Die Bitfehlerwahrscheinlichkeiten der Modulationsarten &nbsp;''Amplitude Shift Keying''&nbsp; (ASK) und &nbsp;''Binary Shift Keying''&nbsp; (BPSK) werden oft durch die beiden folgenden Gleichungen angegeben:
+
The bit error probabilities of &nbsp;"Amplitude Shift Keying"&nbsp; $\rm (ASK)$&nbsp; and &nbsp;"Binary Shift Keying"&nbsp; $\rm (BPSK)$&nbsp; modulation are often given by the following two equations:
 
:$$p_{\rm ASK}  = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{2 \cdot N_0 }} \right ),$$
 
:$$p_{\rm ASK}  = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{2 \cdot N_0 }} \right ),$$
 
:$$ p_{\rm BPSK} = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{ N_0 }} \right ).$$
 
:$$ p_{\rm BPSK} = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{ N_0 }} \right ).$$
  
Diese beiden Gleichungen sind in der beigefügten Tabelle ausgewertet. Dabei gilt:
+
These equations are evaluated in the attached table.&nbsp; The following applies:
*$E_{\rm B}$&nbsp; gibt die mittlere Energie pro Bit an.
+
*$E_{\rm B}$&nbsp; indicates the average energy per bit.
*$N_{0}$&nbsp; ist die Rauschleistungsdichte.
+
*$N_{0}$&nbsp; is the noise power density.
*Zwischen den Fehlerfunktionen &nbsp;${\rm Q}(x)$&nbsp; und &nbsp;${\rm erfc}(x)$&nbsp; besteht ein fester Zusammenhang.
+
*There is a fixed relationship between the error functions &nbsp;${\rm Q}(x)$&nbsp; and &nbsp;${\rm erfc}(x)$.&nbsp;  
  
  
Anzumerken ist, dass diese Gleichungen nicht allgemein gelten, sondern nur unter gewissen idealisierten Bedingungen. Diese Voraussetzungen sollen in dieser Aufgabe herausgearbeitet werden.
+
It should be noted that these equations do not apply in general,&nbsp; but only under certain idealized conditions.&nbsp; These conditions are to be worked out in this exercise.
  
  
  
  
 +
Notes:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|"Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation"]].
 +
*You can check the results with the HTML5/JavaScript applet &nbsp;[[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]].&nbsp;
  
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp;  [[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]].
 
 
*Sie können die Ergebnisse mit dem Applet &nbsp;[[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]&nbsp; überprüfen.
 
  
 
+
===Questions===
 
 
===Fragebogen===
 
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welcher Zusammenhang besteht zwischen &nbsp;${\rm Q}(x)$&nbsp; und &nbsp;${\rm erfc}(x)$?
+
{What is the relationship between &nbsp;${\rm Q}(x)$&nbsp; and &nbsp;${\rm erfc}(x)$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Es gilt &nbsp;${\rm Q}(x)= 2 \cdot{\rm erfc}(x)$,
+
- &nbsp;${\rm Q}(x)= 2 \cdot{\rm erfc}(x)$,
+ Es gilt &nbsp;${\rm Q}(x)= 0.5 \cdot{\rm erfc}(x)/\sqrt{2})$,
+
+ &nbsp;${\rm Q}(x)= 0.5 \cdot{\rm erfc}(x)/\sqrt{2})$,
- Es gilt &nbsp;${\rm erfc}(x)= 0.5 \cdot{\rm Q}(x)/\sqrt{2})$.
+
- &nbsp;${\rm erfc}(x)= 0.5 \cdot{\rm Q}(x)/\sqrt{2})$.
  
{Wann gelten die angegebenen Gleichungen für die Fehlerwahrscheinlichkeit?
+
{When do the given equations for the error probability apply?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
Sie gelten nur für den AWGN–Kanal.
+
They apply only to the AWGN channel.
+ Sie gelten nur für den Matched–Filter–Empfänger (oder Varianten).
+
+ They apply only to the matched filter receiver&nbsp; (or variants).
Die Gleichungen berücksichtigen Impulsinterferenzen.
+
The equations take into account intersymbol interfering.
Die Gleichungen gelten nur bei rechteckförmigen Signalen.
+
The equations apply only to rectangular signals.
  
  
{Wie lauten die Fehlerwahrscheinlichkeiten für &nbsp;$10 \cdot  \lg \ E_{\rm B}/N_{0} = 12\, \rm dB$?
+
{What are the error probabilities for &nbsp;$10 \cdot  \lg \ E_{\rm B}/N_{0} = 12\, \rm dB$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$ p_{\rm ASK} \ = \ $ { 0.343 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
 
$ p_{\rm ASK} \ = \ $ { 0.343 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
 
$ p_{\rm BPSK} \ = \ $ { 0.901 3% } $\ \cdot 10^{-8}$
 
$ p_{\rm BPSK} \ = \ $ { 0.901 3% } $\ \cdot 10^{-8}$
  
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeiten ergeben sich für &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8$?
+
{What are the error probabilities for &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$ p_{\rm ASK} \ = \ $ { 0.241 3% } $\ \cdot 10^{-2}$
 
$ p_{\rm ASK} \ = \ $ { 0.241 3% } $\ \cdot 10^{-2}$
 
$ p_{\rm BPSK} \ = \ $ { 0.336 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
 
$ p_{\rm BPSK} \ = \ $ { 0.336 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
  
{Die Fehlerwahrscheinlichkeit soll nicht größer werden als &nbsp;$10^{-8}$. Wie groß ist das erforderliche &nbsp;$10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0}$&nbsp; bei ASK?
+
{The error probability should not exceed &nbsp;$10^{-8}$.&nbsp; What is the required &nbsp;$10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0}$&nbsp; for ASK?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$(E_{\rm B}/N_{0})_{\rm min} \ = \ $ { 15 3% } $\ \rm dB $
 
$(E_{\rm B}/N_{0})_{\rm min} \ = \ $ { 15 3% } $\ \rm dB $
Line 63: Line 60:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Bereits aus den Gleichungen auf der Angabenseite ist ersichtlich, dass der <u>Lösungsvorschlag 2</u> richtig ist. Die Definitionsgleichungen lauten:
+
'''(1)'''&nbsp; It is already obvious from the equations on the information page that&nbsp; <u>solution 2</u>&nbsp; is correct.&nbsp; The defining equations are:
 
:$$\rm Q ({\it x}) = \ \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\int_{\it
 
:$$\rm Q ({\it x}) = \ \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\int_{\it
 
x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u
 
x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u
Line 72: Line 69:
 
\pi}}\int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}}\,d \it u
 
\pi}}\int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}}\,d \it u
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
Durch einfache Substitutionen kann der oben genannte Zusammenhang einfach nachgewiesen werden:
+
*By simple substitutions,&nbsp; the above relationship can be easily proved:
 
:$${\rm Q} ( x) = 1/2 \cdot {\rm erfc} (x/\sqrt{2}) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Q} ( x) = 1/2 \cdot {\rm erfc} (x/\sqrt{2}) \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>beiden ersten Lösungsvorschläge:</u>  
+
'''(2)'''&nbsp; The&nbsp; <u>first two solutions</u>&nbsp; are correct:
*Die Gleichungen gelten nur für den AWGN&ndash;Kanal und für einen optimalen Binärempfänger, zum Beispiel entsprechend des Matched&ndash;Filter&ndash;Ansatzes.  
+
*The equations are valid only for the AWGN channel and for an optimal binary receiver,&nbsp; for example,&nbsp; according to the matched filter approach.
*Impulsinterferenzen &ndash; verursacht durch den Kanal oder das Empfangsfilter &ndash; werden damit nicht erfasst.  
+
*Intersymbol interfering&nbsp; &ndash; caused by the channel or the receiver filter &ndash; is not covered by this.
*Die genaue Sendeimpulsformung spielt dagegen keine Rolle, solange das Empfangsfilter $H_{\rm E}(f)$ an das Sendespektrum angepasst ist. Vielmehr gilt:
+
*The exact transmission pulse shaping,&nbsp; on the other hand,&nbsp; does not matter as long as the receiver filter&nbsp; $H_{\rm E}(f)$&nbsp; is matched to the transmission spectrum.&nbsp; Rather:
*Zwei unterschiedliche Sendeimpulsformer $H_{\rm S}(f)$ führen zur genau gleichen Fehlerwahrscheinlichkeit, wenn sie die gleiche Energie pro Bit aufweisen.
+
*Two different transmission pulse shapers&nbsp; $H_{\rm S}(f)$&nbsp; lead to exactly the same error probability if they have the same energy per bit.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Die Ergebnisse können direkt aus der Tabelle abgelesen werden:
+
'''(3)'''&nbsp; The results can be read directly from the table:
:$$p_{\rm ASK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.343 \cdot 10^{-4}},\hspace{0.3cm}p_{\rm BPSK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.901 \cdot 10^{-8}}.$$
+
:$$p_{\rm ASK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.343 \cdot 10^{-4}},$$
 +
:$$p_{\rm BPSK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.901 \cdot 10^{-8}}.$$
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Mit &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8\  \Rightarrow \ 10  \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0} \approx 9 \ \rm dB$&nbsp; erhält man folgende Fehlerwahrscheinlichkeiten:
+
'''(4)'''&nbsp; With &nbsp;$E_{\rm B}/N_{0} = 8\  \Rightarrow \ 10  \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0} \approx 9 \ \rm dB$,&nbsp; the following error probabilities are obtained:
:$$p_{\rm ASK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.241 \cdot 10^{-2}},\hspace{0.3cm}p_{\rm BPSK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.336 \cdot 10^{-4}}.$$
+
:$$p_{\rm ASK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.241 \cdot 10^{-2}}$$
 +
:$$p_{\rm BPSK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.336 \cdot 10^{-4}}.$$
  
  
'''(5)'''&nbsp; Aus der Teilaufgabe '''(3)''' folgt, dass bei der binären Phasenmodulation &nbsp;$10  \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0} \approx 12 \ \rm dB$&nbsp; erfüllt sein muss, damit &nbsp;$p_{\rm BPSK} \approx 10^{-8}$&nbsp; möglich ist.  
+
'''(5)'''&nbsp; From question&nbsp; '''(3)''',&nbsp; it follows that for binary phase modulation,&nbsp; &nbsp;$10  \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0} \approx 12 \ \rm dB$&nbsp; must be satisfied for &nbsp;$p_{\rm BPSK} \approx 10^{-8}$&nbsp; to be possible.
*Die angegebenen Gleichungen zeigen aber auch, dass die ASK–Kurve um &nbsp;$3 \ \rm dB$ $($exakt $3.01 \ \rm dB)$&nbsp; rechts von der BPSK–Kurve liegt.  
+
*However,&nbsp; the given equations also show that the ASK curve is &nbsp;$3 \ \rm dB$ $($exactly $3.01 \ \rm dB)$&nbsp; to the right of the BPSK curve.
*Daraus folgt:
+
*It follows that:
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(E_{\rm B}/N_{\rm 0})_{\rm min}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 15\,\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(E_{\rm B}/N_{\rm 0})_{\rm min}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 15\,\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$
  
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[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.5 Lineare digitale Modulation^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.5 Linear Digital Modulation^]]

Latest revision as of 15:12, 6 May 2022

Bit error probabilities  (ASK and BPSK)

The bit error probabilities of  "Amplitude Shift Keying"  $\rm (ASK)$  and  "Binary Shift Keying"  $\rm (BPSK)$  modulation are often given by the following two equations:

$$p_{\rm ASK} = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{2 \cdot N_0 }} \right ),$$
$$ p_{\rm BPSK} = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{ N_0 }} \right ).$$

These equations are evaluated in the attached table.  The following applies:

  • $E_{\rm B}$  indicates the average energy per bit.
  • $N_{0}$  is the noise power density.
  • There is a fixed relationship between the error functions  ${\rm Q}(x)$  and  ${\rm erfc}(x)$. 


It should be noted that these equations do not apply in general,  but only under certain idealized conditions.  These conditions are to be worked out in this exercise.



Notes:


Questions

1

What is the relationship between  ${\rm Q}(x)$  and  ${\rm erfc}(x)$?

 ${\rm Q}(x)= 2 \cdot{\rm erfc}(x)$,
 ${\rm Q}(x)= 0.5 \cdot{\rm erfc}(x)/\sqrt{2})$,
 ${\rm erfc}(x)= 0.5 \cdot{\rm Q}(x)/\sqrt{2})$.

2

When do the given equations for the error probability apply?

They apply only to the AWGN channel.
They apply only to the matched filter receiver  (or variants).
The equations take into account intersymbol interfering.
The equations apply only to rectangular signals.

3

What are the error probabilities for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0} = 12\, \rm dB$?

$ p_{\rm ASK} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-4}$
$ p_{\rm BPSK} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-8}$

4

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

$ p_{\rm ASK} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-2}$
$ p_{\rm BPSK} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-4}$

5

The error probability should not exceed  $10^{-8}$.  What is the required  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0}$  for ASK?

$(E_{\rm B}/N_{0})_{\rm min} \ = \ $

$\ \rm dB $


Solution

(1)  It is already obvious from the equations on the information page that  solution 2  is correct.  The defining equations are:

$$\rm Q ({\it x}) = \ \frac{\rm 1}{\sqrt{\rm 2\pi}}\int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}/\rm 2}\,d \it u \hspace{0.05cm},$$
$$\rm erfc ({\it x}) = \ \frac{\rm 2}{\sqrt{\rm \pi}}\int_{\it x}^{+\infty}\rm e^{\it -u^{\rm 2}}\,d \it u \hspace{0.05cm}.$$
  • By simple substitutions,  the above relationship can be easily proved:
$${\rm Q} ( x) = 1/2 \cdot {\rm erfc} (x/\sqrt{2}) \hspace{0.05cm}.$$


(2)  The  first two solutions  are correct:

  • The equations are valid only for the AWGN channel and for an optimal binary receiver,  for example,  according to the matched filter approach.
  • Intersymbol interfering  – caused by the channel or the receiver filter – is not covered by this.
  • The exact transmission pulse shaping,  on the other hand,  does not matter as long as the receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  is matched to the transmission spectrum.  Rather:
  • Two different transmission pulse shapers  $H_{\rm S}(f)$  lead to exactly the same error probability if they have the same energy per bit.


(3)  The results can be read directly from the table:

$$p_{\rm ASK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.343 \cdot 10^{-4}},$$
$$p_{\rm BPSK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.901 \cdot 10^{-8}}.$$


(4)  With  $E_{\rm B}/N_{0} = 8\ \Rightarrow \ 10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0} \approx 9 \ \rm dB$,  the following error probabilities are obtained:

$$p_{\rm ASK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.241 \cdot 10^{-2}}$$
$$p_{\rm BPSK} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.336 \cdot 10^{-4}}.$$


(5)  From question  (3),  it follows that for binary phase modulation,   $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_{0} \approx 12 \ \rm dB$  must be satisfied for  $p_{\rm BPSK} \approx 10^{-8}$  to be possible.

  • However,  the given equations also show that the ASK curve is  $3 \ \rm dB$ $($exactly $3.01 \ \rm dB)$  to the right of the BPSK curve.
  • It follows that:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(E_{\rm B}/N_{\rm 0})_{\rm min}\hspace{0.1cm}\underline {\approx 15\,\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$