Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.09: BPSK and 4-QAM"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1682__Dig_A_4_2.png|right|frame|Phasendiagramme von BPSK und 4–QAM]]
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[[File:P_ID1682__Dig_A_4_2.png|right|frame|Phase diagrams of BPSK and 4-QAM]]
Die Grafik zeigt schematisch die Phasendiagramme der ''binären Phasenmodulation''  (abgekürzt '''BPSK''') und der ''Quadraturamplitudenmodulation''  ('''4–QAM''' genannt).  
+
The diagram shows schematically the phase diagrams of the  "binary phase modulation"  $($abbreviated $\rm BPSK)$  and the  "quadrature amplitude modulation"  $($called  $\rm 4–QAM)$.  
*Letztere lässt sich durch zwei BPSK–Systeme mit Cosinus– und Minus–Sinus–Träger beschreiben, wobei bei jedem der Teilkomponenten die Sendeamplitude gegenüber der BPSK um den Faktor  $\sqrt{2}$  reduziert ist.  
+
*The latter can be described by two BPSK systems with cosine and minus-sine carriers,  where for each of the subcomponents the transmission amplitude is reduced by a factor of  $\sqrt{2}$  compared to BPSK.
*Die Hüllkurve des Gesamtsignals  $s(t)$  ist somit ebenfalls konstant gleich  $s_{0}$.
+
 
*Die Fehlerwahrscheinlichkeit abhängig vom Quotienten  $E_{\rm B}/N_{0}$  lautet bei BPSK und 4–QAM gleichermaßen:
+
*The envelope of the total signal  $s(t)$  is thus also constant equal to  $s_{0}$.
 +
 
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*The error probability depending on the quotient  $E_{\rm B}/N_{0}$  is the same for BPSK and 4–QAM:
 
:$$p_{\rm B}  = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
 
:$$p_{\rm B}  = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
 
  )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{E_{\rm B}/{ N_0 }} \right ).$$
 
  )  = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{E_{\rm B}/{ N_0 }} \right ).$$
Die Fehlerwahrscheinlichkeit des BPSK–Systems kann aber auch in der Form
+
 
 +
However,  the error probability of the BPSK system can also be expressed in the form
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right
  )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{T_{\rm B}}}$$
+
  )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{T_{\rm B}}}$$
dargestellt werden. Entsprechend gilt für das 4–QAM–System:
+
Correspondingly,  for the 4-QAM system:
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}QAM} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2}}{\sigma_d } \right
 
:$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}QAM} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2}}{\sigma_d } \right
  )\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm
+
  )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm
 
  B}}}.$$
 
  B}}}.$$
  
Die Gleichungen gelten nur unter der Voraussetzung einer exakten Phasensynchronisation:  
+
The equations are valid only under the condition of exact phase synchronization:  
*Bei einem Phasenversatz  $\Delta\phi_{\rm T}$  zwischen sender– und empfangsseitigem Trägersignal erhöht sich die Fehlerwahrscheinlichkeit signifikant, wobei BPSK– und QAM–System unterschiedlich degradiert werden.  
+
*If there is a phase offset  $\Delta\phi_{\rm T}$  between the transmitted and received carrier signals,  the error probability increases significantly,  with BPSK and QAM systems being degraded differently.
*Im Phasendiagramm macht sich der Phasenversatz durch eine Rotation der Punktwolken bemerkbar. In der Grafik sind die Mittelpunkte der Punktwolken für  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$  durch gelbe Kreuze markiert, während die roten Kreise die Mittelpunkte für  $\Delta\phi_{\rm T} = 0$  angeben.
+
 
 +
*In the phase diagram,  the phase offset is noticeable by a rotation of the point clouds. 
 +
 
 +
*In the diagram,  the centers of the point clouds for  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$  are marked by yellow crosses,  while the red circles indicate the centers for  $\Delta\phi_{\rm T} = 0$. 
  
  
Es gilt stets  $E_{\rm B}/N_{0} = 8$, so dass sich die Fehlerwahrscheinlichkeiten von BPSK und QAM im günstigsten Fall (ohne Phasenversatz) jeweils wie folgt ergeben   ⇒    [[Aufgaben:1.08Z_BPSK-Fehlerwahrscheinlichkeit|Aufgabe 1.8Z]]:
+
 $E_{\rm B}/N_{0} = 8$ always holds,  so the error probabilities of BPSK and QAM in the best case  (without phase shift)  are as follows   ⇒    [[Aufgaben:Exercise_1.08Z:_BPSK_Error_Probability|"Exercise 1.8Z"]]:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
  
''Weitere Bemerkungen:''
+
<u>Further remarks:</u>
*Bezeichnet man den Abstand der BPSK–Nutzabtastwerte von der (vertikalen) Entscheiderschwelle mit &nbsp;$s_{0}$, so ergibt sich für den Rauscheffektivwert &nbsp;$\sigma_{d} = s_{0}/4$. Die helleren Kreise in der Grafik markieren die Höhenlinien mit dem Radius &nbsp;$2\cdot \sigma_{d}$&nbsp; bzw. &nbsp;$3\cdot \sigma_{d}$&nbsp; der Gaußschen 2D–WDF.
+
*If we denote the distance of the BPSK useful samples&nbsp; (without noise)&nbsp; from the&nbsp; (vertical)&nbsp; decision threshold by &nbsp;$s_{0}$,&nbsp; we get &nbsp;$\sigma_{d} = s_{0}/4$&nbsp; for the noise rms value.&nbsp; The lighter circles in the diagram mark the contour lines with radius &nbsp;$2\cdot \sigma_{d}$&nbsp; and &nbsp;$3\cdot \sigma_{d}$&nbsp; of the two-dimensional Gaussian PDF.
 
 
*Bei der 4–QAM sind gegenüber der BPSK die Abstände der rot eingezeichneten Nutzabtastwerte von den nun zwei Entscheiderschwellen jeweils um den Faktor &nbsp;$\sqrt{2}$&nbsp; geringer, aber es ergibt sich auch ein um den gleichen Faktor kleinerer Rauscheffektivwert &nbsp;$\sigma_{d}$.
 
  
 +
*For the 4-QAM,&nbsp; compared to the BPSK,&nbsp; the distances of the noise-free samples drawn in red from the now two decision thresholds are each smaller by a factor of &nbsp;$\sqrt{2}$,&nbsp; but it also results in a noise rms value &nbsp;$\sigma_{d}$&nbsp; smaller by the same factor.
  
  
  
  
 +
Notes:
 +
*The exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|"Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation"]].
  
''Hinweise:''
+
*Reference is made in particular to the section&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation#Phase_offset_between_transmitter_and_receiver|"Phase offset between transmitter and receiver"]].  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation#Phasenversatz_zwischen_Sender_und_Empf.C3.A4nger|Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger]].  
 
 
   
 
   
*Die Werte der Q–Funktion können Sie  mit dem Applet &nbsp;[[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]&nbsp; ermitteln.
+
*You can determine the values of the Q&ndash;function with the HTML5/JavaScript applet &nbsp;[[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]].&nbsp;  
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Wie groß ist die Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei BPSK mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
+
{What is the bit error probability for BPSK with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.0057 3% } $\ \% $
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.0057 3% } $\ \% $
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich bei BPSK mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
+
{What is the bit error probability for BPSK with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.233 3% } $\ \%$
 
$p_\text{B, BPSK} \ = \ $ { 0.233 3% } $\ \%$
  
{Wie groß ist die Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei 4–QAM mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
+
{What is the bit error probability for 4-QAM with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 0.117 3% } $\ \%$
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 0.117 3% } $\ \%$
  
{Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich bei 4–QAM mit &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
+
{What is the bit error probability for 4-QAM with &nbsp;$\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 25 3% } $\ \%$
 
$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $ { 25 3% } $\ \%$
Line 67: Line 72:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Durch die Rotation des Phasendiagramms um $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$ wird der Abstand der Nutzabtastwerte von der Schwelle um $\cos(15^\circ) \approx 0.966$ geringer. Daraus folgt:
+
'''(1)'''&nbsp; Rotating the phase diagram by&nbsp; $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$&nbsp; decreases the distance of the useful samples from the threshold by&nbsp; $\cos(15^\circ) \approx 0.966$.&nbsp; It follows that:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.966 \cdot 4) \approx {\rm Q}(3.86)= 0.57 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.0057\, \%}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.966 \cdot 4) \approx {\rm Q}(3.86)= 0.57 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.0057\, \%}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Analog zu Teilaufgabe '''(1)''' erhält man mit $\cos(45^\circ) \approx 0.707$:
+
'''(2)'''&nbsp; Analogous to subtask&nbsp; '''(1)''',&nbsp; $\cos(45^\circ) \approx 0.707$&nbsp; is obtained:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.707 \cdot 4) \approx {\rm Q}(2.83)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.233 \, \%}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.707 \cdot 4) \approx {\rm Q}(2.83)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.233 \, \%}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp; Bei 4–QAM wird durch die Rotation um $\Delta\phi_{\rm T}$ im Uhrzeigersinn der Abstand
+
'''(3)'''&nbsp; For 4-QAM,&nbsp; clockwise rotation by&nbsp; $\Delta\phi_{\rm T}$&nbsp; increases the distance
*von der horizontalen Schwelle (Entscheidung des ersten Bits) gleich $s_{0} \cdot \cos(45^\circ + \Delta\phi_{\rm T})$, also kleiner als ohne Phasenversatz,
+
*from the horizontal threshold&nbsp; (decision of the first bit)&nbsp; equals&nbsp; $s_{0} \cdot \cos(45^\circ + \Delta\phi_{\rm T})$,&nbsp; i.e., smaller than without phase shift,
*von der vertikalen Schwelle (Entscheidung des zweiten Bits) gleich $s_{0} \cdot \cos(45^\circ - \Delta\phi_{\rm T})$, also größer als ohne Phasenversatz.
 
  
 +
*from the vertical threshold&nbsp; (decision of the second bit)&nbsp; equal to $s_{0} \cdot \cos(45^\circ - \Delta\phi_{\rm T})$,&nbsp; thus larger than without phase shift.
  
Damit erhält man für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit:
+
 
 +
Thus,&nbsp; we obtain for the average error probability:
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}} \right
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}} \right
Line 89: Line 95:
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}}\right
 
  T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}}\right
 
  ).$$
 
  ).$$
*Hierbei ist der kleinere Rauscheffektivwert der 4–QAM bereits berücksichtigt.  
+
*This already takes into account the smaller noise rms value of the 4-QAM.
*Zur Kontrolle berechnen wir die Fehlerwahrscheinlichkeit für $\Delta\phi_{\rm T} = 0$:
+
 
 +
*As a check,&nbsp; we calculate the error probability for&nbsp; $\Delta\phi_{\rm T} = 0$:
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  )= {\rm Q}(4) = 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
 
  )= {\rm Q}(4) = 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
  
Dagegen erhält man mit $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$:
+
*On the other hand,&nbsp; we obtain with&nbsp; $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$:
 
:$$p_{\rm B}  = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(60^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
:$$p_{\rm B}  = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(60^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(30^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(30^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
Line 103: Line 110:
  
  
'''(4)'''&nbsp; Bei einem Phasenversatz von $45^\circ$ erhält man aus der oben allgemein hergeleiteten Gleichung:
+
'''(4)'''&nbsp; With a phase shift of&nbsp; $45^\circ$,&nbsp; one obtains from the equation generally derived above:
 
:$$p_{\rm B}  ={1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(90^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
:$$p_{\rm B}  ={1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(90^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(0^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(0^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right
 
  )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(0)+ {\rm Q}(5.66)\right] \approx  0.25\hspace{0.1cm}\underline {=  25 \, \%}.$$
 
  )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(0)+ {\rm Q}(5.66)\right] \approx  0.25\hspace{0.1cm}\underline {=  25 \, \%}.$$
  
Das heißt:  
+
That is:  
*Die Fehlentscheidung für das erste Bit ist $50\%$.  
+
*The bit error rate for the first bit is&nbsp; $50\%$.
*Dagegen wird das zweite Bit nahezu fehlerfrei $(\approx 10^{–8})$ entschieden.  
+
*Insgesamt ergibt sich so eine mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit von ca. $25\%$.
+
*In contrast,&nbsp; the second bit is decided almost error-free&nbsp; $(\approx 10^{–8})$.
 +
 +
*Overall,&nbsp; this results in a mean bit error probability of approx. $25\%$.
  
  
Line 119: Line 128:
  
  
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.5 Lineare digitale Modulation^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.5 Linear Digital Modulation^]]

Latest revision as of 09:30, 20 May 2022

Phase diagrams of BPSK and 4-QAM

The diagram shows schematically the phase diagrams of the  "binary phase modulation"  $($abbreviated $\rm BPSK)$  and the  "quadrature amplitude modulation"  $($called  $\rm 4–QAM)$.

  • The latter can be described by two BPSK systems with cosine and minus-sine carriers,  where for each of the subcomponents the transmission amplitude is reduced by a factor of  $\sqrt{2}$  compared to BPSK.
  • The envelope of the total signal  $s(t)$  is thus also constant equal to  $s_{0}$.
  • The error probability depending on the quotient  $E_{\rm B}/N_{0}$  is the same for BPSK and 4–QAM:
$$p_{\rm B} = \ {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = \ {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{E_{\rm B}/{ N_0 }} \right ).$$

However,  the error probability of the BPSK system can also be expressed in the form

$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}BPSK} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0}{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{T_{\rm B}}}$$

Correspondingly,  for the 4-QAM system:

$$p_{\rm B,\hspace{0.04cm}QAM} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2}}{\sigma_d } \right )\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}\sigma_d = \sqrt{\frac{N_0}{2 \cdot T_{\rm B}}}.$$

The equations are valid only under the condition of exact phase synchronization:

  • If there is a phase offset  $\Delta\phi_{\rm T}$  between the transmitted and received carrier signals,  the error probability increases significantly,  with BPSK and QAM systems being degraded differently.
  • In the phase diagram,  the phase offset is noticeable by a rotation of the point clouds. 
  • In the diagram,  the centers of the point clouds for  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$  are marked by yellow crosses,  while the red circles indicate the centers for  $\Delta\phi_{\rm T} = 0$. 


 $E_{\rm B}/N_{0} = 8$ always holds,  so the error probabilities of BPSK and QAM in the best case  (without phase shift)  are as follows   ⇒   "Exercise 1.8Z":

$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {\rm Q}(4)= 0.317 \cdot 10^{-4}.$$

Further remarks:

  • If we denote the distance of the BPSK useful samples  (without noise)  from the  (vertical)  decision threshold by  $s_{0}$,  we get  $\sigma_{d} = s_{0}/4$  for the noise rms value.  The lighter circles in the diagram mark the contour lines with radius  $2\cdot \sigma_{d}$  and  $3\cdot \sigma_{d}$  of the two-dimensional Gaussian PDF.
  • For the 4-QAM,  compared to the BPSK,  the distances of the noise-free samples drawn in red from the now two decision thresholds are each smaller by a factor of  $\sqrt{2}$,  but it also results in a noise rms value  $\sigma_{d}$  smaller by the same factor.



Notes:


Questions

1

What is the bit error probability for BPSK with  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?

$p_\text{B, BPSK} \ = \ $

$\ \% $

2

What is the bit error probability for BPSK with  $\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?

$p_\text{B, BPSK} \ = \ $

$\ \%$

3

What is the bit error probability for 4-QAM with  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$?

$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $

$\ \%$

4

What is the bit error probability for 4-QAM with  $\Delta\phi_{\rm T} = 45^\circ$?

$p_\text{B, 4-QAM} \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  Rotating the phase diagram by  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$  decreases the distance of the useful samples from the threshold by  $\cos(15^\circ) \approx 0.966$.  It follows that:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.966 \cdot 4) \approx {\rm Q}(3.86)= 0.57 \cdot 10^{-4}\hspace{0.1cm}\underline {= 0.0057\, \%}.$$


(2)  Analogous to subtask  (1),  $\cos(45^\circ) \approx 0.707$  is obtained:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}(0.707 \cdot 4) \approx {\rm Q}(2.83)\hspace{0.1cm}\underline {= 0.233 \, \%}.$$


(3)  For 4-QAM,  clockwise rotation by  $\Delta\phi_{\rm T}$  increases the distance

  • from the horizontal threshold  (decision of the first bit)  equals  $s_{0} \cdot \cos(45^\circ + \Delta\phi_{\rm T})$,  i.e., smaller than without phase shift,
  • from the vertical threshold  (decision of the second bit)  equal to $s_{0} \cdot \cos(45^\circ - \Delta\phi_{\rm T})$,  thus larger than without phase shift.


Thus,  we obtain for the average error probability:

$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}} \right ) + {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ-{\rm \Delta} \phi_{\rm T}) \cdot s_0}{0.25 \cdot s_0 / \sqrt{2}}\right ).$$
  • This already takes into account the smaller noise rms value of the 4-QAM.
  • As a check,  we calculate the error probability for  $\Delta\phi_{\rm T} = 0$:
$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(45^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right )= {\rm Q}(4) = 0.317 \cdot 10^{-4}.$$
  • On the other hand,  we obtain with  $\Delta\phi_{\rm T} = 15^\circ$:
$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(60^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(30^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(2.83)+ {\rm Q}(4.90)\right]$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm B} \approx \frac{1}{2} \cdot \left [0.233 \cdot 10^{-2}+ 0.479 \cdot 10^{-6}\right] \hspace{0.1cm}\underline {= 0.117 \, \%}.$$


(4)  With a phase shift of  $45^\circ$,  one obtains from the equation generally derived above:

$$p_{\rm B} ={1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(90^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right ) +{1}/{2} \cdot {\rm Q}\left ( \frac{\cos(0^\circ) \cdot 4}{1 / \sqrt{2}} \right )= {1}/{2} \cdot \left [{\rm Q}(0)+ {\rm Q}(5.66)\right] \approx 0.25\hspace{0.1cm}\underline {= 25 \, \%}.$$

That is:

  • The bit error rate for the first bit is  $50\%$.
  • In contrast,  the second bit is decided almost error-free  $(\approx 10^{–8})$.
  • Overall,  this results in a mean bit error probability of approx. $25\%$.