Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.16: Comparison between Binary PSK and Binary FSK"

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[[File:P_ID1746__Mod_A_4_15.png|right|frame|Bitfehlerwahrscheinlichkeitskurven  von binärer PSK und binärer FSK]]
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[[File:EN_Mod_A_4_15_neu.png|right|frame|Bit error probability curves: <br>Binary PSK and binary FSK]]
Die Grafik zeigt die Bitfehlerwahrscheinlichkeit für eine binäre [[Modulationsverfahren/Nichtlineare_digitale_Modulation#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying| FSK–Modulation]] bei
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The graph shows the bit error probability for binary&nbsp;[[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation#FSK_.E2.80.93_Frequency_Shift_Keying| FSK modulation]]&nbsp; $\rm (BFSK)$&nbsp; in
*[[Modulationsverfahren/Nichtlineare_digitale_Modulation#Koh.C3.A4rente_Demodulation_der_FSK|kohärenter Demodulation]] bzw.
+
*[[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation#Coherent_demodulation_of_FSK|coherent demodulation]]&nbsp;, as well as in
*[[Modulationsverfahren/Nichtlineare_digitale_Modulation#Fehlerwahrscheinlichkeit_der_orthogonalen_FSK|inkohärenter Demodulation]]
+
*[[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation#Error_probability_of_orthogonal_FSK|non-coherent demodulation]]
  
im Vergleich zur [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|binären Phasenmodulation]] (BPSK).
 
  
Es wird stets Orthogonalität vorausgesetzt. Bei kohärenter Demodulation kann hierbei der Modulationsindex ein Vielfaches von $h = 0.5$ sein, so dass die mittlere Kurve auch für ''Minimum Shift Keying'' (MSK) gültig ist. Dagegen muss bei nichtkohärenter Demodulation einer FSK der Modulationsindex ein Vielfaches von $h = 1$ sein.
+
in comparison with &nbsp;[[Modulation_Methods/Lineare_digitale_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|binary phase modulation]]&nbsp; $\rm (BPSK)$.  
  
Diesem Systemvergleich liegt wieder der [[Modulationsverfahren/Qualitätskriterien#Einige_Anmerkungen_zum_AWGN.E2.80.93Kanalmodell|AWGN–Kanal]] zugrunde, gekennzeichnet durch das Verhältnis $E_{\rm B}/N_0$. Die Gleichungen für die Bitfehlerwahrscheinlichkeiten lauten bei
+
Orthogonality is always assumed. For coherent demodulation, the modulation index can be a multiple of &nbsp;$h = 0.5$&nbsp;, so that the middle plot can also apply to &nbsp; [[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation#MSK_.E2.80.93_Minimum_Shift_Keying|Minimum Shift Keying]]&nbsp; $\rm (MSK)$&nbsp;.&nbsp; In contrast, for non-coherent demodulation of BFSK, the modulation index must be a multiple of &nbsp;$h = 1$&nbsp;.
* ''Binary Phase Shift Keying'' (BPSK):
+
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ),$$
+
This system comparison is once again based on the &nbsp;[[Modulation_Methods/Quality_Criteria#Some_remarks_on_the_AWGN_channel_model|AWGN channel]]&nbsp;, characterized by the relationship &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$. The equations for the bit error probabilities are as follows
* ''Binary Frequency Shift Keying'' (BFSK) mit ''kohärenter'' Demodulation:
+
* for ''Binary Phase Shift Keying''&nbsp; $\rm (BPSK)$:
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B}}{2 \cdot N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ),$$
+
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ),$$
* ''Binary Frequency Shift Keying'' (BFSK) mit ''inkohärenter'' Demodulation:
+
* for ''Binary Frequency Shift Keying''&nbsp; $\rm (BFSK)$&nbsp; with ''coherent'' demodulation:
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:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/(2 N_0 )} \hspace{0.1cm}\right ),$$
 +
* for ''Binary Frequency Shift Keying''&nbsp; $\rm (BFSK)$&nbsp; with ''incoherent'' demodulation:
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- E_{\rm B}/{(2N_0) }}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- E_{\rm B}/{(2N_0) }}\hspace{0.05cm}.$$
  
In [[Aufgaben:4.8_Fehlerwahrscheinlichkeiten|Aufgabe 4.8]] wurde gezeigt, dass bei der BPSK das logarithmierte Verhältnis $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0$ mindestens $9.6 \ \rm dB$ betragen muss, damit die Bitfehlerwahrscheinlichkeit den Wert $p_{\rm B} = 10^{–5}$ nicht überschreitet.
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It was shown in &nbsp;[[Aufgaben:Exercise_4.8:_Different_Error_Probabilities|Exercise 4.8]]&nbsp;, that for BPSK, the log ratio&nbsp;$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0$&nbsp; must be at least &nbsp;$9.6 \ \rm dB$&nbsp; so that the bit error probability does not exceed &nbsp;$p_{\rm B} = 10^{–5}$&nbsp;.
  
  
  
''Hinweise:''  
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*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Nichtlineare_digitale_Modulation|Nichtlineare digitale Modulation]].
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*Bezug genommen wird aber auch auf das Kapitel [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation|Lineare digitale Modulation]].
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''Hints:''  
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation|Nonlinear_Digital_Modulation]].
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*However, reference is also made to the page&nbsp; [[Modulation_Methods/Lineare_digitale_Modulation|Linear Digital Modulation]].
 
   
 
   
*Verwenden Sie die Näherung $\lg(2) ≈ 0.3$.
+
*Use the approximation &nbsp;$\lg(2) ≈ 0.3$.
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welches $E_{\rm B}/N_0$ (in dB) ist bei MSK und kohärenter Demodulation erforderlich, damit $p_{\rm B} \le 10^{–5}$ zu erfüllen ist?
+
{What &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$&nbsp; (in dB) is required in for MSK and coherent demodulation to satisfy &nbsp;$p_{\rm B} \le 10^{–5}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 \ = \ $ { 12.6 3% } $\ \rm dB$  
 
$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 \ = \ $ { 12.6 3% } $\ \rm dB$  
  
  
{Sind die folgenden Aussagen richtig: Das gleiche Ergebnis erhält man bei
+
{Which of the following statements is correct: &nbsp; The same result is obtained for
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- einer FSK mit Modulationsindex $h = 0.7$,
+
- FSK with modulation index &nbsp;$h = 0.7$,
+ einer FSK mit Modulationsindex $h = 1$?
+
+ FSK with modulation index &nbsp;$h = 1$?
  
{Welches $E_{\rm B}/N_0$ (in dB) ist bei FSK mit $h = 1$ und inkohärenter Demodulation erforderlich, damit $p_{\rm B} \le 10^{–5}$ zu erfüllen ist?
+
{What &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$&nbsp; (in dB) is required for BFSK with &nbsp;$h = 1$&nbsp; and incoheren demodulation to satisfy &nbsp;$p_{\rm B} \le 10^{–5}$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 \ = \ $ { 13.4 3% } $\ \rm dB$   
 
$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 \ = \ $ { 13.4 3% } $\ \rm dB$   
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm B}$ ergibt sich bei inkohärenter FSK&ndash;Demodulation für $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$?
+
{What is the bit error probability  &nbsp;$p_{\rm B}$&nbsp; results from incoherent BFSK demodulation when &nbsp;$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1.12 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1.12 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Ein Vergleich der beiden ersten Gleichungen auf der Angabenseite macht deutlich, dass bei der MSK mit kohärenter Demodulation das AWGN–Verhältnis $E_{\rm B}/N_0$ verdoppelt werden muss, damit die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit wie bei BPSK erreicht wird.  
+
'''(1)'''&nbsp; A comparison of the first two equations on the exercise page makes it clear that for MSK with coherent demodulation, the AWGN ratio &nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; must be doubled to achieve the same error probability as for BPSK.
  
In anderen Worten: Die kohärente BFSK–Kurve liegt um $10 · \lg (2) ≈ 3 \ \rm dB$ rechts von der BPSK–Kurve. Um $p_{\rm B} \le 10^{–5}$ zu garantieren, muss daher gelten:
+
*In other words:&nbsp; the coherent BFSK curve is&nbsp; $10 · \lg (2) ≈ 3 \ \rm dB$&nbsp; to the right of the the BPSK curve.  
 +
*Thus, to guarantee&nbsp; $p_{\rm B} \le 10^{–5}$&nbsp; it must hold that:
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm}{E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 9.6\,\,{\rm dB} + 3\,\,{\rm dB} = \underline{12.6\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm}{E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 9.6\,\,{\rm dB} + 3\,\,{\rm dB} = \underline{12.6\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
 
*Die angegebene Gleichung gilt nicht nur für die MSK (diese ist eine FSK mit $h = 0.5$), sondern für jede Form von orthogonaler FSK.  
+
'''(2)'''&nbsp; <u>Answer 2</u> is correct:
*Eine solche liegt vor, wenn der Modulationsindex $h$ ein ganzzahliges Vielfaches von $0.5$ ist, zum Beispiel für $h = 1$.  
+
*The equation given does not just hold for MSK&nbsp; $($this is a FSK with&nbsp; $h = 0.5)$, but also for every form of orthogonal  FSK.  
*Mit $h = 0.7$ ergibt sich keine orthogonale FSK. Es kann aber gezeigt werden, dass sich für $h = 0.7$ sogar eine kleinere Bitfehlerwahrscheinlichkeit als bei orthogonaler FSK ergibt.
+
*This is the case whenever the modulation index&nbsp; $h$&nbsp; is an integer multiple of $0.5$&nbsp;, such as when &nbsp; $h = 1$.  
*Mit $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ erreicht man hier sogar $p_{\rm B} ≈ 10^{–6}$, also eine Verbesserung um eine Zehnerpotenz.  
+
*When &nbsp; $h = 0.7$&nbsp;, there is no orthogonal FSK.&nbsp;
  
  
'''(3)'''&nbsp; Aus der Umkehrfunktion der angegebenen Gleichung erhält man:
+
'''(3)'''&nbsp; From the inverse function of the equation given we get:
 
:$$\frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}= {\rm ln}\hspace{0.05cm}\frac{1}{2 p_{\rm B}}= {\rm ln}(50000)\approx 10.82 \hspace{0.3cm}
 
:$$\frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}= {\rm ln}\hspace{0.05cm}\frac{1}{2 p_{\rm B}}= {\rm ln}(50000)\approx 10.82 \hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}{E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 21.64 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm}{E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}\approx \underline{13.4\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}{E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 21.64 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm}{E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}\approx \underline{13.4\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(4)'''&nbsp;   Aus $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ folgt:
+
 
 +
'''(4)'''&nbsp; From  $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ it follows that:
 
:$${E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 10^{1.26} \approx 16.8 \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.25cm} ({E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}})/2 \approx 8.4 \hspace{0.25cm} \Rightarrow \hspace{0.25cm} p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- 8.4} \approx \underline{1.12 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$${E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 10^{1.26} \approx 16.8 \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.25cm} ({E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}})/2 \approx 8.4 \hspace{0.25cm} \Rightarrow \hspace{0.25cm} p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- 8.4} \approx \underline{1.12 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.05cm}.$$
Das heißt: Bei gleichem $E_{\rm B}/N_0$ wird die Fehlerwahrscheinlichkeit bei inkohärenter Demodulation gegenüber kohärenter Demodulation (siehe Teilaufgabe 1) um etwa den Faktor 11 vergrößert.
+
This means that for the same $E_{\rm B}/N_0$, the error probability of incoherent demodulation is increased by a factor of  $11$ compared to that of coherent demodulation (see answer to question '''1''') .
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^4.4 Nichtlineare digitale Modulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.4 Non-linear Digital Modulation^]]

Latest revision as of 11:52, 12 April 2022

Bit error probability curves:
Binary PSK and binary FSK

The graph shows the bit error probability for binary  FSK modulation  $\rm (BFSK)$  in


in comparison with  binary phase modulation  $\rm (BPSK)$.

Orthogonality is always assumed. For coherent demodulation, the modulation index can be a multiple of  $h = 0.5$ , so that the middle plot can also apply to   Minimum Shift Keying  $\rm (MSK)$ .  In contrast, for non-coherent demodulation of BFSK, the modulation index must be a multiple of  $h = 1$ .

This system comparison is once again based on the  AWGN channel , characterized by the relationship  $E_{\rm B}/N_0$. The equations for the bit error probabilities are as follows

  • for Binary Phase Shift Keying  $\rm (BPSK)$:
$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ),$$
  • for Binary Frequency Shift Keying  $\rm (BFSK)$  with coherent demodulation:
$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/(2 N_0 )} \hspace{0.1cm}\right ),$$
  • for Binary Frequency Shift Keying  $\rm (BFSK)$  with incoherent demodulation:
$$p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- E_{\rm B}/{(2N_0) }}\hspace{0.05cm}.$$

It was shown in  Exercise 4.8 , that for BPSK, the log ratio $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0$  must be at least  $9.6 \ \rm dB$  so that the bit error probability does not exceed  $p_{\rm B} = 10^{–5}$ .





Hints:

  • Use the approximation  $\lg(2) ≈ 0.3$.


Questions

1

What  $E_{\rm B}/N_0$  (in dB) is required in for MSK and coherent demodulation to satisfy  $p_{\rm B} \le 10^{–5}$ ?

$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 \ = \ $

$\ \rm dB$

2

Which of the following statements is correct:   The same result is obtained for

FSK with modulation index  $h = 0.7$,
FSK with modulation index  $h = 1$?

3

What  $E_{\rm B}/N_0$  (in dB) is required for BFSK with  $h = 1$  and incoheren demodulation to satisfy  $p_{\rm B} \le 10^{–5}$ ?

$10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 \ = \ $

$\ \rm dB$

4

What is the bit error probability  $p_{\rm B}$  results from incoherent BFSK demodulation when  $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$?

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-4}$


Solution

(1)  A comparison of the first two equations on the exercise page makes it clear that for MSK with coherent demodulation, the AWGN ratio   $E_{\rm B}/N_0$  must be doubled to achieve the same error probability as for BPSK.

  • In other words:  the coherent BFSK curve is  $10 · \lg (2) ≈ 3 \ \rm dB$  to the right of the the BPSK curve.
  • Thus, to guarantee  $p_{\rm B} \le 10^{–5}$  it must hold that:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm}{E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 9.6\,\,{\rm dB} + 3\,\,{\rm dB} = \underline{12.6\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Answer 2 is correct:

  • The equation given does not just hold for MSK  $($this is a FSK with  $h = 0.5)$, but also for every form of orthogonal FSK.
  • This is the case whenever the modulation index  $h$  is an integer multiple of $0.5$ , such as when   $h = 1$.
  • When   $h = 0.7$ , there is no orthogonal FSK. 


(3)  From the inverse function of the equation given we get:

$$\frac{E_{\rm B}} {2 \cdot N_{\rm 0}}= {\rm ln}\hspace{0.05cm}\frac{1}{2 p_{\rm B}}= {\rm ln}(50000)\approx 10.82 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 21.64 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.05cm}{E_{\rm B}}/ {N_{\rm 0}}\approx \underline{13.4\,\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  From $10 · \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 12.6 \ \rm dB$ it follows that:

$${E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}}= 10^{1.26} \approx 16.8 \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.25cm} ({E_{\rm B}} /{N_{\rm 0}})/2 \approx 8.4 \hspace{0.25cm} \Rightarrow \hspace{0.25cm} p_{\rm B} = {1}/{2} \cdot {\rm e}^{- 8.4} \approx \underline{1.12 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.05cm}.$$

This means that for the same $E_{\rm B}/N_0$, the error probability of incoherent demodulation is increased by a factor of $11$ compared to that of coherent demodulation (see answer to question 1) .