Difference between revisions of "Digital Signal Transmission/Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation"

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{{Header
 
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|Untermenü=Digitalsignalübertragung bei idealisierten Bedingungen
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|Untermenü=Digital Signal Transmission under Idealized Conditions
 
|Vorherige Seite=Optimierung der Basisbandübertragungssysteme
 
|Vorherige Seite=Optimierung der Basisbandübertragungssysteme
 
|Nächste Seite=Grundlagen der codierten Übertragung
 
|Nächste Seite=Grundlagen der codierten Übertragung
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== Gemeinsames Blockschaltbild für ASK und BPSK ==
+
== Common block diagram for ASK and BPSK ==
 
<br>
 
<br>
[[File:P_ID1671__Dig_T_4_1_S1_v3.png|right|frame|Blockschaltbild, gültig sowohl für ein ASK– und BPSK–Übertragungssystems gleichermaßen|class=fit]]
+
In the chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation|"Linear Digital Modulation"]]&nbsp; of the book&nbsp; "Modulation Methods" the digital carrier frequency systems
Im Kapitel &nbsp;[[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation|Lineare digitale Modulation]]&nbsp; des Buches &bdquo;Modulationsverfahren&rdquo; wurden die digitalen Trägerfrequenzsysteme
+
[[File:EN_Dig_T_4_1_S1_v23.png|right|frame|Block diagram,&nbsp; valid for both,&nbsp; an ASK and a BPSK transmission system|class=fit]]
* [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying|ASK]]&nbsp; (<i>Amplitude Shift Keying</i>) und
+
* [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying|"$\rm ASK$"]]&nbsp; ("Amplitude Shift Keying") and
* [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|BPSK]]&nbsp; (<i>Binary Phase Shift Keying</i>)
 
  
 +
* [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|"$\rm BPSK$"]]&nbsp; ("Binary Phase Shift Keying")
  
bereits ausführlich beschrieben. In diesem Kapitel wird nun die &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisbandübertragung#Definition_der_Bitfehlerwahrscheinlichkeit|Bitfehlerwahrscheinlichkeit]]&nbsp; dieser Systeme berechnet, wobei von dem skizzierten gemeinsamen Blockschaltbild ausgegangen wird.
 
  
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have already been described in detail.&nbsp; In this chapter,&nbsp; the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_for_Baseband_Transmission#Definition_of_the_bit_error_probability|"bit error probability"]]&nbsp; of these systems is now calculated,&nbsp; assuming the outlined common block diagram.&nbsp; The following assumptions apply again:
  
Im Folgenden gelten  wieder die folgenden Voraussetzungen:
+
*Demodulation always occurs &nbsp;[[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#Coherent_demodulation_of_ASK_signals|"coherently"]].&nbsp; That means: &nbsp; A carrier signal &nbsp;$z_{\rm E}(t)$&nbsp; with the same frequency as at the transmitter but with double amplitude is added at the receiver.  
*Die Demodulation geschieht stets &nbsp;[[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation#Koh.C3.A4rente_Demodulation_von_ASK.E2.80.93Signalen|kohärent]]. Das heißt: &nbsp; Beim Empfänger wird ein Trägersignal &nbsp;$z_{\rm E}(t)$&nbsp; mit gleicher Frequenz wie beim Sender zugesetzt, aber mit doppelter Amplitude. Der Phasenversatz zwischen dem senderseitigen Trägersignal &nbsp;$z(t)$&nbsp; und dem empfangsseitigen Trägersignal &nbsp;$z_{\rm E}(t)$&nbsp; sei zunächst &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 0$.<br>
 
*Bei BPSK wird von den bipolaren Amplitudenkoeffizienten &nbsp;$a_\nu \in  \{-1, +1\}$&nbsp; ausgegangen und die Entscheiderschwelle liegt bei &nbsp;$E = 0$. Dagegen gilt bei ASK  &nbsp;$a_\nu \in  \{0, 1\}$. Die Entscheiderschwelle &nbsp;$E$&nbsp; ist für diesen unipolaren Fall bestmöglich zu wählen.<br>
 
*Wir betrachten stets den &nbsp;[[Modulationsverfahren/Qualitätskriterien#Einige_Anmerkungen_zum_AWGN.E2.80.93Kanalmodell|AWGN&ndash;Kanal]], das heißt, dass für den Kanalfrequenzgang &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$&nbsp; gilt und &nbsp;$n(t)$&nbsp; weißes Gaußsches Rauschen mit der (einseitigen) Rauschleistungsdichte &nbsp;$N_0$&nbsp; darstellt.<br>
 
*Die Entzerrung linearer Kanalverzerrungen &ndash; also der Fall &nbsp;$H_{\rm K}(f) \ne \rm const.$ &ndash; ist in gleicher Weise möglich wie bei der Basisbandübertragung. Hierzu sei auf das Kapitel &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Berücksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung|Berücksichtigung von Kanalverzerrungen und Entzerrung]]&nbsp; verwiesen.<br>
 
  
 +
*Let the phase offset between the transmitter carrier signal &nbsp;$z(t)$&nbsp; and the receiver carrier signal &nbsp;$z_{\rm E}(t)$&nbsp; initially be &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 0$.<br>
  
==Rauschbetrachtung zum BPSK–System==
+
*For BPSK,&nbsp; the bipolar amplitude coefficients &nbsp;$a_\nu \in  \{-1, +1\}$&nbsp; are assumed and the decision threshold is &nbsp;$E = 0$.&nbsp;
 +
*In contrast,&nbsp; for ASK, &nbsp;$a_\nu \in  \{0, 1\}$ is valid.&nbsp; The decision threshold &nbsp;$E$&nbsp; is to be chosen as best as possible for this unipolar case.<br>
 +
 
 +
*We always consider the &nbsp;[[Modulation_Methods/Quality_Criteria#Some_remarks_on_the_AWGN_channel_model|"AWGN channel"]]&nbsp; that is 
 +
#channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$,&nbsp; and &nbsp;
 +
#$n(t)$&nbsp; represents white Gaussian noise with&nbsp; (one-sided)&nbsp; noise power density &nbsp;$N_0$.&nbsp;<br>
 +
 
 +
*The equalization of linear channel distortions&nbsp; &ndash; i.e.,&nbsp; the case &nbsp;$H_{\rm K}(f) \ne \rm const.$ &ndash;&nbsp; is possible in the same way as for baseband transmission. <br>For this,&nbsp; please refer to the chapter &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization|"Consideration of Channel Distortion and Equalization"]].&nbsp; <br>
 +
 
 +
 
 +
==Noise consideration for the BPSK system==
 
<br>
 
<br>
Wir gehen zunächst von einem bipolaren rechteckförmigen Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; mit den Werten &nbsp;$\pm s_0$&nbsp; aus. Dessen normiertes Spektrum lautet: &nbsp; $H_{\rm S}(f) = {\rm si}(\pi f T)$.  
+
We first assume a bipolar rectangular source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; with the values &nbsp;$\pm s_0$.&nbsp; Its normalized spectrum is: &nbsp; $H_{\rm S}(f) = {\rm sinc}(f T)$.&nbsp; Just as in &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/System_Components_of_a_Baseband_Transmission_System#Simplified_system_model|"baseband transmission"]],&nbsp; the smallest possible bit error probability is with the receiver filter &nbsp;$H_{\rm E}(f) = {H_{\rm S} }^\star(f) = {\rm sinc}(f T)$.  
  
Ebenso wie bei der &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Systemkomponenten_eines_Basisband%C3%BCbertragungssystems#Vereinfachtes_Systemmodell|Basisbandübertragung]]&nbsp; ergibt sich die kleinstmögliche Bitfehlerwahrscheinlichkeit für das Empfangsfilter &nbsp;$H_{\rm E}(f) = {H_{\rm S} }^\star(f) = {\rm si}(\pi f T)$. Die &nbsp;[[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren#Demodulation_und_Detektion_von_BPSK.E2.80.93Signalen|Signalverläufe]]&nbsp; dieses BPSK&ndash;Systems mit Matched&ndash;Filter&ndash;Empfänger zeigen:
+
The &nbsp;[[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#Demodulation_and_detection_of_BPSK_signals|"signal waveforms"]]&nbsp; of this matched filter receiver BPSK system show:
*Das Detektionsnutzsignal &nbsp;$d_{\rm S}(t)$ &ndash; also ohne Rauschanteil &ndash; ist zu allen Detektionszeitpunkten &nbsp;$\nu \cdot T$ stets $\pm s_0$, wobei die Vorzeichen durch die Amplitudenkoeffizienten &nbsp;$a_\nu \in  \{-1, +1\}$&nbsp; festgelegt sind.<br>
 
*Wie beim vergleichbaren Basisbandsystem beträgt die Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_{\rm B} = {\rm Q}(s_0/\sigma_d)$, mit dem &nbsp;[[Stochastische_Signaltheorie/Gaußverteilte_Zufallsgrößen#.C3.9Cberschreitungswahrscheinlichkeit|komplementären Gaußschen Fehlerintergral]]&nbsp; ${\rm Q}(x)$.<br>
 
  
 +
*The signal component &nbsp;$d_{\rm S}(t)$&nbsp; of the detection signal&nbsp; i.e.,&nbsp; without noise component,&nbsp; is always $\pm s_0$ at all detection times &nbsp;$\nu \cdot T$, with the signs determined by the amplitude coefficients &nbsp;$a_\nu \in  \{-1, +1\}$.&nbsp; <br>
  
[[File:P_ID1679__Dig_T_4_1_S2a_v1.png|center|frame|Rauschleistungsdichten vor und nach der empfangsseitigen Multiplikation des Trägers|class=fit]]
+
*As for the comparable baseband system,&nbsp; the error probability is with the &nbsp;[[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables#Exceedance_probability|"complementary Gaussian error function"]]&nbsp; ${\rm Q}(x)$: &nbsp; &nbsp; $p_{\rm B} = {\rm Q}(s_0/\sigma_d).$
  
Unterschiedlich zum Basisbandsystem ist jedoch die Rauschleistung. Der Rauschanteil &nbsp;$b_{\rm N}(t)$&nbsp; ergibt sich durch die Multiplikation des Bandpassrauschens &nbsp;$n(t)$&nbsp; mit dem empfangsseiten Träger &nbsp;$z_{\rm E}(t) =2 \cdot \cos(2\pi f t)$&nbsp; und besitzt die Rauschleistungsdichte
+
*Different from the baseband system,&nbsp; however,&nbsp; is the noise power.&nbsp; The noise component &nbsp;$b_{\rm N}(t)$&nbsp; is obtained by multiplying the band-pass noise &nbsp;$n(t)$&nbsp; by the receiver-side carrier &nbsp;$z_{\rm E}(t) =2 \cdot \cos(2\pi f t)$&nbsp; and has the noise power density &nbsp; &rArr;  &nbsp; red sketch on the right:
 +
[[File:P_ID1679__Dig_T_4_1_S2a_v1.png|right|frame|Noise power densities before and after receiver-side multiplication of the carrier|class=fit]]
 
:$${\it \Phi}_{b{\rm N}}(f)={\it \Phi}_{n}(f) \star \big[ 1^2
 
:$${\it \Phi}_{b{\rm N}}(f)={\it \Phi}_{n}(f) \star \big[ 1^2
 
\cdot \delta ( f - f_{\rm T})+ 1^2 \cdot \delta ( f + f_{\rm
 
\cdot \delta ( f - f_{\rm T})+ 1^2 \cdot \delta ( f + f_{\rm
 
T})\big].$$
 
T})\big].$$
Die Grafik verdeutlicht diese Gleichung am Beispiel von bandbegrenztem weißen Rauschen mit der Bandbreite &nbsp;$B_n$:
+
The diagram illustrates this equation using bandlimited white noise &nbsp;$n(t)$&nbsp; with center frequency &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; and bandwidth &nbsp;$B_n$&nbsp; as an example &nbsp; &rArr;  &nbsp; blue sketch on the left:
* Während &nbsp;${\it \Phi}_{n}(f = f_{\rm T}) = N_0/2$&nbsp; gilt, ist &nbsp;${\it \Phi}_{b{\rm N}}(f=0) = N_0$.  
+
# While &nbsp;${\it \Phi}_{n}(f = f_{\rm T}) = N_0/2$&nbsp; holds, &nbsp;${\it \Phi}_{b{\rm N}}(f=0) = N_0$.  
*Die Anteile um &nbsp;$\pm 2f_{\rm T}$&nbsp; werden durch das nachfolgende Empfangsfilter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; eliminiert und spielen für die weiteren Betrachtungen keine Rolle.<br>
+
#The noise components around &nbsp;$\pm 2f_{\rm T}$&nbsp; are eliminated by the subsequent receiver filter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; and do not matter for further considerations.<br>
*Bei echt weißem Rauschen gilt mit dem Grenzübergang  &nbsp;$B_n \to \infty$&nbsp; für alle Frequenzen:
+
#For true white noise,&nbsp; with the &nbsp;$B_n \to \infty$&nbsp; boundary transition,&nbsp; for all frequencies: &nbsp; &nbsp; ${{\it \Phi}_{n}(f)}={N_0}/{2}, \hspace{0.2cm}{{\it \Phi}_{b{\rm N}}(f)}={N_0}.$
:$${{\it \Phi}_{n}(f)}={N_0}/{2}, \hspace{0.3cm}{{\it
 
\Phi}_{b{\rm N}}(f)}={N_0}.$$
 
  
  
== Fehlerwahrscheinlichkeit des optimalen BPSK–Systems==
+
== Error probability of the optimal BPSK system==
 
<br>
 
<br>
Die gerade durchgeführten Betrachtungen zeigen, dass man zur Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit des BPSK&ndash;Systems auf die beiden Multiplikationen mit &nbsp;$z(t)$&nbsp; und &nbsp;$z_{\rm E}(t) = 2 \cdot z(t)$&nbsp; verzichten kann, wenn man die Rauschleistung verdoppelt.
+
The observations just made show that to calculate the error probability of the BPSK system in the case of AWGN noise,  
 +
[[File:EN_Dig_T_4_1_S2b_version2_.png|right|frame|Equivalent block diagram of the BPSK|class=fit]]
 +
 
 +
*one can dispense with the two multiplications by &nbsp;$z(t)$&nbsp; and &nbsp;$z_{\rm E}(t) = 2 \cdot z(t)$&nbsp;  
 +
*if one doubles the&nbsp; (two-sided)&nbsp; power-spectral density of the input noise&nbsp; $n(t)$&nbsp;  from&nbsp; $N_0/2$&nbsp; to&nbsp; $N_0$.
  
[[File:P_ID1673__Dig_T_4_1_S2b_v2.png|center|frame|Ersatzschaltbild der  BPSK|class=fit]]
 
  
Damit ergibt sich  bei AWGN&ndash;Rauschen für die Rauschleistung vor dem Entscheider:
+
This results for the noise power before the decision:
 
:$$\sigma_d^2  = N_0 \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} {\rm
 
:$$\sigma_d^2  = N_0 \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} {\rm
si}^2(\pi \hspace{0.01cm} f \hspace{0.05cm} T_{\rm B}) \,{\rm d} f
+
sinc}^2( f \hspace{0.05cm} T_{\rm B}) \,{\rm d} f
 
= {N_0}/{T_{\rm B}},$$
 
= {N_0}/{T_{\rm B}},$$
also der doppelte Wert als bei der Basisbandübertragung. &nbsp; <i>Hinweis</i>: &nbsp; Um später einen Vergleich mit der &nbsp;[[Modulationsverfahren/Quadratur–Amplitudenmodulation|Quadratur–Amplitudenmodulation]]&nbsp; (QAM) zu ermöglichen, wurde hier die Symboldauer &nbsp;$T$&nbsp; durch die Bitdauer &nbsp;$T_{\rm B}$&nbsp; ersetzt. Bei der BPSK (und auch bei der ASK) gilt aber &nbsp;$T_{\rm B}=T$.
+
i.e., twice the value as for baseband transmission. &nbsp;  
 +
<br clear=all>
 +
<u>Note</u>: &nbsp; To allow later comparison with &nbsp;[[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation|"quadrature amplitude modulation"]]&nbsp; $\rm (QAM)$,&nbsp; the symbol duration &nbsp;$T$&nbsp; has been replaced here by the bit duration &nbsp;$T_{\rm B}$.&nbsp; However, &nbsp;$T_{\rm B}=T$ is valid for&nbsp; $\rm BPSK$&nbsp; $($and also for&nbsp; $\rm ASK)$.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
Damit lautet die '''BPSK&ndash;Fehlerwahrscheinlichkeit''' mit den zwei üblichen &nbsp;[[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen_(neues_Applet)|Gaußschen Fehlerfunktionen]]:
+
Thus,&nbsp; the&nbsp; '''BPSK error probability'''&nbsp; with the two usual &nbsp;[[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Gaussian error functions"]]&nbsp; is:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{N_0 } }\hspace{0.1cm} \right
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{N_0 } }\hspace{0.1cm} \right
 
  ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{2 \cdot N_0 } }\hspace{0.1cm} \right
 
  ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{2 \cdot N_0 } }\hspace{0.1cm} \right
 
  ).$$
 
  ).$$
Berücksichtigt man weiter, dass die bei BPSK aufgewandte Energie pro Bit
+
*If one further considers that the energy expended per bit with BPSK is
 
:$$E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}$$
 
:$$E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}$$
beträgt, so kann diese Gleichung wie folgt umgeformt werden:
+
:this equation can be transformed as follows:
 
:$$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 } } \hspace{0.1cm}\right
 
  ) ={1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{ {E_{\rm B} }/{N_0 } } \hspace{0.1cm}\right
 
  ).$$
 
  ).$$
Es ergibt sich somit genau die gleiche Formel wie bei der &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisbandübertragung#Optimaler_Bin.C3.A4rempf.C3.A4nger_-_Realisierung_mit_Matched-Filter|Basisbandübertragung]], bei der jedoch für die &bdquo;Energie pro Bit&rdquo; &nbsp;$E_{\rm B}  =  
+
*This results in the same formula as for &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_for_Baseband_Transmission#Optimal_binary_receiver_.E2.80.93_.22Matched_Filter.22_realization|"baseband transmission"]],&nbsp; but where &nbsp;$E_{\rm B}  =  
s_0^2 \cdot T_{\rm B}$&nbsp; zu verwenden  war und nicht wie hier &nbsp;$E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}$.}}
+
s_0^2 \cdot T_{\rm B}$&nbsp; had to be used for the&nbsp; "energy per bit"&nbsp; and not &nbsp;$E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}$.}}
  
  
<i>Anmerkung</i>: &nbsp; Diese letzte Gleichung gilt nicht nur bei Rechteck&ndash;Quellensignal
+
<u>Note</u>: &nbsp; This last equation holds not only for the rectangular source signal
&nbsp; &#8658; &nbsp; $H_{\rm S}(f) = {\rm si}(\pi f T)$, sondern für jedes beliebige &nbsp;$H_{\rm S}(f)$, solange
+
&nbsp; &#8658; &nbsp; $H_{\rm S}(f) = {\rm sinc}(f T)$,&nbsp; but for any &nbsp;$H_{\rm S}(f)$,&nbsp; as long as
*das Empfangsfilter &nbsp;$H_{\rm E}(f) = {H_{\rm S} }^\star(f)$&nbsp; exakt an den Sender angepasst ist, und <br>
+
:*the receiver filter &nbsp;$H_{\rm E}(f) = {H_{\rm S} }^\star(f)$&nbsp; is exactly matched to the transmitter,&nbsp; and <br>
*das Produkt &nbsp;$H_{\rm S}(f) \cdot  H_{\rm E}(f)$&nbsp; das erste Nyquistkriterium erfüllt.<br>
+
:*the product &nbsp;$H_{\rm S}(f) \cdot  H_{\rm E}(f)$&nbsp; satisfies the first Nyquist criterion.<br>
  
  
== Fehlerwahrscheinlichkeit des optimalen ASK–Systems ==
+
== Error probability of the optimal ASK system ==
 
<br>
 
<br>
Wir betrachten nun ein &nbsp;[[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying |ASK&ndash;System]]&nbsp; bei gleichen Voraussetzungen wie das BPSK&ndash;System. Hier
+
We now consider an &nbsp;[[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation#ASK_.E2.80.93_Amplitude_Shift_Keying |"ASK system"]]&nbsp; under the same conditions as the BPSK system. Here:
*sind alle Detektionsnutzsignalwerte &nbsp;$d_{\rm S}(\nu \cdot T)$&nbsp; entweder &nbsp;$0$&nbsp; oder &nbsp;$s_0$,  
+
#All signal component values &nbsp;$d_{\rm S}(\nu \cdot T)$&nbsp; are either &nbsp;$0$&nbsp; or&nbsp; $s_0$,&nbsp; that means:&nbsp; their distance from the threshold &nbsp;$E = s_0/2$&nbsp; is in each case &nbsp;$s_0/2$.
*ist dementsprechend deren Abstand von der Schwelle &nbsp;$E = s_0/2$&nbsp; jeweils &nbsp;$s_0/2$,
+
#The noise rms value &nbsp;$\sigma_d= \sqrt{N_0}/{T_{\rm B}}$&nbsp; is exactly the same as for BPSK.
*ist der Rauscheffektivwert &nbsp;$\sigma_d= \sqrt{N_0}/{T_{\rm B}}$&nbsp; genau so groß wie bei BPSK,
+
#The energy per bit is only half as large as for BPSK: &nbsp; $E_{\rm B}  = {1}/{4}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}.$
*ist die Energie pro Bit nur halb so groß wie bei BPSK: &nbsp; $E_{\rm B}  = {1}/{4}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}.$
+
 
  
 +
[[File:EN_Dig_T_4_1_S3.png|right|frame|Comparison of bit error probabilities of ASK and BPSK|class=fit]]
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
Thus the equations for the&nbsp; '''ASK error probability'''&nbsp; as function of &nbsp;$s_0$&nbsp; and &nbsp;$E_{\rm B}$&nbsp; are:
$\text{Fazit:}$&nbsp;
 
Damit lauten die entsprechenden Gleichungen für die '''ASK&ndash;Fehlerwahrscheinlichkeit''' als Funktion von &nbsp;$s_0$&nbsp; bzw. von &nbsp;$E_{\rm B}$:
 
  
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/2}{\sigma_d } \right
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/2}{\sigma_d } \right
 
  )=  {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{4 \cdot N_0 } } \hspace{0.1cm}\right
 
  )=  {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{4 \cdot N_0 } } \hspace{0.1cm}\right
  ),\hspace{1cm}p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B} }{N_0 } } \hspace{0.1cm}\right
+
  ),$$
 +
:$$p_{\rm B} = {\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
 
  ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B} }{2 \cdot N_0 } } \right
  ).$$}}
+
  ).$$
  
 +
The double&ndash;logarithmic diagram shows the bit error probabilities of ASK and BPSK depending on the quotient &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$. This plot is suitable for comparison between these binary modulation schemes under the constraint of power limitation.
  
Die Grafik zeigt die Bitfehlerwahrscheinlichkeiten von ASK und BPSK abhängig vom Quotienten &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$. Diese Darstellung eignet sich für den Vergleich zwischen diesen binären Modulationsverfahren unter der Nebenbedingung der Leistungsbegrenzung:
+
One can see from this  plot:
 +
*The ASK curve is &nbsp;$3 \ \rm dB$&nbsp; to the right of the BPSK curve.
  
[[File:Dig_T_1_5_S3_version3neu.png|right|frame|Bitfehlerwahrscheinlichkeiten von ASK und BPSK|class=fit]]
+
*For &nbsp;$p_{\rm B} = 10^{-8}$,&nbsp; one needs about &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 12 \ \rm dB$ for BPSK,&nbsp; but about &nbsp;$15 \ \rm dB$ for ASK.
  
Man erkennt aus dieser doppelt&ndash;logarithmischer Darstellung:
+
*The system comparison at the fixed abscissa value &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 8 \ \rm dB$ yields &nbsp;$p_{\rm B} = 2 \cdot 10^{-4}$&nbsp; for BPSK and &nbsp;$p_{\rm B} = 6 \cdot 10^{-3}$&nbsp; for ASK.
*Die ASK&ndash;Kurve liegt um &nbsp;$3 \ \rm dB$&nbsp; rechts von der BPSK&ndash;Kurve.
 
*Für die Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_{\rm B} = 10^{-8}$&nbsp; benötigt man bei BPSK etwa &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 12 \ \rm dB$, bei ASK dagegen ca. &nbsp;$15 \ \rm dB$.
 
*Der Systemvergleich beim festen Abszissenwert &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 8 \ \rm dB$ liefert für die BPSK &nbsp;$p_{\rm B} = 2 \cdot 10^{-4}$&nbsp; und für die ASK &nbsp;$p_{\rm B} = 6 \cdot 10^{-3}$.
 
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
== Fehlerwahrscheinlichkeit bei 4–QAM und 4–PSK==
+
== Error probabilities for 4–QAM and 4–PSK==
 
<br>
 
<br>
Die &nbsp;[[Modulationsverfahren/Quadratur–Amplitudenmodulation|Quadratur–Amplitudenmodulation]]&nbsp; (QAM) wurde im Buch &bdquo;Modulationsverfahren&rdquo; bereits ausführlich beschrieben. Aus der &nbsp;[[Modulationsverfahren/Quadratur–Amplitudenmodulation#Allgemeine_Beschreibung_und_Signalraumzuordnung|Signalraumzuordnung]]&nbsp; und den &nbsp;[[Modulationsverfahren/Quadratur–Amplitudenmodulation#Signalverl.C3.A4ufe_der_4.E2.80.93QAM|Signalverläufen]]&nbsp; ist zu entnehmen:  
+
[[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation|"Quadrature amplitude modulation"]]&nbsp; $\rm (QAM)$&nbsp; has already been described in detail in the book&nbsp; "Modulation Methods".&nbsp; From the &nbsp;[[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation#General_description_and_signal_space_allocation|"signal space mapping"]]&nbsp; and the &nbsp;[[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation#Signal_waveforms_for_4.E2.80.93QAM|"signal waveforms"]]&nbsp; it can be seen:
*Die 4&ndash;QAM kann durch zwei zueinander orthogonale BPSK&ndash;Systeme mit Cosinus&ndash; bzw. Minus&ndash;Sinus&ndash;Träger dargestellt werden.<br>
+
*The 4&ndash;QAM can be represented by two mutually orthogonal BPSK systems with cosine and minus&ndash;sine carriers, respectively.<br>
*Das binäre Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; mit der Bitdauer &nbsp;$T_{\rm B}$ &nbsp; &#8658; &nbsp; Bitrate $R_{\rm B}$&nbsp; wird in zwei Teilsignale &nbsp;$q_{\rm I}(t)$ &nbsp; &#8658; &nbsp; ''Inphase-Komponente''&nbsp; und &nbsp;$q_{\rm Q}(t)$ &nbsp; &#8658; &nbsp; ''Quadratur-Komponente''&nbsp; mit jeweils halber Rate aufgespaltet (''Seriell&ndash;Parallel&ndash;Wandlung''&nbsp;). Die Symboldauer von &nbsp;$q_{\rm I}(t)$&nbsp; bzw. &nbsp;$q_{\rm Q}(t)$&nbsp; beträgt jeweils &nbsp;$T = 2\cdot T_{\rm B}$&nbsp;;  die Symbolrate ist  jeweils &nbsp;$R_{\rm B}/2$.<br>
+
 
*Die Amplituden der beiden zueinander orthogonalen Trägersignale sind um den Faktor &nbsp;$\sqrt{2}$&nbsp;  kleiner gewählt als bei der BPSK, so dass die Hüllkurve des [[Modulationsverfahren/Quadratur%E2%80%93Amplitudenmodulation#Signalverl.C3.A4ufe_der_4.E2.80.93QAM| Sendesignals]] &nbsp;$s(t)$&nbsp; wiederum &nbsp;$s_0$&nbsp; beträgt.
+
*The binary source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; with bit duration &nbsp;$T_{\rm B}$ &nbsp; &#8658; &nbsp; bit rate $R_{\rm B}$&nbsp; is split into two sub-signals &nbsp;$q_{\rm I}(t)$ &nbsp; &#8658; &nbsp; "in-phase component"&nbsp; and &nbsp;$q_{\rm Q}(t)$ &nbsp; &#8658; &nbsp; "quadrature component"&nbsp; with half rate each&nbsp; ("serial&ndash;parallel conversion").&nbsp; The symbol duration of &nbsp;$q_{\rm I}(t)$&nbsp; resp. &nbsp;$q_{\rm Q}(t)$,&nbsp; is &nbsp;$T = 2\cdot T_{\rm B}$&nbsp;;  the symbol rate is each &nbsp;$R_{\rm B}/2$.<br>
 +
 
 +
*The amplitudes of the two mutually orthogonal carrier signals are chosen to be smaller by a factor of &nbsp;$\sqrt{2}$&nbsp;  than in BPSK,&nbsp; so that the envelope of the&nbsp; [[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation#Signal_waveforms_for_4.E2.80.93QAM|"transmitted signal"]] &nbsp;$s(t)$&nbsp; is again &nbsp;$s_0$.&nbsp;  
  
  
Die QAM&ndash;Fehlerwahrscheinlichkeit ist die gleiche wie die der zwei orthogonalen BPSK&ndash;Systemen. Wegen der kleineren Signalamplitude und der niedrigeren Symbolrate gilt:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2}}{\sigma_d } \right
+
$\text{4-QAM error probability:}$ &nbsp; Because of the smaller signal amplitude and at the same time lower symbol rate compared to BPSK,&nbsp; the following applies:
  )  \hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm}{\sigma_d}^2 = \frac{N_0 }{2 \cdot T_{\rm B}}
+
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2} }{\sigma_d } \right
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm B} =  {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 }{2} \cdot \frac{2 \cdot T_{\rm B} }{N_0}}\hspace{0.1cm}\right
+
  )  \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}{\sigma_d}^2 = \frac{N_0 }{2 \cdot T_{\rm B} }
  )=  {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right
+
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm B} =  {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 }{2} \cdot \frac{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
 
  ).$$
 
  ).$$
  
{{BlaueBox|TEXT= 
+
*Although&nbsp; '''4&ndash;QAM can transmit twice the information amount compared to BPSK''',&nbsp;  '''the bit error probability &nbsp;$p_{\rm B}$&nbsp; is exactly the same as a function of &nbsp;$E_{\rm B}/{N_0 }$'''.  
$\text{Fazit:}$&nbsp;  
+
 
*Obwohl mit der 4&ndash;QAM gegenüber der BPSK die doppelte Informationsmenge übertragen werden kann, ergibt sich in Abhängigkeit von &nbsp;$E_{\rm B}/{N_0 }$&nbsp; die genau gleiche Bitfehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_{\rm B}$.  
+
*It is taken into account here that also for &nbsp;4&ndash;QAM&nbsp; the following applies for the average energy per bit: &nbsp; $E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}.$
*Berücksichtigt ist hierbei, dass auch bei der 4&ndash;QAM für die mittlere Energie pro Bit gilt: &nbsp; $E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}.$
+
 
*Da sich die &nbsp;[[Modulationsverfahren/Quadratur%E2%80%93Amplitudenmodulation#Offset.E2.80.93Quadraturamplitudenmodulation|quaternäre Phasenmodulation]]&nbsp; (4&ndash;PSK) von der 4&ndash;QAM nur um eine Phasenverdrehung von &nbsp;$45^\circ$&nbsp; unterscheidet, ergibt sich  bei Berücksichtigung geeigneter Entscheidungsgebiete auch für die 4&ndash;PSK die gleiche Bitfehlerwahrscheinlichkeit.}}
+
*Since &nbsp;[[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation#Offset.E2.80.93Quadrature_amplitude_modulation|"quaternary phase modulation"]]&nbsp; $\rm (4&ndash;PSK)$ differs from 4&ndash;QAM only by a phase shift of &nbsp;$45^\circ$,&nbsp; the same bit error probability also results for 4&ndash;PSK when suitable decision regions are considered.}}
  
  
[[File:P_ID1675__Dig_T_4_1_S4_neu1_v3.png|right|frame|Phasendiagramme bei BPSK mit Cosinusträger (links) bzw. Minus&ndash;Sinusträger (rechts)|class=fit]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Die Grafik zeigt zwei verschiedene Phasendiagramme von ''Binary Phase Shift Keying''&nbsp; (BPSK):
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; The diagram shows two different phase diagrams of&nbsp; "Binary Phase Shift Keying"&nbsp; $\rm (BPSK)$:
* Die beiden Diagramme unterscheiden sich allein durch die Trägerphase. In beiden Fällen gilt  &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$.
+
[[File:EN_Dig_T_4_1_S4.png|right|frame|Phase diagrams for BPSK with cosine carrier&nbsp; (left)&nbsp; and minus-sinusoidal carrier&nbsp; (right)|class=fit]]
* In der linken Grafik erkennt man Bitfehler (durch Kreise hervorgehoben) durch gelbe Kreuze rechts von der vertikalen Entscheiderschwelle bzw. durch blaue Kreuze in der linken Halbebene.
+
* The two diagrams differ only in the carrier phase.&nbsp; In both cases, &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$.
*In der rechten Grafik weisen gelbe Kreuze oberhalb der horizontalen Schwelle und blaue Kreuze unterhalb auf Bitfehler hin.
+
 
*Der Abstand der Nutzabtastwerte ohne Rauschen (markiert durch  die weißen Punkte) von der jeweiligen Entscheiderschwelle (grün markiert) beträgt jeweils &nbsp;$s_0$.  
+
* In the left diagram,&nbsp; bit errors&nbsp; (highlighted by circles)&nbsp; are indicated by yellow crosses to the right of the vertical decision threshold and by blue crosses in the left half plane.
*Die Varianz der Detektionsabtastwerte &ndash; erkennbar am Radius der Punktwolken &ndash; ist wegen &nbsp;$E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm
+
 
  B}$&nbsp; gleich
+
*In the right diagram,&nbsp; yellow crosses above the horizontal threshold and blue crosses below indicate bit errors.
 +
*The distance of the noise-free samples &nbsp;(marked by the white dots)&nbsp; from the respective decision threshold&nbsp; (marked in green)&nbsp; is each &nbsp;$s_0$.
 +
 +
*The variance of the detection samples&nbsp; &ndash; recognizable by the radius of the point clouds &ndash;&nbsp; is due to &nbsp;$E_{\rm B}  = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm
 +
  B}$&nbsp; equal to
 
:$$\sigma_d^2 = \frac{N_0 }{ T_{\rm B} }= \frac{s_0^2/2 }{ E_{\rm
 
:$$\sigma_d^2 = \frac{N_0 }{ T_{\rm B} }= \frac{s_0^2/2 }{ E_{\rm
 
  B}/N_0}.$$
 
  B}/N_0}.$$
*Mit &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$  &nbsp; &#8658; &nbsp;  $E_{\rm B}/N_0 = 10^{0.6} \approx 4$&nbsp; ergibt sich daraus:
+
 
 +
*With &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$  &nbsp; &#8658; &nbsp;  $E_{\rm B}/N_0 = 10^{0.6} \approx 4$&nbsp; this gives:
 
:$$ {\sigma_d^2 }/{ {s_0}^2}= \big [ { 2 \cdot 10^{0.6} }\big ]^{-1}
 
:$$ {\sigma_d^2 }/{ {s_0}^2}= \big [ { 2 \cdot 10^{0.6} }\big ]^{-1}
 
   \approx 0.125\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
   \approx 0.125\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
  { {\sigma_d} }/{ {s_0} }\approx 0.35 \hspace{0.5cm}
+
  { {\sigma_d} }/{ {s_0} }\approx 0.35 $$
\Rightarrow \hspace{0.5cm}p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( s_0/{\sigma_d } \right
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.5cm}p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( s_0/{\sigma_d } \right
 
  )= {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot 10^{0.6} } \hspace{0.08cm}\right )
 
  )= {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot 10^{0.6} } \hspace{0.08cm}\right )
 
  = {\rm Q}(2.8) \approx 2 \cdot 10^{-3}.$$}}
 
  = {\rm Q}(2.8) \approx 2 \cdot 10^{-3}.$$}}
  
  
[[File:P_ID3135__Dig_T_4_1_S4_neu2_v2.png|right|frame|Phasendiagramm bei 4–QAM]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Nun betrachten wir ein Phasendiagramm der 4&ndash;QAM, die man als zwei orthogonale BPSK&ndash;Systeme mit Cosinus&ndash; und Minus&ndash;Sinusträger auffassen kann.
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; We now consider a phase diagram of&nbsp; "4&ndash;QAM",&nbsp; which can be thought of as two orthogonal&nbsp; "BPSK systems"&nbsp; with cosine and minus-sinusoidal carriers.
 +
[[File:P_ID3135__Dig_T_4_1_S4_neu2_v2.png|right|frame|Phase diagram with 4–QAM]]
 +
 
 +
*Here,&nbsp; a bit error occurs when the horizontal or the vertical decision threshold is exceeded.
 +
 
 +
*In the diagram,&nbsp; such a bit error can be recognized when a cross does not match its quadrant in terms of color.
 +
 
 +
*The distance of the now four noise-free samples&nbsp; (white dots)&nbsp; from the origin is again &nbsp;$s_0$.
 +
 
 +
*However,&nbsp; the distance to the decision thresholds is smaller by a factor of &nbsp;$\sqrt{2}$&nbsp; for 4&ndash;QAM than for BPSK.
  
*Hier kommt es zu einem Bitfehler, wenn die horizontale oder die vertikale Entscheiderschwelle überschritten wird.
+
*The noise rms value &nbsp;$\sigma_d$&nbsp; is smaller for 4&ndash;QAM than for BPSK by the same factor &nbsp;$\sqrt{2}$.&nbsp;
*In der Grafik erkennt man einen solchen Bitfehler, wenn ein Kreuz farblich nicht zu seinem Quadranten passt.
+
*Der Abstand der nunmehr vier Nutzabtastwerte ohne Rauschen (weiße Punkte) vom Ursprung beträgt wieder &nbsp;$s_0$.
+
*Thus,&nbsp; the bit error probabilities of 4&ndash;QAM and BPSK are the same: &nbsp;  
*Der Abstand zu den Entscheiderschwellen ist bei  4&ndash;QAM allerdings um den Faktor &nbsp;$\sqrt{2}$&nbsp;  geringer als bei BPSK.
+
:$$p_{\rm B} \approx 2 \cdot 10^{-3}.$$
*Der Rauscheffektivwert &nbsp;$\sigma_d$&nbsp; ist bei  4&ndash;QAM um den gleichen Faktor &nbsp;$\sqrt{2}$&nbsp; kleiner als bei BPSK.
 
*Somit sind die Bitfehlerwahrscheinlichkeiten  von 4&ndash;QAM und BPSK gleich: &nbsp; $p_{\rm B} \approx 2 \cdot 10^{-3}.$
 
 
<br clear=all>}}
 
<br clear=all>}}
== Phasenversatz zwischen Sender und Empfänger ==
+
== Phase offset between transmitter and receiver ==
 
<br>
 
<br>
Voraussetzung für die Gültigkeit der bisherigen Gleichungen ist eine strenge Synchronität zwischen den bei Sender und Empfänger zugesetzten Trägersignalen. Nun wird ein Phasenversatz &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T}$&nbsp; zwischen den beiden Trägersignalen &nbsp;$z(t)$&nbsp; und &nbsp;$z_{\rm E} (t)$&nbsp; angenommen, während weiterhin von Frequenzsynchronität ausgegangen wird.
+
Prerequisite for the validity of the previous equations is a strict synchronicity between the carrier signals added at the transmitter and receiver.&nbsp; Now,&nbsp; a phase offset &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T}$&nbsp; between the two carrier signals &nbsp;$z(t)$&nbsp; and &nbsp;$z_{\rm E} (t)$&nbsp; is assumed,&nbsp; while frequency synchronicity is still valid.
  
[[File:P_ID1676__Dig_T_4_1_S5_v2.png|right|frame|Phasendiagramme bei BPSK und 4–QAM mit &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 30 ^\circ$.|class=fit]]
+
[[File:EN_Dig_T_4_1_S5.png|right|frame|Phase diagrams for BPSK and 4-QAM with &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 30 ^\circ$.|class=fit]]
  
Die Grafik zeigt die Phasendiagramme für &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 30^\circ$. Man erkennt:
+
The diagram shows the phase diagrams for &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 30^\circ$.&nbsp; It can be seen:
*Sowohl bei BPSK (links) als auch bei der 4&ndash;QAM (rechts) bewirkt ein Phasenversatz um &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T}$&nbsp; eine entsprechende ''Drehung''&nbsp; des Phasendiagramms.<br>
+
*For both BPSK&nbsp; (left)&nbsp; and 4&ndash;QAM&nbsp; (right),&nbsp; a phase offset by &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T}$&nbsp; causes a corresponding rotation of the phase diagram.<br>
*Bei BPSK bewirkt der Phasenversatz ein um &nbsp;$\cos\Delta \phi_{\rm T}$&nbsp; kleineres Nutzsignal. Den gleichen Effekt haben wir bereits beim &nbsp;[[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation#Einfluss_eines_Phasenversatzes|Synchrondemodulator]]&nbsp; eines analogen Übertragungssystems festgestellt.<br>
+
*With BPSK,&nbsp; the phase shift causes a smaller  signal component by &nbsp;$\cos\Delta \phi_{\rm T}$.&nbsp; We have already noticed the same effect with the &nbsp;[[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation#Influence_of_a_phase_offset|"synchronous demodulator"]]&nbsp; of an analog transmission system.<br>
*Demzufolge wird auch der Abstand des Detektionsnutzsignals von der Entscheiderschwelle um den gleichen Faktor geringer, was zu einer höheren Fehlerwahrscheinlichkeit führt:
+
*Consequently,&nbsp; the distance of the signal component of the detection signal from the decision threshold also becomes smaller by the same factor,&nbsp; which leads to a higher error probability:
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\cdot \cos({\rm \Delta} \phi_{\rm T})\right
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\cdot \cos({\rm \Delta} \phi_{\rm T})\right
 
  ) .$$
 
  ) .$$
  
*Mit den hier zugrundeliegenden Zahlenwerten &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$&nbsp; und &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 30^\circ)$&nbsp; erhöht sich die Fehlerwahrscheinlichkeit der BPSK (linkes Diagramm) von &nbsp;$p_{\rm B} \approx 0.2\%$&nbsp; auf etwa &nbsp;$p_{\rm B} \approx 0.6\%$.
+
*With the numerical values underlying here: &nbsp;$10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$&nbsp; and &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T} = 30^\circ$,&nbsp; the error probability of the BPSK&nbsp; (left diagram)&nbsp; increases from &nbsp;$p_{\rm B} \approx 0.2\%$&nbsp; to about &nbsp;$p_{\rm B} \approx 0.6\%$.
 
   
 
   
*Dagegen wird bei der 4&ndash;QAM (rechtes Diagramm) die Fehlerwahrscheinlichkeit bei gleichen Bedingungen nahezu um den Faktor $40$ größer: &nbsp; $p_{\rm B} \approx 8\%$.  
+
*In contrast,&nbsp; for the 4&ndash;QAM&nbsp; (right diagram),&nbsp; the error probability increases by a factor of&nbsp; $40$&nbsp; under the same conditions: &nbsp; $p_{\rm B} \approx 8\%$.  
  
*Falls &nbsp;$|\Delta \phi_{\rm T}| < 45^\circ$&nbsp; ist,  gilt für die 4&ndash;QAM folgende allgemeine Gleichung (siehe &nbsp;[[Aufgaben:1.09_BPSK_und_4-QAM|Aufgabe 1.9]]&nbsp;):
+
*If &nbsp;$|\Delta \phi_{\rm T}| < 45^\circ$,&nbsp; the following general equation holds for the 4&ndash;QAM  (see &nbsp;[[Aufgaben:Exercise_1.09:_BPSK_and_4-QAM|"Exercise 1.9"]]&nbsp;):
 
:$$p_{\rm B} = 1/2 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\cdot
 
:$$p_{\rm B} = 1/2 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\cdot
 
  \frac{\cos(45^\circ)}{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
  \frac{\cos(45^\circ)}{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm
Line 189: Line 211:
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;  
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;  
*Obwohl man mit der 4&ndash;QAM über den gleichen Kanal die doppelte Information wie bei BPSK übertragen kann, weisen bei idealen Bedingungen beide Systeme die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit auf.  
+
*Although 4&ndash;QAM can be used to transmit twice the information as BPSK over the same channel,&nbsp; under ideal conditions both systems have same error probability.
*Bei nicht idealen Bedingungen &ndash; zum Beispiel bei einem Phasenversatz &ndash; steigt allerdings die Fehlerwahrscheinlichkeit der 4&ndash;QAM sehr viel stärker an als bei BPSK.}}
+
*However,&nbsp; under non-ideal conditions &ndash; for example,&nbsp; when there is a phase offset &ndash; the error probability of 4&ndash;QAM increases much more than that of BPSK.}}
  
  
== Basisbandmodell für ASK und BPSK==
+
== Baseband model for ASK and BPSK==
 
<br>
 
<br>
Die Grafik zeigt oben nochmals das '''Gesamtblockschaltbild''' eines Trägerfrequenzsystems mit kohärenter Demodulation, das für ASK (unipolare Amplitudenkoeffizienten) und BPSK (bipolare Koeffizienten) in gleicher Weise gültig ist.  
+
The diagram above shows again the&nbsp; '''overall block diagram'''&nbsp; of a carrier frequency system with coherent demodulation,&nbsp; which is valid for ASK&nbsp; (unipolar amplitude coefficients)&nbsp; and BPSK&nbsp; (bipolar coefficients)&nbsp; in the same way.
*Durch die Multiplikation mit dem Trägersignal &nbsp;$z(t)$&nbsp; wird das Spektrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; des Quellensignals &ndash; und dementsprechend auch das Leistungsdichtespektrum &nbsp;${\it \Phi}_q(f)$&nbsp; &ndash; beidseitig  um die Trägerfrequenz &nbsp;$(\pm f_{\rm T})$&nbsp; verschoben.
+
[[File:EN_Dig_T_4_1_S6.png|right|frame|Block diagram&nbsp; (top)&nbsp; and equivalent baseband model&nbsp; (bottom)&nbsp; for coherent ASK and BPSK; <br>note:&nbsp; The band-pass noise&nbsp; $n_{\rm BP}(t)$&nbsp; be replaced by the the low-pass noise&nbsp; $n_{\rm TP}(t)$ |class=fit]]
*Nach dem Kanal wird diese Verschiebung durch den &nbsp;[[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation|Synchrondemodulator]]&nbsp; wieder rückgängig gemacht.
+
 
 +
*Multiplication by the carrier signal &nbsp;$z(t)$&nbsp; shifts the spectrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; of the source signal &ndash; and accordingly the power-spectral density&nbsp; ${\it \Phi}_q(f)$&nbsp; &ndash; on both sides by the carrier frequency &nbsp;$(\pm f_{\rm T})$.&nbsp;
 +
 
 +
*After the channel,&nbsp; this shift is reversed by the &nbsp;[[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|"synchronous demodulator"]].&nbsp;  
  
  
[[File:P_ID1677__Dig_T_4_1_S6_v3.png|center|frame|Blockschaltbild und äquivalentes Basisbandmodell für die kohärente ASK bzw. BPSK|class=fit]]
+
If one assumes the&nbsp; '''equivalent baseband model'''&nbsp; (lower graph),&nbsp; the calculation of the signals after the demodulator can be simplified:
 +
*One virtually truncates the influence of modulator and demodulator and replaces the band-pass channel with the frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; by a suitable low-pass transmission function &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$.
  
Geht man vom '''äquivalenten Basisbandmodell''' entsprechend der unteren Grafik aus, so lässt sich die Berechnung der Signale nach dem Demodulator vereinfachen:
+
* The index stands for&nbsp; "modulator&ndash;channel&ndash;demodulator"&nbsp; (German:&nbsp; "Modulator–Kanal–Demodulator").<br>
*Man kürzt quasi den Einfluss von Modulator und Demodulator und ersetzt den Bandpasskanal mit dem Frequenzgang &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; durch eine geeignete Tiefpass&ndash;Übertragungsfunktion &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$, wobei der Index für &bdquo;Modulator&ndash;Kanal&ndash;Demodulator&rdquo; steht.<br>
+
 
*Unter Berücksichtigung einer Phasendifferenz &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T}$&nbsp; zwischen den Trägersignalen von Sender und Empfänger erhält man für die resultierende Übertragungsfunktion:
+
*Considering a phase difference &nbsp;$\Delta \phi_{\rm T}$&nbsp; between the carrier signals of transmitter and receiver, we obtain for the resulting transmission function:
 
:$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \big [ {\rm e}^{\hspace{0.04cm}-{\rm j} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
:$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \big [ {\rm e}^{\hspace{0.04cm}-{\rm j} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
  T}} \cdot H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) +{\rm e}^{\hspace{0.04cm}{\rm j} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
  T}} \cdot H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) +{\rm e}^{\hspace{0.04cm}{\rm j} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}{\rm \Delta} \phi_{\rm
 
  T}} \cdot H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ]
 
  T}} \cdot H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ]
 
  .$$
 
  .$$
*Bei einem reellen und um die Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; symmetrischen Kanalfrequenzgang &nbsp;$H_{\rm K}(f)$ &ndash; also falls &nbsp;$H_{\rm K}(f_{\rm T}-f) = H_{\rm K}(f_{\rm T}+f)$&nbsp; gilt &ndash; kann man diese Gleichung wie folgt vereinfachen:
+
*For a real channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; that is symmetric about the carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T}$ &nbsp; &ndash; that is,&nbsp; if &nbsp;$H_{\rm K}(f_{\rm T}-f) = H_{\rm K}(f_{\rm T}+f)$&nbsp; &ndash; this equation can be simplified as follows:
 
:$$H_{\rm MKD}(f) = \frac{\cos({\rm \Delta} \phi_{\rm
 
:$$H_{\rm MKD}(f) = \frac{\cos({\rm \Delta} \phi_{\rm
 
  T})}{2} \cdot \big [  H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ]
 
  T})}{2} \cdot \big [  H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ]
 
  .$$
 
  .$$
*Die Signale &nbsp;$b\hspace{0.08cm}'(t)$&nbsp; im unteren Bild und &nbsp;$b(t)$&nbsp; nach dem Demodulator des Bandpass–Systems im oberen Bild sind somit bis auf die &nbsp;$±2f_{\rm T}$–Anteile identisch. Diese Anteile werden jedoch durch das Empfangsfilter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; eliminiert und müssen nicht weiter berücksichtigt werden.
+
*Thus, the signals &nbsp;$b\hspace{0.08cm}'(t)$&nbsp; in the lower diagram and &nbsp;$b(t)$&nbsp; after the demodulator of the band-pass system&nbsp; (upper diagram)&nbsp; are identical except for the &nbsp;$±2f_{\rm T}$ components.&nbsp; However,&nbsp; these components are eliminated by the receiver filter  &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; and need not be considered further.
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;  
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;  
*Die Fehlerwahrscheinlichkeiten von ASK und BPSK können somit auch mit dem einfacheren Basisbandmodell berechnet werden, und zwar auch dann, wenn ein verzerrender Kanal &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; vorliegt.  
+
*The error probabilities of ASK and BPSK can thus also be computed with the simpler baseband model,&nbsp; even when a distorting channel &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; is present.
*Zu beachten ist, dass auch das Rauschsignal $n(t)$ in den Tiefpassbereich transformiert werden muss. Bei &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation#Rauschbetrachtung_zum_BPSK.E2.80.93System|weißem Rauschen]]&nbsp; muss hierzu &nbsp;${\it \Phi}_n(f) = N_0/2$&nbsp; durch &nbsp;${\it \Phi}_{n,\hspace{0.06cm}{\rm  TP} }(f) = N_0$&nbsp; ersetzt werden.}}
+
*The noise signal&nbsp; $n(t)$&nbsp; must also be transformed into the low-pass region.&nbsp; For &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation#Noise_consideration_for_the_BPSK_system|"white noise"]],&nbsp; &nbsp;${\it \Phi}_n(f) = N_0/2$&nbsp; must be replaced by &nbsp;${\it \Phi}_{n,\hspace{0.06cm}{\rm  LP} }(f) = N_0$.}}
  
  
[[File:P_ID1678__Dig_T_4_1_S6b_v1.png|right|frame|Spektren des BPSK–Systems und des zugehörigen Basisbandmodells|class=fit]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Die Grafik verdeutlicht das Basisbandmodell anhand der Amplitudenspektren, wobei vereinfachend vorausgesetzt wird:
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$\text{Example 3:}$&nbsp; The diagram illustrates the baseband model by means of the amplitude spectra,&nbsp; assuming for simplicity:
*ein gaußförmiges &nbsp;$Q(f)$,
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[[File:P_ID1678__Dig_T_4_1_S6b_v1.png|right|frame|Spectra of the BPSK system and the corresponding baseband model|class=fit]]
*die BPSK&ndash;Modulation,
 
*ein rechteckförmiger Bandpasskanal &nbsp;$H_{\rm K}(f)$,
 
*eine phasensynchrone Demodulation, und
 
*ein ebenfalls rechteckförmiges Empfangsfilter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; mit &nbsp;$\Delta f_{\rm E} > \Delta f_{\rm K}$.
 
 
 
 
 
Man erkennt:
 
*Das Spektrum &nbsp;$D(f)$&nbsp; des Detektionssignals &nbsp;$d(t)$&nbsp; wird durch das äquivalente Basisbandmodell richtig wiedergegeben, obwohl sich die Spektren &nbsp;$B(f)$&nbsp; bzw. &nbsp;$B\hspace{0.05cm}'(f)$&nbsp; um die doppelte Trägerfrequenz unterscheiden.
 
 
 
  
*Die resultierende Übertragungsfunktion &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; berücksichtigt auch die Bandbegrenzung durch den Kanal, der in diesem Beispiel als rechteckförmig um die Trägerfrequenz angenommen wurde.}}
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*a source signal with Gaussian spectrum&nbsp;$Q(f)$,
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*the BPSK modulation,
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*a rectangular BP channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$,
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*a phase-synchronous demodulation, and
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*a rectangular receiver filter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; with &nbsp;$\Delta f_{\rm E} > \Delta f_{\rm K}$.
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It can be seen:
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#The spectrum &nbsp;$D(f)$&nbsp; of the detection signal &nbsp;$d(t)$&nbsp; is correctly reproduced by the equivalent baseband model,&nbsp; although the spectra &nbsp;$B(f)$&nbsp; resp. &nbsp;$B\hspace{0.05cm}'(f)$,&nbsp; differ around twice the carrier frequency.<br><br>
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#The resulting transmission function &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; also accounts for the band limitation due to the channel,&nbsp; which in this example was assumed to be rectangular around the carrier frequency.}}
  
==Aufgaben zum Kapitel==
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==Exercises for the chapter==
 
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[[Aufgaben:1.08 Vergleich ASK und BPSK|Aufgabe 1.8: Vergleich ASK und BPSK]]
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[[Aufgaben:Exercise_1.08:_Comparison_of_ASK_and_BPSK|Exercise 1.08: Comparison of ASK and BPSK]]
  
[[Aufgaben:1.08Z_BPSK-Fehlerwahrscheinlichkeit|Aufgabe 1.8Z: BPSK-Fehlerwahrscheinlichkeit]]
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[[Aufgaben:Exercise_1.08Z:_BPSK_Error_Probability|Exercise 1.08Z: BPSK Error Probability]]
  
[[Aufgaben:1.09_BPSK_und_4-QAM|Aufgabe 1.9: BPSK und 4-QAM]]
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[[Aufgaben:Exercise_1.09:_BPSK_and_4-QAM|Exercise 1.09: BPSK and 4-QAM]]
  
[[Aufgaben:1.10_BPSK–Basisbandmodell|Aufgabe 1.10: BPSK–Basisbandmodell]]
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[[Aufgaben:Exercise_1.10:_BPSK_Baseband_Model|Exercise 1.10: BPSK Baseband Model]]
  
[[Aufgaben:1.10Z_Gauß-Bandpass|Aufgabe 1.10Z: Gauß-Bandpass]]
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[[Aufgaben:Exercise_1.10Z:_Gaussian_Band-Pass|Exercise 1.10Z: Gaussian Band-pass]]
  
 
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Latest revision as of 18:03, 24 August 2022


Common block diagram for ASK and BPSK


In the chapter  "Linear Digital Modulation"  of the book  "Modulation Methods" the digital carrier frequency systems

Block diagram,  valid for both,  an ASK and a BPSK transmission system


have already been described in detail.  In this chapter,  the  "bit error probability"  of these systems is now calculated,  assuming the outlined common block diagram.  The following assumptions apply again:

  • Demodulation always occurs  "coherently".  That means:   A carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  with the same frequency as at the transmitter but with double amplitude is added at the receiver.
  • Let the phase offset between the transmitter carrier signal  $z(t)$  and the receiver carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  initially be  $\Delta \phi_{\rm T} = 0$.
  • For BPSK,  the bipolar amplitude coefficients  $a_\nu \in \{-1, +1\}$  are assumed and the decision threshold is  $E = 0$. 
  • In contrast,  for ASK,  $a_\nu \in \{0, 1\}$ is valid.  The decision threshold  $E$  is to be chosen as best as possible for this unipolar case.
  1. channel frequency response  $H_{\rm K}(f) = 1$,  and  
  2. $n(t)$  represents white Gaussian noise with  (one-sided)  noise power density  $N_0$. 


Noise consideration for the BPSK system


We first assume a bipolar rectangular source signal  $q(t)$  with the values  $\pm s_0$.  Its normalized spectrum is:   $H_{\rm S}(f) = {\rm sinc}(f T)$.  Just as in  "baseband transmission",  the smallest possible bit error probability is with the receiver filter  $H_{\rm E}(f) = {H_{\rm S} }^\star(f) = {\rm sinc}(f T)$.

The  "signal waveforms"  of this matched filter receiver BPSK system show:

  • The signal component  $d_{\rm S}(t)$  of the detection signal  i.e.,  without noise component,  is always $\pm s_0$ at all detection times  $\nu \cdot T$, with the signs determined by the amplitude coefficients  $a_\nu \in \{-1, +1\}$. 
  • Different from the baseband system,  however,  is the noise power.  The noise component  $b_{\rm N}(t)$  is obtained by multiplying the band-pass noise  $n(t)$  by the receiver-side carrier  $z_{\rm E}(t) =2 \cdot \cos(2\pi f t)$  and has the noise power density   ⇒   red sketch on the right:
Noise power densities before and after receiver-side multiplication of the carrier
$${\it \Phi}_{b{\rm N}}(f)={\it \Phi}_{n}(f) \star \big[ 1^2 \cdot \delta ( f - f_{\rm T})+ 1^2 \cdot \delta ( f + f_{\rm T})\big].$$

The diagram illustrates this equation using bandlimited white noise  $n(t)$  with center frequency  $f_{\rm T}$  and bandwidth  $B_n$  as an example   ⇒   blue sketch on the left:

  1. While  ${\it \Phi}_{n}(f = f_{\rm T}) = N_0/2$  holds,  ${\it \Phi}_{b{\rm N}}(f=0) = N_0$.
  2. The noise components around  $\pm 2f_{\rm T}$  are eliminated by the subsequent receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  and do not matter for further considerations.
  3. For true white noise,  with the  $B_n \to \infty$  boundary transition,  for all frequencies:     ${{\it \Phi}_{n}(f)}={N_0}/{2}, \hspace{0.2cm}{{\it \Phi}_{b{\rm N}}(f)}={N_0}.$


Error probability of the optimal BPSK system


The observations just made show that to calculate the error probability of the BPSK system in the case of AWGN noise,

Equivalent block diagram of the BPSK
  • one can dispense with the two multiplications by  $z(t)$  and  $z_{\rm E}(t) = 2 \cdot z(t)$ 
  • if one doubles the  (two-sided)  power-spectral density of the input noise  $n(t)$  from  $N_0/2$  to  $N_0$.


This results for the noise power before the decision:

$$\sigma_d^2 = N_0 \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} {\rm sinc}^2( f \hspace{0.05cm} T_{\rm B}) \,{\rm d} f = {N_0}/{T_{\rm B}},$$

i.e., twice the value as for baseband transmission.  
Note:   To allow later comparison with  "quadrature amplitude modulation"  $\rm (QAM)$,  the symbol duration  $T$  has been replaced here by the bit duration  $T_{\rm B}$.  However,  $T_{\rm B}=T$ is valid for  $\rm BPSK$  $($and also for  $\rm ASK)$.

$\text{Conclusion:}$  Thus,  the  BPSK error probability  with the two usual  "Gaussian error functions"  is:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{N_0 } }\hspace{0.1cm} \right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{2 \cdot N_0 } }\hspace{0.1cm} \right ).$$
  • If one further considers that the energy expended per bit with BPSK is
$$E_{\rm B} = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}$$
this equation can be transformed as follows:
$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{ {2 \cdot E_{\rm B} }/{N_0 } } \hspace{0.1cm}\right ) ={1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{ {E_{\rm B} }/{N_0 } } \hspace{0.1cm}\right ).$$
  • This results in the same formula as for  "baseband transmission",  but where  $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T_{\rm B}$  had to be used for the  "energy per bit"  and not  $E_{\rm B} = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}$.


Note:   This last equation holds not only for the rectangular source signal   ⇒   $H_{\rm S}(f) = {\rm sinc}(f T)$,  but for any  $H_{\rm S}(f)$,  as long as

  • the receiver filter  $H_{\rm E}(f) = {H_{\rm S} }^\star(f)$  is exactly matched to the transmitter,  and
  • the product  $H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm E}(f)$  satisfies the first Nyquist criterion.


Error probability of the optimal ASK system


We now consider an  "ASK system"  under the same conditions as the BPSK system. Here:

  1. All signal component values  $d_{\rm S}(\nu \cdot T)$  are either  $0$  or  $s_0$,  that means:  their distance from the threshold  $E = s_0/2$  is in each case  $s_0/2$.
  2. The noise rms value  $\sigma_d= \sqrt{N_0}/{T_{\rm B}}$  is exactly the same as for BPSK.
  3. The energy per bit is only half as large as for BPSK:   $E_{\rm B} = {1}/{4}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}.$


Comparison of bit error probabilities of ASK and BPSK

Thus the equations for the  ASK error probability  as function of  $s_0$  and  $E_{\rm B}$  are:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/2}{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 \cdot T_{\rm B} }{4 \cdot N_0 } } \hspace{0.1cm}\right ),$$
$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B} }{N_0 } } \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{\frac{E_{\rm B} }{2 \cdot N_0 } } \right ).$$

The double–logarithmic diagram shows the bit error probabilities of ASK and BPSK depending on the quotient  $E_{\rm B}/N_0$. This plot is suitable for comparison between these binary modulation schemes under the constraint of power limitation.

One can see from this plot:

  • The ASK curve is  $3 \ \rm dB$  to the right of the BPSK curve.
  • For  $p_{\rm B} = 10^{-8}$,  one needs about  $10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 12 \ \rm dB$ for BPSK,  but about  $15 \ \rm dB$ for ASK.
  • The system comparison at the fixed abscissa value  $10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 8 \ \rm dB$ yields  $p_{\rm B} = 2 \cdot 10^{-4}$  for BPSK and  $p_{\rm B} = 6 \cdot 10^{-3}$  for ASK.


Error probabilities for 4–QAM and 4–PSK


"Quadrature amplitude modulation"  $\rm (QAM)$  has already been described in detail in the book  "Modulation Methods".  From the  "signal space mapping"  and the  "signal waveforms"  it can be seen:

  • The 4–QAM can be represented by two mutually orthogonal BPSK systems with cosine and minus–sine carriers, respectively.
  • The binary source signal  $q(t)$  with bit duration  $T_{\rm B}$   ⇒   bit rate $R_{\rm B}$  is split into two sub-signals  $q_{\rm I}(t)$   ⇒   "in-phase component"  and  $q_{\rm Q}(t)$   ⇒   "quadrature component"  with half rate each  ("serial–parallel conversion").  The symbol duration of  $q_{\rm I}(t)$  resp.  $q_{\rm Q}(t)$,  is  $T = 2\cdot T_{\rm B}$ ; the symbol rate is each  $R_{\rm B}/2$.
  • The amplitudes of the two mutually orthogonal carrier signals are chosen to be smaller by a factor of  $\sqrt{2}$  than in BPSK,  so that the envelope of the  "transmitted signal"  $s(t)$  is again  $s_0$. 


$\text{4-QAM error probability:}$   Because of the smaller signal amplitude and at the same time lower symbol rate compared to BPSK,  the following applies:

$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \frac{s_0/\sqrt{2} }{\sigma_d } \right ) \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}{\sigma_d}^2 = \frac{N_0 }{2 \cdot T_{\rm B} } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{s_0^2 }{2} \cdot \frac{2 \cdot T_{\rm B} }{N_0} }\hspace{0.1cm}\right )= {\rm Q}\left ( \sqrt{ {2 \cdot E_{\rm B} }/{N_0 } } \hspace{0.1cm}\right ).$$
  • Although  4–QAM can transmit twice the information amount compared to BPSKthe bit error probability  $p_{\rm B}$  is exactly the same as a function of  $E_{\rm B}/{N_0 }$.
  • It is taken into account here that also for  4–QAM  the following applies for the average energy per bit:   $E_{\rm B} = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}.$
  • Since  "quaternary phase modulation"  $\rm (4–PSK)$ differs from 4–QAM only by a phase shift of  $45^\circ$,  the same bit error probability also results for 4–PSK when suitable decision regions are considered.


$\text{Example 1:}$  The diagram shows two different phase diagrams of  "Binary Phase Shift Keying"  $\rm (BPSK)$:

Phase diagrams for BPSK with cosine carrier  (left)  and minus-sinusoidal carrier  (right)
  • The two diagrams differ only in the carrier phase.  In both cases,  $10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$.
  • In the left diagram,  bit errors  (highlighted by circles)  are indicated by yellow crosses to the right of the vertical decision threshold and by blue crosses in the left half plane.
  • In the right diagram,  yellow crosses above the horizontal threshold and blue crosses below indicate bit errors.
  • The distance of the noise-free samples  (marked by the white dots)  from the respective decision threshold  (marked in green)  is each  $s_0$.
  • The variance of the detection samples  – recognizable by the radius of the point clouds –  is due to  $E_{\rm B} = {1}/{2}\cdot s_0^2 \cdot T_{\rm B}$  equal to
$$\sigma_d^2 = \frac{N_0 }{ T_{\rm B} }= \frac{s_0^2/2 }{ E_{\rm B}/N_0}.$$
  • With  $10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$   ⇒   $E_{\rm B}/N_0 = 10^{0.6} \approx 4$  this gives:
$$ {\sigma_d^2 }/{ {s_0}^2}= \big [ { 2 \cdot 10^{0.6} }\big ]^{-1} \approx 0.125\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { {\sigma_d} }/{ {s_0} }\approx 0.35 $$
$$\Rightarrow \hspace{0.5cm}p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( s_0/{\sigma_d } \right )= {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot 10^{0.6} } \hspace{0.08cm}\right ) = {\rm Q}(2.8) \approx 2 \cdot 10^{-3}.$$


$\text{Example 2:}$  We now consider a phase diagram of  "4–QAM",  which can be thought of as two orthogonal  "BPSK systems"  with cosine and minus-sinusoidal carriers.

Phase diagram with 4–QAM
  • Here,  a bit error occurs when the horizontal or the vertical decision threshold is exceeded.
  • In the diagram,  such a bit error can be recognized when a cross does not match its quadrant in terms of color.
  • The distance of the now four noise-free samples  (white dots)  from the origin is again  $s_0$.
  • However,  the distance to the decision thresholds is smaller by a factor of  $\sqrt{2}$  for 4–QAM than for BPSK.
  • The noise rms value  $\sigma_d$  is smaller for 4–QAM than for BPSK by the same factor  $\sqrt{2}$. 
  • Thus,  the bit error probabilities of 4–QAM and BPSK are the same:  
$$p_{\rm B} \approx 2 \cdot 10^{-3}.$$


Phase offset between transmitter and receiver


Prerequisite for the validity of the previous equations is a strict synchronicity between the carrier signals added at the transmitter and receiver.  Now,  a phase offset  $\Delta \phi_{\rm T}$  between the two carrier signals  $z(t)$  and  $z_{\rm E} (t)$  is assumed,  while frequency synchronicity is still valid.

Phase diagrams for BPSK and 4-QAM with  $\Delta \phi_{\rm T} = 30 ^\circ$.

The diagram shows the phase diagrams for  $\Delta \phi_{\rm T} = 30^\circ$.  It can be seen:

  • For both BPSK  (left)  and 4–QAM  (right),  a phase offset by  $\Delta \phi_{\rm T}$  causes a corresponding rotation of the phase diagram.
  • With BPSK,  the phase shift causes a smaller signal component by  $\cos\Delta \phi_{\rm T}$.  We have already noticed the same effect with the  "synchronous demodulator"  of an analog transmission system.
  • Consequently,  the distance of the signal component of the detection signal from the decision threshold also becomes smaller by the same factor,  which leads to a higher error probability:
$$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\cdot \cos({\rm \Delta} \phi_{\rm T})\right ) .$$
  • With the numerical values underlying here:  $10 \cdot \lg (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$  and  $\Delta \phi_{\rm T} = 30^\circ$,  the error probability of the BPSK  (left diagram)  increases from  $p_{\rm B} \approx 0.2\%$  to about  $p_{\rm B} \approx 0.6\%$.
  • In contrast,  for the 4–QAM  (right diagram),  the error probability increases by a factor of  $40$  under the same conditions:   $p_{\rm B} \approx 8\%$.
  • If  $|\Delta \phi_{\rm T}| < 45^\circ$,  the following general equation holds for the 4–QAM (see  "Exercise 1.9" ):
$$p_{\rm B} = 1/2 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\cdot \frac{\cos(45^\circ)}{\cos(45^\circ+{\rm \Delta} \phi_{\rm T})}\right) + 1/2 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{\frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_0 }} \hspace{0.1cm}\cdot \frac{\cos(45^\circ)}{\cos(45^\circ-{\rm \Delta} \phi_{\rm T})}\right).$$

$\text{Conclusion:}$ 

  • Although 4–QAM can be used to transmit twice the information as BPSK over the same channel,  under ideal conditions both systems have same error probability.
  • However,  under non-ideal conditions – for example,  when there is a phase offset – the error probability of 4–QAM increases much more than that of BPSK.


Baseband model for ASK and BPSK


The diagram above shows again the  overall block diagram  of a carrier frequency system with coherent demodulation,  which is valid for ASK  (unipolar amplitude coefficients)  and BPSK  (bipolar coefficients)  in the same way.

Block diagram  (top)  and equivalent baseband model  (bottom)  for coherent ASK and BPSK;
note:  The band-pass noise  $n_{\rm BP}(t)$  be replaced by the the low-pass noise  $n_{\rm TP}(t)$
  • Multiplication by the carrier signal  $z(t)$  shifts the spectrum  $Q(f)$  of the source signal – and accordingly the power-spectral density  ${\it \Phi}_q(f)$  – on both sides by the carrier frequency  $(\pm f_{\rm T})$. 


If one assumes the  equivalent baseband model  (lower graph),  the calculation of the signals after the demodulator can be simplified:

  • One virtually truncates the influence of modulator and demodulator and replaces the band-pass channel with the frequency response  $H_{\rm K}(f)$  by a suitable low-pass transmission function  $H_{\rm MKD}(f)$.
  • The index stands for  "modulator–channel–demodulator"  (German:  "Modulator–Kanal–Demodulator").
  • Considering a phase difference  $\Delta \phi_{\rm T}$  between the carrier signals of transmitter and receiver, we obtain for the resulting transmission function:
$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \big [ {\rm e}^{\hspace{0.04cm}-{\rm j} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}{\rm \Delta} \phi_{\rm T}} \cdot H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) +{\rm e}^{\hspace{0.04cm}{\rm j} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}{\rm \Delta} \phi_{\rm T}} \cdot H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ] .$$
  • For a real channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  that is symmetric about the carrier frequency  $f_{\rm T}$   – that is,  if  $H_{\rm K}(f_{\rm T}-f) = H_{\rm K}(f_{\rm T}+f)$  – this equation can be simplified as follows:
$$H_{\rm MKD}(f) = \frac{\cos({\rm \Delta} \phi_{\rm T})}{2} \cdot \big [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ] .$$
  • Thus, the signals  $b\hspace{0.08cm}'(t)$  in the lower diagram and  $b(t)$  after the demodulator of the band-pass system  (upper diagram)  are identical except for the  $±2f_{\rm T}$ components.  However,  these components are eliminated by the receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  and need not be considered further.


$\text{Conclusion:}$ 

  • The error probabilities of ASK and BPSK can thus also be computed with the simpler baseband model,  even when a distorting channel  $H_{\rm K}(f)$  is present.
  • The noise signal  $n(t)$  must also be transformed into the low-pass region.  For  "white noise",   ${\it \Phi}_n(f) = N_0/2$  must be replaced by  ${\it \Phi}_{n,\hspace{0.06cm}{\rm LP} }(f) = N_0$.


$\text{Example 3:}$  The diagram illustrates the baseband model by means of the amplitude spectra,  assuming for simplicity:

Spectra of the BPSK system and the corresponding baseband model
  • a source signal with Gaussian spectrum $Q(f)$,
  • the BPSK modulation,
  • a rectangular BP channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$,
  • a phase-synchronous demodulation, and
  • a rectangular receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  with  $\Delta f_{\rm E} > \Delta f_{\rm K}$.








It can be seen:

  1. The spectrum  $D(f)$  of the detection signal  $d(t)$  is correctly reproduced by the equivalent baseband model,  although the spectra  $B(f)$  resp.  $B\hspace{0.05cm}'(f)$,  differ around twice the carrier frequency.

  2. The resulting transmission function  $H_{\rm MKD}(f)$  also accounts for the band limitation due to the channel,  which in this example was assumed to be rectangular around the carrier frequency.

Exercises for the chapter


Exercise 1.08: Comparison of ASK and BPSK

Exercise 1.08Z: BPSK Error Probability

Exercise 1.09: BPSK and 4-QAM

Exercise 1.10: BPSK Baseband Model

Exercise 1.10Z: Gaussian Band-pass