Aufgaben:Aufgabe 4.11: On-Off-Keying und Binary Phase Shift Keying: Unterschied zwischen den Versionen
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Die Grafik zeigt Signalraumkonstellationen für trägermodulierte Modulationsverfahren: | Die Grafik zeigt Signalraumkonstellationen für trägermodulierte Modulationsverfahren: | ||
− | * | + | * "On–Off–Keying" $\rm (OOK)$, in manchen Büchern auch als "Amplitude Shift Keying" $\rm (ASK)$ bezeichnet, |
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+ | * "Binary Phase Shift Keying" $\rm (BPSK)$. | ||
− | Für die Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit gehen wir vom AWGN–Kanal aus. In diesem Fall ist die Fehlerwahrscheinlichkeit (bezogen auf Symbole oder auf Bit gleichermaßen): | + | |
+ | Für die Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit gehen wir vom AWGN–Kanal aus. In diesem Fall ist die Fehlerwahrscheinlichkeit (bezogen auf Symbole oder auf Bit gleichermaßen): | ||
:$$p_{\rm S} = p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right ) | :$$p_{\rm S} = p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right ) | ||
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Hierbei bezeichnet | Hierbei bezeichnet | ||
− | * $d$ den Abstand der Signalraumpunkte, und | + | * $d$ den Abstand der Signalraumpunkte, und |
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* $\sigma_n^2 = N_0/2$ die Varianz des AWGN–Rauschens. | * $\sigma_n^2 = N_0/2$ die Varianz des AWGN–Rauschens. | ||
− | In den Teilfragen ab '''(3)''' wird zudem auf die mittlere Symbollenergie $E_{\rm S}$ Bezug genommen. | + | In den Teilfragen ab Teilaufgabe '''(3)''' wird zudem auf die mittlere Symbollenergie $E_{\rm S}$ Bezug genommen. |
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+ | * Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Tr%C3%A4gerfrequenzsysteme_mit_koh%C3%A4renter_Demodulation| "Trägerfrequenzsysteme mit kohärenter Demodulation"]]. | ||
− | + | * Bezug genommen wird auch auf das Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Lineare_digitale_Modulation_%E2%80%93_Koh%C3%A4rente_Demodulation| "Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation"]] sowie das Kapitel [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation| "Lineare digitale Modulation"]] des Buches „Modulationsverfahren”. | |
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− | * Bezug genommen wird auch auf das Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Lineare_digitale_Modulation_%E2%80%93_Koh%C3%A4rente_Demodulation| Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]] sowie das Kapitel [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation| Lineare digitale Modulation]] des Buches „Modulationsverfahren”. | ||
* Verwenden Sie für die komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion die folgende Näherung: | * Verwenden Sie für die komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion die folgende Näherung: | ||
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===Fragebogen=== | ===Fragebogen=== | ||
<quiz display=simple> | <quiz display=simple> | ||
− | {Wieviele Bit $(b)$ stellt jeweils ein Symbol dar? Wie groß ist die Stufenzahl $M$? | + | {Wieviele Bit $(b)$ stellt jeweils ein Symbol dar? Wie groß ist die Stufenzahl $M$? |
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$b \hspace{0.35cm} = \ $ { 1 3% } | $b \hspace{0.35cm} = \ $ { 1 3% } | ||
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+ die Darstellung im (äquivalenten) Tiefpassbereich. | + die Darstellung im (äquivalenten) Tiefpassbereich. | ||
− | {Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich für | + | {Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich für "On–Off–Keying" abhängig von $E_{\rm S}/N_0$? |
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$E_{\rm S}/N_0 = 9 \text{:} \hspace{2.3cm} p_{\rm S} \ = \ $ { 14.8 3% } $\ \cdot 10^{\rm –4}$ | $E_{\rm S}/N_0 = 9 \text{:} \hspace{2.3cm} p_{\rm S} \ = \ $ { 14.8 3% } $\ \cdot 10^{\rm –4}$ | ||
$10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 12 \ {\rm dB} \text{:} \hspace{0.2cm} p_{\rm S} \ = \ $ { 0.362 3% } $\ \cdot 10^{\rm –4}$ | $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 12 \ {\rm dB} \text{:} \hspace{0.2cm} p_{\rm S} \ = \ $ { 0.362 3% } $\ \cdot 10^{\rm –4}$ | ||
− | {Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich für | + | {Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich für "Binary Phase Shift Keying" abhängig von $E_{\rm S}/N_0$? |
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$E_{\rm S}/N_0 = 9 \text{:} \hspace{2.3cm} p_{\rm S} \ = \ $ { 117 3% } $\ \cdot 10^{\rm –8}$ | $E_{\rm S}/N_0 = 9 \text{:} \hspace{2.3cm} p_{\rm S} \ = \ $ { 117 3% } $\ \cdot 10^{\rm –8}$ | ||
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===Musterlösung=== | ===Musterlösung=== | ||
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− | '''(1)''' Sowohl | + | '''(1)''' Sowohl "On–Off–Keying" als auch "Binary Phase Shift Keying" sind binäre Modulationsverfahren: |
− | :$$\underline{b = 1 }\hspace{0.05cm},\hspace{0. | + | :$$\underline{b = 1 }\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} \underline{M = 2} \hspace{0.05cm}.$$ |
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+ | '''(2)''' Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>, erkennbar an der imaginären Basisfunktion $\varphi_2(t) = {\rm j} \cdot \varphi_1(t)$. | ||
+ | *Bei Beschreibung im Bandpassbereich wären die Basisfunktionen reell: cosinusförmig und (minus–)sinusförmig. | ||
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+ | '''(3)''' Die vorgegebene Gleichung lautet bei "On–Off–Keying" mit | ||
+ | *$d = \sqrt {E}$, | ||
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+ | *$E_{\rm S} = E/2$ (wobei gleichwahrscheinliche Symbole $\boldsymbol{s}_0$ und $\boldsymbol{s}_1$ vorausgesetzt sind), | ||
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+ | *$\sigma_n^2 = N_0/2$: | ||
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:$$p_{\rm S} \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right )= {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E}/2}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ \frac{ E/2}{ N_0} }\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) | :$$p_{\rm S} \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right )= {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E}/2}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ \frac{ E/2}{ N_0} }\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) | ||
\hspace{0.05cm}.$$ | \hspace{0.05cm}.$$ | ||
− | Für $E_{\rm S}/N_0 = 9 = 3^2$ ergibt sich somit: | + | *Für $E_{\rm S}/N_0 = 9 = 3^2$ ergibt sich somit: |
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} (3) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot 3} \cdot {\rm e}^{-9/2} = \underline{14.8 \cdot 10^{-4}} | :$$p_{\rm S} = {\rm Q} (3) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot 3} \cdot {\rm e}^{-9/2} = \underline{14.8 \cdot 10^{-4}} | ||
\hspace{0.05cm}.$$ | \hspace{0.05cm}.$$ | ||
− | Entsprechend gilt für $10 \cdot {\rm lg} \, (E_{\rm S}/N_0) = 12 \ \rm dB$ ⇒ $E_{\rm S}/N_0 = 15.85$: | + | *Entsprechend gilt für $10 \cdot {\rm lg} \, (E_{\rm S}/N_0) = 12 \ \rm dB$ ⇒ $E_{\rm S}/N_0 = 15.85$: |
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{15.85}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 15.85} } \cdot {\rm e}^{-15.85/2} = \underline{0.362 \cdot 10^{-4}} | :$$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{15.85}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 15.85} } \cdot {\rm e}^{-15.85/2} = \underline{0.362 \cdot 10^{-4}} | ||
\hspace{0.05cm}.$$ | \hspace{0.05cm}.$$ | ||
− | '''(4)''' Im Unterschied zur Teilaufgabe (3) | + | '''(4)''' Im Unterschied zur Teilaufgabe '''(3)''' gilt bei "Binary Phase Shift Keying": |
+ | *$d = 2 \cdot \sqrt {E}$, | ||
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+ | *$E_{\rm S} = E$, | ||
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+ | beides sogar unabhängig von den Auftrittswahrscheinlichkeiten für $\boldsymbol{s}_0$ und $\boldsymbol{s}_1$. | ||
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+ | *Daraus folgt: | ||
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E_{\rm S}}}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { 2E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) | :$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E_{\rm S}}}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { 2E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) | ||
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− | Mit $E_{\rm S}/N_0 = 9$ ergibt sich daraus der Zahlenwert: | + | *Mit $E_{\rm S}/N_0 = 9$ ergibt sich daraus der Zahlenwert: |
− | :$$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{18}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 18} } \cdot {\rm e}^{-18/2} = \underline{117 \cdot 10^{-8}} \hspace{0.05cm} | + | :$$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{18}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 18} } \cdot {\rm e}^{-18/2} = \underline{117 \cdot 10^{-8}} \hspace{0.05cm}.$$ |
− | + | *Und mit $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 12 \ \rm dB$ ⇒ $2E_{\rm S}/N_0 = 31.7$: | |
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{31.7}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 31.7} } \cdot {\rm e}^{-31.7/2} = \underline{0.926 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$ | :$$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{31.7}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 31.7} } \cdot {\rm e}^{-31.7/2} = \underline{0.926 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$ | ||
{{ML-Fuß}} | {{ML-Fuß}} |
Aktuelle Version vom 20. August 2022, 15:46 Uhr
Die Grafik zeigt Signalraumkonstellationen für trägermodulierte Modulationsverfahren:
- "On–Off–Keying" $\rm (OOK)$, in manchen Büchern auch als "Amplitude Shift Keying" $\rm (ASK)$ bezeichnet,
- "Binary Phase Shift Keying" $\rm (BPSK)$.
Für die Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit gehen wir vom AWGN–Kanal aus. In diesem Fall ist die Fehlerwahrscheinlichkeit (bezogen auf Symbole oder auf Bit gleichermaßen):
- $$p_{\rm S} = p_{\rm B} = {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right ) \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei bezeichnet
- $d$ den Abstand der Signalraumpunkte, und
- $\sigma_n^2 = N_0/2$ die Varianz des AWGN–Rauschens.
In den Teilfragen ab Teilaufgabe (3) wird zudem auf die mittlere Symbollenergie $E_{\rm S}$ Bezug genommen.
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel "Trägerfrequenzsysteme mit kohärenter Demodulation".
- Bezug genommen wird auch auf das Kapitel "Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation" sowie das Kapitel "Lineare digitale Modulation" des Buches „Modulationsverfahren”.
- Verwenden Sie für die komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion die folgende Näherung:
- $${\rm Q}(x) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot x} \cdot {\rm e}^{-x^2/2} \hspace{0.05cm}.$$
Fragebogen
Musterlösung
- $$\underline{b = 1 }\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} \underline{M = 2} \hspace{0.05cm}.$$
(2) Richtig ist der Lösungsvorschlag 2, erkennbar an der imaginären Basisfunktion $\varphi_2(t) = {\rm j} \cdot \varphi_1(t)$.
- Bei Beschreibung im Bandpassbereich wären die Basisfunktionen reell: cosinusförmig und (minus–)sinusförmig.
(3) Die vorgegebene Gleichung lautet bei "On–Off–Keying" mit
- $d = \sqrt {E}$,
- $E_{\rm S} = E/2$ (wobei gleichwahrscheinliche Symbole $\boldsymbol{s}_0$ und $\boldsymbol{s}_1$ vorausgesetzt sind),
- $\sigma_n^2 = N_0/2$:
- $$p_{\rm S} \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} {\rm Q} \left ( \frac{ d/2}{ \sigma_n}\right )= {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E}/2}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ \frac{ E/2}{ N_0} }\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
- Für $E_{\rm S}/N_0 = 9 = 3^2$ ergibt sich somit:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (3) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi} \cdot 3} \cdot {\rm e}^{-9/2} = \underline{14.8 \cdot 10^{-4}} \hspace{0.05cm}.$$
- Entsprechend gilt für $10 \cdot {\rm lg} \, (E_{\rm S}/N_0) = 12 \ \rm dB$ ⇒ $E_{\rm S}/N_0 = 15.85$:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{15.85}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 15.85} } \cdot {\rm e}^{-15.85/2} = \underline{0.362 \cdot 10^{-4}} \hspace{0.05cm}.$$
(4) Im Unterschied zur Teilaufgabe (3) gilt bei "Binary Phase Shift Keying":
- $d = 2 \cdot \sqrt {E}$,
- $E_{\rm S} = E$,
beides sogar unabhängig von den Auftrittswahrscheinlichkeiten für $\boldsymbol{s}_0$ und $\boldsymbol{s}_1$.
- Daraus folgt:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} \left ( \frac{ \sqrt{E_{\rm S}}}{ \sqrt{N_0/2}}\right ) = {\rm Q} \left ( \sqrt{ { 2E_{\rm S}}/{ N_0} }\right ) \hspace{0.05cm}.$$
- Mit $E_{\rm S}/N_0 = 9$ ergibt sich daraus der Zahlenwert:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{18}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 18} } \cdot {\rm e}^{-18/2} = \underline{117 \cdot 10^{-8}} \hspace{0.05cm}.$$
- Und mit $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm S}/N_0 = 12 \ \rm dB$ ⇒ $2E_{\rm S}/N_0 = 31.7$:
- $$p_{\rm S} = {\rm Q} (\sqrt{31.7}) \approx \frac{1}{\sqrt{2\pi\cdot 31.7} } \cdot {\rm e}^{-31.7/2} = \underline{0.926 \cdot 10^{-8}}\hspace{0.05cm}.$$