Aufgabe 4.Zehn: QPSK–Kanalkapazität

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Kapazitätskurven für BPSK und QPSK

Gegeben sind die AWGN–Kanalkapazitätsgrenzkurven für die Modulationsverfahren


Die Kanalkapazitäten $C_\text{BPSK}$ und $C_\text{QPSK}$ geben gleichzeitig die maximale Coderate $R_{\rm max}$ an, mit der bei BPSK (bzw. QPSK) die Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_\text{B} ≡ 0$ mit geeigneter Kanalcodierung asymptotisch erreichbar ist.

Das obere Diagramm zeigt die Abhängigkeit von der Kenngröße $10 \cdot \lg (E_{\rm B}/{N_0})$ in $\rm dB$, wobei $E_{\rm B}$ die „Energie pro Informationsbit” angibt.

  • Für große $E_{\rm B}/{N_0}$–Werte liefert die BPSK–Kurve die maximale Coderate $R ≈ 1$.
  • Aus der QPSK–Kurve kann dagegen $R ≈ 2$ abgelesen werden.


Die Kapazitätskurven für digitalen Eingang (jeweils mit der Einheit „bit/Symbol”),

  • grüne Kurve   ⇒   $C_\text{BPSK} (E_{\rm B}/{N_0})$ und
  • blaue Kurve   ⇒   $C_\text{QPSK} (E_{\rm B}/{N_0})$


sollen in der Teilaufgabe (3) in Bezug gesetzt werden zu zwei Shannon–Grenzkurven, die jeweils für eine Gaußsche Eingangsverteilung gültig sind:

$$C_1( E_{\rm B}/{N_0}) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { 2\cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}) ,$$
$$C_2( E_{\rm B}/{N_0}) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { R \cdot E_{\rm B}}{N_0}) .$$

Die beiden Kurven geben gleichzeitig die maximale Coderate $R_{\rm max}$ an, mit der durch lange Kanalcodes entsprechend dem Kanalcodierungstheorem eine fehlerfreie Übertragung möglich ist. Natürlich gelten für  $C_1( E_{\rm B}/{N_0})$   bzw.   $C_2( E_{\rm B}/{N_0})$  unterschiedliche Randbedingungen. Welche, sollen Sie herausfinden.

Die Abszisse im unteren Diagramm ist dagegen  $10 \cdot \lg (E_{\rm S}/{N_0})$  mit der „Energie pro Symbol” (E_{\rm S})$. Zu erkennen ist, dass die beiden Endwerte gegenüber der oberen Darstellung nicht verändert werden:

$$C_{\rm BPSK}( E_{\rm S}/{N_0} \to \infty) = C_{\rm BPSK}( E_{\rm B}/{N_0} \to \infty) = 1 \ \rm bit/Symbol,$$
$$C_{\rm QPSK}( E_{\rm S}/{N_0} \to \infty) = C_{\rm QPSK}( E_{\rm B}/{N_0} \to \infty) = 2 \ \rm bit/Symbol.$$


Hinweise:


Fragebogen

1

Unterscheiden sich QPSK und 4–QAM aus informationstheoretischer Sicht?

Ja.
Nein.

2

Wie lässt sich  $C_{\rm QPSK}( E_{\rm B}/{N_0})$  aus  $C_{\rm BPSK}( E_{\rm B}/{N_0})$  konstruieren?

Durch Verdopplung:   $C_{\rm QPSK}( E_{\rm B}/{N_0}) = 2 \cdot C_{\rm BPSK}( E_{\rm B}/{N_0})$.
Zusätzlich durch eine Verschiebung nach rechts.
Zusätzlich durch eine Verschiebung nach links.
$C_{\rm QPSK}( E_{\rm B}/{N_0})$  kann man aus  $C_{\rm BPSK}( E_{\rm B}/{N_0})$   nicht konstruieren.

3

Welcher Zusammenhang besteht zu den Shannon–Grenzkurven?

Es gilt   $C_{\rm BPSK}( E_{\rm B}/{N_0}) \le C_{\rm 1}( E_{\rm B}/{N_0})$.
Es gilt   $C_{\rm BPSK}( E_{\rm B}/{N_0}) \le C_{\rm 2}( E_{\rm B}/{N_0})$.
Es gilt   $C_{\rm QPSK}( E_{\rm B}/{N_0}) \le C_{\rm 1}( E_{\rm B}/{N_0})$.
Es gilt   $C_{\rm QPSK}( E_{\rm B}/{N_0}) \le C_{\rm 2}( E_{\rm B}/{N_0})$.

4

Wie lässt sich  $C_{\rm QPSK}( E_{\rm S}/{N_0})$  aus  $C_{\rm BPSK}( E_{\rm S}/{N_0})$  konstruieren?

Durch Verdopplung:   $C_{\rm QPSK}( E_{\rm S}/{N_0}) = 2 \cdot C_{\rm BPSK}( E_{\rm S}/{N_0})$.
Zusätzlich durch eine Verschiebung nach rechts.
Zusätzlich durch eine Verschiebung nach links.
$C_{\rm QPSK}( E_{\rm S}/{N_0})$  kann man aus  $C_{\rm BPSK}( E_{\rm S}/{N_0})$  nicht konstruieren.


Musterlösung

QPSK– und 4–QAM–Signalraumkonstellation

(1)  Die Grafik zeigt die Signalraumkonstellationen für

  • Quaternary Phase Shift Keying (QPSK), und
  • vierstufige Quadraturamplitudenmodulation (4–QAM).


Letztere wird auch als π/4–QPSK bezeichnet. Beide sind aus informationstheoretischer Sicht identisch ⇒ Antwort NEIN.


(2)  Richtig ist der Lösungsvorschlag 1:

  • Die 4–QAM kann man als zwei BPSK–Konstellationen in orthogonalen Ebenen betrachten, wobei die Energie pro Informationsbit (EB) in beiden Fällen gleich ist.
  • Da entsprechend der Teilaufgabe (1) die 4–QAM mit der QSPK identisch ist, gilt tatsächlich:
$$C_{\rm QPSK}( E_{\rm B}/{N_0}) = 2 \cdot C_{\rm BPSK}( E_{\rm B}/{N_0}).$$

(3)  In der unteren Grafik sind die beiden angegebenen Shannon–Grenzkurven zusammen mit CBPSK(EB/N0) und CQPSK(EB/N0) skizziert:

Vier Kapazitätskurven mit unterschiedlichen Aussagen
$$C_1( E_{\rm B}/{N_0}) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { 2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}) ,$$
$$C_2( E_{\rm B}/{N_0}) = {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { R \cdot E_{\rm B}}{N_0}) .$$

Man erkennt aus dieser Skizze:

  • Die grün–gestrichelte Kurve C1(EB/N0) gilt für den AWGN–Kanal mit gaußverteiltem Eingang. Für die Coderate R =1 sind nach dieser Kurve 10 · lg(EB/N0) = 1.76 dB erforderlich. Für R = 2 benötigt man dagegen 10 · lg(EB/N0) = 5.74 dB.
  • Die blau–gestrichelte Kurve C2(EB/N0) gibt die Shannon–Grenze für K = 2 parallele Gaußkanäle an. Hier benötigt man 10 · lg(EB/N0) = 0 dB für R = 1 bzw. 10 · lg(EB/N0) = 1.76 dB für R = 2.
  • Die eindimensionale BPSK liegt im gesamten Bereich unterhalb von C1 und damit natürlich auch unterhalb von C2 > C1.
  • Die zweidimensionale QPSK liegt erwartungsgemäß unter der für sie relevanten Grenzkurve C2. Sie liegt aber im unteren Bereich (bis nahezu 6 dB) oberhalb von C1.

⇒   Richtig sind also die Lösungsvorschläge 1, 2 und 4.


(4)  Die CQPSK(ES/N0)–Kurve kann ebenfalls aus CBPSK(ES/N0) konstruiert werden und zwar

  • zum einen durch Verdopplung:
$$C_{\rm BPSK}(10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}E_{\rm S}/{N_0}) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 2 \cdot C_{\rm BPSK}(10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}E_{\rm S}/{N_0}) ,$$
  • sowie durch eine Verschiebung um 3 dB nach rechts:
$$C_{\rm QPSK}(10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}E_{\rm S}/{N_0}) = 2 \cdot C_{\rm BPSK}(10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}E_{\rm S}/{N_0} - 3\,{\rm dB}) .$$

Richtig sind die beiden ersten Lösungsvorschläge, wobei der zweite Vorschlag berücksichtigt, dass bei QPSK die Energie in einer Dimension nur ES/2 beträgt.