Aufgabe 4.12Z: Nochmals 4–QAM–Systeme
Die Grafik (A) zeigt das Phasendiagramm der 4–QAM nach dem Matched–Filter, wobei eine bei AWGN–Rauschen optimale Realisierungsform gewählt wurde:
- rechteckförmiger Sendegrundimpuls der Symboldauer $T$,
- rechteckförmige Impulsantwort des Matched-Filters gleicher Breite $T$.
Alle hier dargestellten Phasendiagramme – sowohl (A) als auch (B) und (C) – beziehen sich ausschließlich auf die Detektionszeitpunkte. Die Übergänge zwischen den einzelnen zeitdiskreten Punkten sind in diesem Phasendiagrammen dagegen nicht eingezeichnet.
Es liegt hier ein AWGN–Kanal mit $10 · \lg E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ vor. Entsprechend gilt für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit des zunächst betrachteten Systems (A):
- $$p_{\rm B} = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right )\hspace{0.05cm}.$$
Die Phasendiagramme (B) und (C) gehören zu zwei Systemen, bei denen die 4–QAM nicht optimal realisiert wurde. Auch bei diesen ist jeweils AWGN–Rauschen mit $10 · \lg E_{\rm B}/N_0 = 9 \ \rm dB$ vorausgesetzt.
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Quadratur–Amplitudenmodulation.
- Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite Nyquist- und Wurzel-Nyquist-Systeme in diesem Kapitel.
- Weitere hilfreiche Informationen erfahren Sie im Kapitel Eigenschaften von Nyquistsystemen des Buches „Digitalsignalübertragung”.
- [Kam04] verweist auf das empfehlenswert Fachbuch „Kammeyer, K.D.: Nachrichtenübertragung. Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004”.
- Energien sind in $\rm V^2s$ anzugeben; sie beziehen sich somit auf den Bezugswiderstand $R = 1 \ \rm \Omega$.
- Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
Hinweis: Die Aufgabe bezieht sich auf das Themengebiet von Kapitel 4.3. Die Kreuze in den Grafiken markieren mögliche Punkte in den Phasendiagrammen, wenn kein AWGN–Rauschen vorhanden wäre. Als eine hinreichend gute Näherung für das komplementäre Gaußsche Fehlerintegral können Sie verwenden: $${\rm erfc}(x) \approx \frac{1}{\sqrt{\pi}\cdot x} \cdot {\rm e}^{-x^2}.$$
Fragebogen
Musterlösung
2. Richtig ist der Lösungsvorschlag 1. Aufgrund eines Phasenversatzes um $Δϕ_T = 30°$ wurde das Phasendiagramm gedreht.
3. Insbesondere an den Kreuzen im Phasendiagramm (C), die den rauschfreien Fall markieren, erkennt man den Einfluss von Impulsinterferenzen. Anstelle des optimalen Empfangsfilters mit rechteckförmiger Impulsantwort wurde hier ein Gaußtiefpass mit der (normierten) Grenzfrequenz $f_G · T = 0.6$ verwendet, der Impulsinterferenzen bewirkt. Richtig ist hier der Lösungsvorschlag 2.
4. Die Systeme (B) und (C) sind nicht optimal. Daraus ist bereits ersichtlich, dass die Aussage 1 nicht zutrifft, sondern die Aussage 2. Jedes 4–QAM–System, das
- dem Matched–Filter–Prinzip folgt und
- zusätzlich die erste Nyquistbedingung erfüllt,
besitzt die vorne angegebene Fehlerwahrscheinlichkeit $$p_{\rm B} = {\rm Q}\left ( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ) = {1}/{2}\cdot {\rm erfc}\left ( \sqrt{{E_{\rm B}}/{N_0 }} \hspace{0.1cm}\right ).$$ Die so genannte „Wurzel–Nyquist–Konfiguration”, die zum Beispiel in der Aufgabe A4.11 behandelt wurde, hat somit die genau gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit wie das System (A) und auch das gleiche Phasendiagramm zu den Detektionszeitpunkten. Die Übergänge zwischen den einzelnen Punkten sind jedoch unterschiedlich.
Auch die dritte Aussage ist zutreffend. Man erkennt bereits aus dem Phasendiagramm von System (B) Fehlentscheidungen und zwar immer dann, wenn Punkte farblich nicht zu den Quadranten passen. Die Ergebnisse einer Systemsimulation bestätigen diese Aussage:
- $System (A): p_B ≈ 0.33 · 10^{–4}$ (siehe Teilaufgabe a),
- $System (B): p_B ≈ 0.35 · 10^{–1},$
- $System (C): p_B ≈ 0.24 · 10{–3}.$
Die Fehlerwahrscheinlichkeiten von System (B) und System (C) werden im Kapitel 1.5 des Buches „Digitalsignalübertragung” hergeleitet.
