[論文レビュー] Implementation of ASK, FSK and PSK with BER vs. SNR comparison over AWGN channel

Subrato Bharati, Mohammad Atikur Rahman+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2020

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、MATLABを用いて、加法性白色ガウスノイズ（AWGN）チャネル上での、アマチュアシフトキーイング（ASK）、周波数シフトキーイング（FSK）、位相シフトキーイング（PSK）の3つの変調方式のビット誤り率（BER）性能を実装および比較している。PSKが全SNRレベルにおいて最も優れたBER性能を示し、次にFSK、その後にASKの順に性能が劣ることを示しており、各方式のBER曲線は明確にSNR依存の誤り劣化を示している。

ABSTRACT

This paper mainly discusses about three basic digital modulation process ASK, FSK, PSK. These modulation schemes can be characterized by their transmitted symbols which consist of a discrete set of values occurring at gradually spaced intervals. The selection of a digital modulation technique for a specific application depend not only the bandwidth efficiency and implementation complexity but also error rate occurred in a bit (BER) and signal to noise ratio. Binary modulation methods use two level symbols and are facile to implement, provide good error substantiation. BER is a key parameter that used for assessing systems that transmit signal data from one location to another. SNR is well known measure of how the signal and noise power compare against each other. It directly affects the probability of error performance of a system. In this paper, we have implemented ASK, FSK and PSK using MATLAB. Cosine signal has been used as a carrier wave. In this paper, a comparative exploration of BER performance of ASK, FSK and PSK for channel utilization is proposed and the investigation are carried out with SNR over AWGN channel as the reference factor.

研究の動機と目的

• アマチュアシフトキーイング（ASK）、周波数シフトキーイング（FSK）、位相シフトキーイング（PSK）の3つの一般的なデジタル変調方式のビット誤り率（BER）性能を評価および比較すること。
• 加法性白色ガウスノイズ（AWGN）チャネル環境下で、BERが信号対雑音比（SNR）にどのように変化するかを分析すること。
• 教育的および分析的目的のために、MATLABを用いたASK、FSK、PSKの実装を提供すること。
• 同一のチャネル条件下で、各変調方式の相対的な誤り耐性を特定すること。
• 実装の複雑さ、帯域効率、誤り性能のトレードオフを定量化することで、システム設計意思決定を支援すること。

提案手法

• 研究では、MATLABを用いて、ASK、FSK、PSK変調手法を用いたバイナリデータのベースバンド伝送をシミュレートする。
• 変調プロセスにはコサインキャリア波が使用され、それぞれの変調信号が生成される。
• シミュレートされた信号は、指定されたSNRレベルに応じてノイズが追加されるAWGNチャネルを介して送信される。
• 受信機ではコherent検出が実施され、送信ビットを回復するために一致フィルタリングまたは相関ベースの復調が適用される。
• 複数のSNR値において、送信ビット列と受信ビット列を比較してBERを計算する。
• 3つの変調方式の性能を視覚的および定量的に比較できるように、BER性能曲線をSNRに対してプロットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AWGNチャネル上での、ASK、FSK、PSKのビット誤り率（BER）は、信号対雑音比（SNR）が上昇するにつれてどのように変化するか？
• RQ2 ASK、FSK、PSKの3つの変調方式の中で、テストされたSNR範囲内で最も低いBERを示すのはどれか？
• RQ3 同一のチャネルおよびシステム条件下で、ASK、FSK、PSKの相対的な誤り性能順位は何か？
• RQ4 AWGN環境下で、各変調方式の実装の複雑さと誤り耐性はどのように比較できるか？
• RQ5 変調フォーマットの選択が、ノイズの多い環境下でのデジタル通信システムの信頼性に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• PSKは全SNRレベルで最小のビット誤り率（BER）を示しており、ASKおよびFSKと比較して優れた誤り耐性を示している。
• FSKは、特に低〜中程度のSNR値において、周波数ダイバーシティの利点によりASKよりも優れたBER性能を示している。
• ASKは、特に低SNRにおいて、振幅がノイズに敏感であるため、3つの方式の中で最も高いBERを示している。
• 3方式のBER曲線とも、SNRが上昇するにつれて単調に減少しており、SNRと誤り確率の逆関係が期待通りに確認された。
• シミュレーション結果は理論的期待と一致しており、PSKがAWGNチャネルにおいて最も頑健な変調方式であり、次にFSK、その後にASKの順に性能が劣ることが確認された。
• MATLABベースの実装により、期待されるBER対SNRのトレンドが正確に再現されており、シミュレーションモデルの正確性が検証された。