[논문 리뷰] Implementation of ASK, FSK and PSK with BER vs. SNR comparison over AWGN channel

Subrato Bharati, Mohammad Atikur Rahman외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 10.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 MATLAB를 사용하여 가우시안 노이즈가 첨가된 가우시안 백색 잡음(AWGN) 채널에서 ASK, FSK, PSK 변조 방식의 비트 오류율(BER) 성능을 구현하고 비교한다. PSK는 모든 SNR 수준에서 가장 우수한 BER 성능를 보이며, 그 다음으로 FSK, 그 다음으로 ASK의 순서로 성능가능성이 나타나며, 각 방식의 BER 곡선은 명확하게 SNR에 따라 오차가 증가하는 경향을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 암호화된 디지털 변조 방식인 진폭이동키(Keying, ASK), 주파수이동키(Keying, FSK), 위상이동키(Keying, PSK)의 비트 오류율(BER) 성능을 평가하고 비교하는 것.
• 가우시안 백색 잡음(AWGN) 채널 환경에서 BER가 신호대잡음비(SNR)에 따라 어떻게 변화하는지 분석하는 것.
• 교육적 및 분석적 목적을 위해 MATLAB를 사용하여 ASK, FSK, PSK의 실용적 구현을 제공하는 것.
• 동일한 채널 조건 하에서 각 변조 기법의 상대적 오류 내성(저항력)을 규명하는 것.
• 실행 복잡성, 대역폭 효율성, 오류 성능 간의 상호 교환 관계를 정량화하여 시스템 설계 결정을 지원하는 것.

제안 방법

• 연구는 MATLAB을 사용하여 이진 데이터의 기저대역 전송을 ASK, FSK, PSK 변조 기법을 통해 시뮬레이션한다.
• 변조 과정에서 코사인 캐리어 웨이브가 사용되어 각각의 변조된 신호를 생성한다.
• 시뮬레이션된 신호는 AWGN 채널을 통해 전송되며, 지정된 SNR 수준에 따라 노이즈가 첨가된다.
• 수신기는 동기 검파를 수행한다: 전송된 비트를 복원하기 위해 매치드 필터링 또는 상관 기반 복조가 적용된다.
• 다양한 SNR 값에 대해 전송된 비트 시퀀스와 검출된 비트 시퀀스를 비교하여 BER을 계산한다.
• 세 가지 변조 방식 간의 시각적 및 정량적 비교를 가능하게 하기 위해 BER 성능 곡선을 SNR에 대해 플롯한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AWGN 채널에서 신호대잡음비(SNR)가 증가함에 따라 ASK, FSK, PSK의 비트 오류율(BER)은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 세 가지 변조 방식 중에서 테스트된 SNR 범위에서 가장 낮은 BER를 보이는 것은 무엇인가?
• RQ3 동일한 채널 및 시스템 조건 하에서 ASK, FSK, PSK의 상대적 오류 성능 순위는 어떻게 되는가?
• RQ4 AWGN 환경에서 각 변조 기법의 구현 복잡성과 오류 내성은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 변조 형식의 선택이 노이즈가 많은 환경에서 디지털 통신 시스템의 신뢰성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• PSK는 모든 SNR 수준에서 가장 낮은 비트 오류율(BER)을 보이며, ASK 및 FSK보다 우수한 오류 내성을 나타낸다.
• FSK는 주로 저수준에서 중간 수준의 SNR 범위에서 ASK보다 우수한 BER 성능를 보이며, 주파수 다양성의 이점 덕분이다.
• ASK는 특히 저 SNR에서 노이즈에 대한 진폭 민감도로 인해 세 가지 방식 중 가장 높은 BER를 보인다.
• 세 방식의 BER 곡선은 모두 SNR가 증가함에 따라 단조롭게 감소하는 경향을 보이며, 이는 SNR과 오류 확률 간의 기대되는 반비례 관계를 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 기대와 일치하며, PSK가 AWGN 채널에 가장 강건한 변조 방식이며, 그 다음으로 FSK, 그 다음으로 ASK임을 확인한다.
• MATLAB 기반의 구현은 기대되는 BER 대 SNR 경향을 성공적으로 재현하여 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증한다.