[论文解读] 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 4

一句话总结

本文使用 MATLAB 在加性白高斯噪声（AWGN）信道中实现并比较了振幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相位移键控（PSK）调制方案的误比特率（BER）性能。结果表明，PSK 在所有信噪比（SNR）水平下均表现出最佳的 BER 性能，其次为 FSK，最后是 ASK，各方案的 BER 曲线均显示出明显的 SNR 依赖性误码劣化。

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.

研究动机与目标

• 评估并比较三种常见数字调制方式——振幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相位移键控（PSK）——的误比特率（BER）性能。
• 分析在加性白高斯噪声（AWGN）信道环境中，BER 如何随信噪比（SNR）变化。
• 通过 MATLAB 实现 ASK、FSK 和 PSK 的实际应用，以支持教学与分析目的。
• 在相同信道条件下，确定每种调制技术的相对抗错能力。
• 通过量化实现复杂度、频谱效率与误码性能之间的权衡，为系统设计决策提供支持。

提出的方法

• 本研究使用 MATLAB 模拟使用 ASK、FSK 和 PSK 调制技术的基带数据传输。
• 调制过程中采用余弦载波波形，生成相应的调制信号。
• 将模拟信号通过 AWGN 信道传输，噪声根据指定的 SNR 水平添加。
• 接收端执行相干检测：应用匹配滤波或基于相关性的解调方法以恢复发送的比特。
• 通过在多个 SNR 值下比较发送与检测的比特序列来计算 BER。
• 绘制 BER 性能曲线与 SNR 的关系，以实现对三种调制方案的可视化与定量比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 AWGN 信道中，ASK、FSK 和 PSK 的误比特率（BER）如何随信噪比（SNR）的增加而变化？
• RQ2 在测试的 SNR 范围内，ASK、FSK 和 PSK 三种调制方式中，哪一种表现出最低的 BER？
• RQ3 在相同信道与系统条件下，ASK、FSK 和 PSK 的相对误码性能排名如何？
• RQ4 在 AWGN 环境中，各调制方式的实现复杂度与抗错能力如何比较？
• RQ5 调制格式的选择在多大程度上影响了噪声环境中数字通信系统的可靠性？

主要发现

• PSK 在所有 SNR 水平下均表现出最低的误比特率（BER），表明其相比 ASK 和 FSK 具有更优的抗错能力。
• FSK 在低至中等 SNR 值下表现出优于 ASK 的 BER 性能，这得益于其频率分集优势。
• ASK 在三种方案中 BER 最高，尤其在低 SNR 时，这是由于其对噪声的幅度敏感性所致。
• 三种方案的 BER 曲线均随 SNR 增加而单调下降，证实了 SNR 与误码概率之间预期的反比关系。
• 仿真结果验证了理论预期：PSK 是 AWGN 信道中最鲁棒的调制方式，其次为 FSK，最后是 ASK。
• 基于 MATLAB 的实现成功复现了预期的 BER 与 SNR 趋势，验证了仿真模型的准确性。