1
Combined Linear & Constant Envelope Modulation
    M-ary modulation: digital baseband data sent by varying RF carrier’s
(i)   envelope  ( eg. MASK)
(ii)  phase /frequency ( eg. MPSK, MFSK)
(iii) envelope & phase  offer 2 degrees of freedom ( eg. MQAM)
(i) n bits encoded into 1 of M symbols,  2n
(iii) a signal, si(t) , sent during each symbol period, T=  n.Tb
(ii) each symbol mapped to signal si(t), M possible signals:
s1(t),…,sM(t)
2
M-ary modulation is useful in bandlimited channels
 greater B  log2M
 significantly higher BER
- smaller distances in constellation
- sensitive to timing jitter
MPSK
MQAM
MFSK
OFDM
Combined Linear & Constant Envelope Modulation
3
Mary Phase Shift Keying
Carrier phase takes 1 of M possible values – amplitude constant
i = 2(i-1)/M,       i = 1,2,…M
Modulated waveform:
          si(t) =
 
            0  t Ts,      i = 1,2,…M
 Es = log2MEb
energy per symbol
 Ts = log2MTb
symbol period
written in quadrature form as:
 si(t) =
for i = 1,2,…M
2
Ts
Basis Signal ?
4
 1(t) =
defined over 0    Ts
 2(t) =
       Orthogonal basis signals
 sMPSK(t) =
i = 1,2,…M
MPSK signal can be expressed as
Mary Phase Shift Keying
5
 MPSK basis has 2 signals  2 dimensional constellation
 M-ary message points equally spaced on circle with radius
 MPSK is constant envelope when no pulse shaping is used
2(t)
1(t)
MPSK signal can be
 coherently detected
 = Arctan(Y/X)
Minimum |  |
 non-coherent detected
  with differential encoding
Mary Phase Shift Keying
6
Probability of symbol error in AWGN channel – using
distance between adjacent symbols as
Pe 
Pe 
When differentially encoded & non-coherently detected,
 Pe estimated for M  4 as:
Pe = average symbol error probability in AWGN channel
Mary Phase Shift Keying
 2 Q
4 Es
No
sin
2M
7
Power Spectrum of MPSK
Ts = Tblog2M
- Ts = symbol duration
- Tb = bit duration
PMPSK(f) =
PMPSK(f) =
Ps(f) = ¼ { Pg(f-fc) + Pg( -f-fc) }
8
Increase in M with
Rb held constant
 Bnull decreases
    B increases
 denser constellation
    higher BER
normalized PSD (dB)
  fc-½Rb           fc-¼Rb            fc                  fc+¼Rb        fc+½Rb
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
fc-⅔Rb                   fc-⅓Rb                                                         fc+⅓Rb                        fc+⅔Rb
PSD for M = 8 & M = 16
rect pulses
RCF
9
M
2
4
8
16
32
64
= Rb/Bnull
0.5
1.0
1.5
2
2.5
3
Eb/N0  (dB)
10.5
10.5
14.0
18.5
23.4
28.5
 B   = bandwidth efficiency
 Rb  = bit rate
 Bnull = 1st null bandwidth
 Eb/N0  for BER = 10-6
MPSK Bandwidth Efficiency vs Power Efficiency
bandwidth efficiency & power efficiency assume
 Ideal Nyquist Pulse Shaping (RC filters)
 AWGN channel without timing jitter or fading
10
Advantages:
Bandwidth efficiency increases with M
Drawbacks:
Jitter & fading cause large increase in BER as M increases
 EMI & multipath alter instantaneous phase of signal
– cause error at detector
 Receiver design also impacts BER
Power efficiency reduces for higher M
MPSK in mobile channels require Pilot Symbols or Equalization
Mary Phase Shift Keying
11
 allows amplitude & phase to vary
 general form of M-ary QAM signal given by
Emin = energy of signal with lowest amplitude
ai, bi = independent integers related to location of signal point
Ts = symbol period
 energy per symbol / distance between adj. symbols isn’t constant 
   probability of correct symbol detection is not same for all symbols
 Pilot tones used to estimate channel effects
 0   t   Ts      i = 1,2,…M
 si(t) =
Mary- Quadrature Amplitude Modulation
12
Assuming rectangular pulses  - basis functions given by
 1(t) =
   Ts
 2(t) =
   Ts
(ai, bi) = element in L2 matrix, where  L =
 coordinates of ith message point  =
and
ai1(t)   +            bi2(t)
 si(t) =
 0   t   Ts      i = 1,2,…M
QAM signal given by:
Mary- Quadrature Amplitude Modulation
13
{ai,bi} =
e.g. let M = 16, then {ai,bigiven based on
ai1(t)   +            bi2(t)
1(t) +           2(t)
 s11(t) = -3                    3
 0   t   Ts
1(t)   +            2(t)
 s21(t) = -3
 0   t   Ts
Mary- Quadrature Amplitude Modulation
14
QAM: modulated signal ishybrid of phase & amplitudemodulation
 each message point
   corresponds to a quadbit
 
Es is not constant – requireslinear channel
 -1.5          -0.5           0.5           1.5
2(t)
1(t)
1.5
0.5
0
-0.5
-1.5
 1011
1010
 0001
 0011
 1001
 1000
 0000
 0010
 1110
 1100
 0100
 0101
 1111
 1101
 0110
 0111
16 ary- Quadrature Amplitude Modulation
15
ai1(t)   +            bi2(t)
{ai,bi} =
In general, for any M = L2
Mary- Quadrature Amplitude Modulation
16
Pe 
In terms of average energy, Eav
 Power Spectrum & Bandwidth Efficiency of QAM = MPSK
 Power Efficiency of QAM is better than MPSK
The average error probability, Pe for M-ary QAM is approximated by
Pe 
 assuming coherent detection
 AWGN channel
 no fading, timing jitter
Mary- Quadrature Amplitude Modulation
17
28
5
1024
33.5
24
18.5
15
10.5
Eb/N0  (BER = 10-6)
6
4
3
2
1
= Rb/Bnull
4096
256
64
16
4
M
M-ary QAM - Bandwidth Efficiency & Power Efficiency
 Assume Optimum RC filters in AWGN
 Does not consider fading, jitter, - overly optimistic
Mary- Quadrature Amplitude Modulation
18
MFSK  - transmitted signals defined as
 0  t Ts,    i = 1,2,…M
 si(t) =
 fc = nc/2Ts
 nc = fixed integer
Each of M signals have
 equal energy
 equal duration
 adjacent sub carrier frequencies separated by 1/2Ts Hz
 sub carriers are orthogonal to each other
          0  t Ts,    i = 1,2,…M
 si(t) =
Mary Frequency Shift Keying
19
MFSK coherent detection - optimum receiver
 receiver  has bank of M correlators or matched filters
 each correlator tuned to 1 of M distinct carrier frequencies
 average probability of error, Pe (based on union bound)
Pe 
Mary Frequency Shift Keying
20
MFSK non-coherent detection
 using matched filters followed by envelope detectors
 average probability of error, Pe
Pe =
Pe 
bound Pe   use leading terms of binomial expansion
Mary Frequency Shift Keying
21
MFSK Channel Bandwidth
Coherent detection
B =
Impact of   increasing M on MFSK performance
bandwidth efficiency (B) of MFSK decreases
 MFSK signals are bandwidth inefficient (unlike MPSK)
power efficiency (P) increases
 with M orthogonal signals  signal space is not crowded
 power efficient non-linear amplifiers can be used without
  performance degradation
Non-coherent detection
B =
22
7.5
0.29
32
6.9
8.2
9.3
10.8
13.5
Eb/N0  (BER = 10-6)
0.18
0.42
0.55
0.57
0.4
= Rb/Bnull
64
16
8
4
2
M
Coherent M-ary FSK - Bandwidth Efficiency & Power Efficiency
28
5
1024
33.5
24
18.5
15
10.5
Eb/N0  (BER = 10-6)
6
4
3
2
1
= Rb/Bnull
4096
256
64
16
4
M
M-ary QAM - Bandwidth Efficiency & Power Efficiency
23
Summary of M-ary modulation in  AWGN Channel
0  4   8        16                32                                        64    M
B
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
MPSK/QAM
Coherent MFSK
0  4   8        16                32                                        64   M
  30
25
20
15
10
5
0
MPSK
QAM
Coherent MFSK
EB/N0
(BER = 10-6)
24
Shannon Limit:
 Most schemes are away from  Eb/N0  of 1.6 dB by 4dB or more
 FEC helps to get closer to Shannon limit
 FSK allows exchange of BW efficiency for power efficiency
log10  Eb/ N0
-3       -2        -1      0        1        2        3    log2 C/B
15
12
9
6
3
Error Free Region
   16 PSK
BD10300_
   16 QAM
BD10300_
   4 PSK/QAM
BD10300_
   BPSK
BD10300_
4 FSK
BD10299_
16 FSK
BD10299_
BFSK
BD10299_
-1.6dB
25
Power Efficiency Eb/N0 energy used by a bit for detection
B =
Bandwidth Efficiency
Power & BW Efficiency
26
 if  B log2(1+ S/N)   error free communication is possible
 if C > B log2(1+ S/N)  some errors will occur
 assumes only AWGN (ok if BW << channel center frequency)
 in practice < 3dB (50%) is feasible
S = Ebis the average signal power (measured @ receiver)
N = BN0 is the average noise power
Eb = STb is the average received bit energy at receiver
N0 =  kT  (Watts Hz–1) is the noise power density (Watts/Hz),
   - thermal noise in 1Hz bandwidth in any transmission line
Power & BW Efficiency