Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2: ISDN and PCM"

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{{quiz-Header|Buchseite=Beispiele von Nachrichtensystemen/Allgemeine Beschreibung von ISDN
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{{quiz-Header|Buchseite=Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN
 
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[[File:P_ID1578__Bei_A_1_2.png|right|frame|Komponenten des PCM-Senders]]
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[[File:P_ID1578__Bei_A_1_2.png|right|frame|Components of the PCM transmitter]]
Die Umwandlung des analogen Sprachsignals  $q(t)$  in das Binärsignal  $q_{\rm C}(t)$  geschieht bei ISDN  (''Integrated Services Digital Network'')  entsprechend den Richtlinien der Pulscodemodulation (PCM) durch
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The conversion of the analog voice signal  $q(t)$  into the binary signal  $q_{\rm C}(t)$  is done at ISDN  (''Integrated Services Digital Network'')  according to the guidelines of pulse code modulation (PCM) by
*Abtastung im Abstand  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
+
*sampling in the interval  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
*Quantisierung auf  $M = 256$  diskrete Werte,
+
*quantization to  $M = 256$  discrete values,
*binäre PCM–Codierung mit  $N$  Bit pro Quantisierungswert.
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*binary PCM coding with  $N$  bits per quantization value.
  
  
Die Netto–Datenrate eines so genannten  $\rm B$–Kanals  (''Bearer Channel'') ist  $64 \ \rm kbit/s$  und entspricht der Bitrate des redundanzfreien Binärsignals  $q_{\rm C}(t)$. Wegen der anschließenden redundanten Kanalcodierung und der eingefügten Signalisierungsbits ist allerdings die Brutto–Datenrate also die Übertragungsrate des Sendesignals  $s(t)$  – größer.
+
The net data rate of a so-called  $\rm B$ channel  (''Bearer Channel'') is  $64 \ \rm kbit/s$  and corresponds to the bit rate of the redundancy-free binary signal  $q_{\rm C}(t)$. However, because of the subsequent redundant channel coding and the inserted signaling bits, the gross data rate i.e., the transmission rate of the transmitted signal  $s(t)$  – is greater.
  
  
Ein Maß für die Qualität des gesamten (ISDN–)Übertragungssystems ist das Sinken–SNR
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A measure for the quality of the entire (ISDN) transmission system is the sink SNR
 
:$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$
 
:$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$
  
als das Verhältnis der Leistungen des auf den Bereich  $300 \ {\rm Hz}\  \text{...}\  3400 \ {\rm Hz}$  bandbegrenzten Analogsignals  $q(t)$  und des Fehlersignals  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.  
+
as the ratio of the powers of the analog signal  $q(t)$  bandlimited to the range  $300 \ {\rm Hz}\  \text{...}\  3400 \ {\rm Hz}$  and the error signal  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.  
  
Für das Sinkensignal  $v (t)$  wird hierbei eine ideale Signalrekonstruktion mit einem idealen rechteckförmigen Tiefpass vorausgesetzt.
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An ideal signal reconstruction with an ideal rectangular low-pass filter is assumed here for the sink signal  $v (t)$.   
  
  
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''Hinweis:''  
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''Notes:''  
*Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel  [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|Allgemeine Beschreibung von ISDN]] dieses Buches.
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*The exercise refers to the chapter  [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN|"General Description of ISDN"]] of this book.
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel  [[Modulation_Methods/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]]  des Buches „Modulationsverfahren”.
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*Reference is also made to the chapter  [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]]  of the book "Modulation Methods".
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Mit wievielen Bit&nbsp; $(N)$&nbsp; wird jeder (quantisierte) Abtastwert repräsentiert?
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{With how many bits&nbsp; $(N)$&nbsp; is each (quantized) sample represented?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N \ = \ $ { 8 3% }  
 
$N \ = \ $ { 8 3% }  
  
{Wie groß ist die Abtastrate&nbsp; $f_{\rm A} $?
+
{What is the sampling rate&nbsp; $f_{\rm A} $?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $ \ \rm kHz $
 
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $ \ \rm kHz $
  
{Ist damit das Abtasttheorem erfüllt?
+
{Does this satisfy the sampling theorem?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Ja,
+
+ Yes,
- nein.
+
- no.
  
{Ist das Sinken–SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; bei ISDN durch folgende Effekte begrenzt?
+
{Is the sink SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; at ISDN limited by the following effects?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Abtastung (falls Abtasttheorem erfüllt),
+
- Sampling (if sampling theorem is satisfied),
+ AWGN–Rauschen (Übertragungsfehler).
+
+ AWGN noise (transmission error).
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Die Quantisierungsstufenzahl&nbsp; $M$&nbsp; wird meist als Zweierpotenz gewählt und für die Bitanzahl&nbsp; $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.  
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'''(1)'''&nbsp; The quantization level number&nbsp; $M$&nbsp; is usually chosen as a power of two and for the number of bits&nbsp; $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.  
*Aus&nbsp; $M = 2^{8} = 256$&nbsp; folgt&nbsp; $\underline{N = 8}$.
+
*From&nbsp; $M = 2^{8} = 256$&nbsp; follows&nbsp; $\underline{N = 8}$.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp;  Für die Bitrate gilt&nbsp; $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.  
+
'''(2)'''&nbsp;  For the bit rate,&nbsp; $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.  
*Aus&nbsp; $R_{\rm B} = 64 \ \rm  kbit/s$&nbsp; und&nbsp; $N = 8$&nbsp; erhält man somit&nbsp; $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.
+
*Thus, from&nbsp; $R_{\rm B} = 64 \ \rm  kbit/s$&nbsp; and&nbsp; $N = 8$,&nbsp; we get&nbsp; $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Durch die Bandbegrenzung ist die höchste im Signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; enthaltene Frequenz gleich&nbsp; $3.4 \ \rm kHz$.  
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'''(3)'''&nbsp;  Due to the bandwidth limitation, the highest frequency contained in the signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is equal to&nbsp; $3.4 \ \rm kHz$.  
*Nach dem Abtasttheorem müsste deshalb&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$&nbsp; gelten.  
+
*Therefore, according to the sampling theorem,&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$&nbsp; should hold.  
*Mit&nbsp;  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$&nbsp; ist die Bedingung erfüllt &nbsp; &rArr; &nbsp; $\underline {\rm JA}$.
+
*With&nbsp;  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$&nbsp; the condition is fulfilled &nbsp; &rArr; &nbsp; $\underline {\rm YES}$.
  
  
'''(4)'''&nbsp;  Richtig ist die <u>letzte Aussage</u>:
+
'''(4)'''&nbsp;  The <u>last statement</u> is correct:
*Auch wenn der Einfluss des AWGN–Rauschens gering ist $($kleine Rauschleistungsdichte&nbsp; $N_{0})$, kann das Sinken–SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; einen durch das Quantisierungsrauschen gegebenen Grenzwert nicht unterschreiten:
+
*Even if the influence of the AWGN noise is small $($small noise power density&nbsp; $N_{0})$, the sink SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; cannot fall below a limit given by the quantization noise:
 
:$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Bei größerer Rauschstörung wird&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; durch die dann vorhandenen Übertragungsfehler weiter (signifikant) verringert.  
+
*With larger noise interference,&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; is further (significantly) reduced by the transmission errors then present.
*Dagegen führt die Abtastung zu keinem Qualitätsverlust, wenn das Abtasttheorem eingehalten wird.  
+
*In contrast, sampling results in no loss of quality if the sampling theorem is obeyed.  
*Die Abtastung kann dann vollständig rückgängig gemacht werden, wenn das Quellensignal&nbsp; $q(t)$&nbsp; bandbegrenzt ist und die Signalrekonstruktion richtig dimensioniert ist:&nbsp;  idealer Tiefpass.  
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*Sampling can then be completely undone if the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is bandlimited and the signal reconstruction is correctly dimensioned:&nbsp;  ideal low-pass.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}

Revision as of 10:36, 2 October 2022

Components of the PCM transmitter

The conversion of the analog voice signal  $q(t)$  into the binary signal  $q_{\rm C}(t)$  is done at ISDN  (Integrated Services Digital Network)  according to the guidelines of pulse code modulation (PCM) by

  • sampling in the interval  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
  • quantization to  $M = 256$  discrete values,
  • binary PCM coding with  $N$  bits per quantization value.


The net data rate of a so-called  $\rm B$ channel  (Bearer Channel) is  $64 \ \rm kbit/s$  and corresponds to the bit rate of the redundancy-free binary signal  $q_{\rm C}(t)$. However, because of the subsequent redundant channel coding and the inserted signaling bits, the gross data rate – i.e., the transmission rate of the transmitted signal  $s(t)$  – is greater.


A measure for the quality of the entire (ISDN) transmission system is the sink SNR

$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$

as the ratio of the powers of the analog signal  $q(t)$  bandlimited to the range  $300 \ {\rm Hz}\ \text{...}\ 3400 \ {\rm Hz}$  and the error signal  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.

An ideal signal reconstruction with an ideal rectangular low-pass filter is assumed here for the sink signal  $v (t)$. 




Notes:


Questions

1

With how many bits  $(N)$  is each (quantized) sample represented?

$N \ = \ $

2

What is the sampling rate  $f_{\rm A} $?

$f_{\rm A} \ = \ $

$ \ \rm kHz $

3

Does this satisfy the sampling theorem?

Yes,
no.

4

Is the sink SNR  $\rho_{v}$  at ISDN limited by the following effects?

Sampling (if sampling theorem is satisfied),
AWGN noise (transmission error).


Solution

(1)  The quantization level number  $M$  is usually chosen as a power of two and for the number of bits  $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.

  • From  $M = 2^{8} = 256$  follows  $\underline{N = 8}$.


(2)  For the bit rate,  $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.

  • Thus, from  $R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s$  and  $N = 8$,  we get  $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.


(3)  Due to the bandwidth limitation, the highest frequency contained in the signal  $q(t)$  is equal to  $3.4 \ \rm kHz$.

  • Therefore, according to the sampling theorem,  $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$  should hold.
  • With  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$  the condition is fulfilled   ⇒   $\underline {\rm YES}$.


(4)  The last statement is correct:

  • Even if the influence of the AWGN noise is small $($small noise power density  $N_{0})$, the sink SNR  $\rho_{v}$  cannot fall below a limit given by the quantization noise:
$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • With larger noise interference,  $\rho_{v}$  is further (significantly) reduced by the transmission errors then present.
  • In contrast, sampling results in no loss of quality if the sampling theorem is obeyed.
  • Sampling can then be completely undone if the source signal  $q(t)$  is bandlimited and the signal reconstruction is correctly dimensioned:  ideal low-pass.