Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.10: SSB-AM with Channel Distortions"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Single-Sideband_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1045__Mod_A_2_9.png|right|frame|Sendespektrum des analytischen Signals und Kanalfrequenzgang]]
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[[File:P_ID1045__Mod_A_2_9.png|right|frame|Transmission spectrum of the analytical signal and channel frequency response]]
Wir betrachten die Übertragung des Quellensignals
+
Let us consider the transmission of the source signal
 
:$$q(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_2 t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_4 t)$$
 
:$$q(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_2 t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_4 t)$$
über einen Gauß–Bandpasskanal mit der Mittenfrequenz $f_{\rm M} = 48 \ \rm  kHz$. Diese unterscheidet sich von der bei der Modulation verwendeten Trägerfrequenz $f_{\rm T} = 50 \ \rm  kHz$. Die Frequenzen $f_2$ und $f_4$ stehen als Abkürzungen für $f = 2 \ \rm  kHz$ bzw. $f = 4 \ \rm  kHz$.
+
over a Gaussian bandpass channel with center frequency   $f_{\rm M} = 48 \ \rm  kHz$. 
 +
*This is different from the carrier frequency  $f_{\rm T} = 50 \ \rm  kHz$  used in modulation. 
 +
*The frequencies  $f_2$  and  $f_4$  stand for   $f = 2 \ \rm  kHz$  und  $f = 4 \ \rm  kHz$,  resp.
  
Untersucht werden sollen folgende Modulationsverfahren mit dem jeweiligen Spektrum $S_+(f)$ – des analytischen Signals – entsprechend der oberen Grafik:
 
* ZSB–AM (alle vier Spektrallinien bei $46 \ \rm  kHz$, $48 \ \rm  kHz$, $52 \ \rm  kHz$ und $54 \ \rm  kHz$),
 
*OSB–AM (nur blaue Spektrallinien bei $52 \ \rm  kHz$ und $54 \ \rm  kHz$),
 
* USB–AM (nur grüne Spektrallinien bei $46 \ \rm  kHz$ und $48 \ \rm  kHz$).
 
  
Verwendet wird jeweils ein Synchrondemodulator, der zunächst das empfängerseitige Trägersignal
+
We will now investigate the following modulation methods with respect to the spectrum  $S_+(f)$  of the analytical signal as shown in the upper graph:
:$$ z_{\rm E} (t) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot z(t) \\ 4 \cdot z(t) \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{bei}} \\ {\rm{bei}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\rm ZSB} \hspace{0.05cm}, \\ {\rm OSB, USB} \hspace{0.05cm} \\ \end{array}$$
+
* DSB–AM  $($all four spectral lines at  $46 \ \rm  kHz$,  $48 \ \rm  kHz$,  $52 \ \rm   kHz$  and  $54 \ \rm   kHz)$   ⇒   "double-sideband" ,
multiplikativ zusetzt und anschließend die Anteile um die doppelte Trägerfrequenz vollständig unterdrückt. Bei idealem Kanal $H_{\rm K}(f) = 1$ würde somit in allen Fällen $v(t) = q(t)$ gelten.
+
*USB–AM  $($only blue spectral lines at  $52 \ \rm   kHz$  and  $54 \ \rm   kHz)$  ⇒   "upper-sideband",
 +
*LSB–AM  $($only green spectral lines at  $46 \ \rm   kHz$  and  $48 \ \rm  kHz)$  ⇒   "lower-sideband".
  
Der hier betrachtete Gaußkanal ist durch folgende Stützwerte gegeben:
+
 
:$$ H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) = 0.968,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) = 1.000,$$
+
In each case,   a synchronous demodulator is used to first convert the receiver-side carrier signal
:$$ H_{\rm K}(f = 52\,{\rm kHz}) = 0.882,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 54\,{\rm kHz}) = 0.754\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ z_{\rm E} (t) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot z(t) \\ 4 \cdot z(t) \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\rm DSB} \hspace{0.05cm}, \\ {\rm USB, LSB} \hspace{0.05cm} \\ \end{array}$$
Schreiben Sie das Sinkensignal jeweils in der Form
+
by multiplication and then completely suppresses the components at twice the carrier frequency.   With an ideal channel  $H_{\rm K}(f) = 1$ ,  $v(t) = q(t)$  would hold in all cases.
 +
 
 +
The Gaussian channel considered here is given by the following auxiliary values:
 +
:$$ H_{\rm K}(f = 46\ {\rm kHz}) = 0.968,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 48\ {\rm kHz}) = 1.000,\hspace{0.3cm}
 +
H_{\rm K}(f = 52\ {\rm kHz}) = 0.882,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 54\ {\rm kHz}) = 0.754\hspace{0.05cm}.$$
 +
In each case,  write the sink signal in the form
 
:$$v(t) = A_2 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot (t - \tau_2)) + A_4 \cdot \cos(2 \pi f_4 \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$v(t) = A_2 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot (t - \tau_2)) + A_4 \cdot \cos(2 \pi f_4 \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$
Alle Berechnungen sind sowohl für eine perfekte Phasensynchronisation ($Δϕ_{\rm T} = 0$) als auch für einen Phasenversatz von $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$ durchzuführen. Dieser liegt zum Beispiel dann vor, wenn das sendeseitige Trägersignal cosinusförmig verläuft und für das empfangsseitige Trägersignal gilt:
+
All calculations are to be carried out for both a perfect phase synchronization  $(Δϕ_{\rm T} = 0)$  as well as for a phase offset of  $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$.  This is present,  for example,  if the transmit-side carrier signal is cosine-shaped and the receiver-side carrier is:
 
:$$ z_{\rm E} (t) = A_{\rm E} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 30^\circ) . $$
 
:$$ z_{\rm E} (t) = A_{\rm E} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 30^\circ) . $$
  
  
''Hinweise:''
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*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenbandmodulation]].
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*Bezug genommen wird aber auch auf das Kapitel   [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation|Synchrondemodulation]].
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Hints:  
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Single-Sideband_Modulation|Single-Sideband Modulation]].
 +
*Reference will also be made to the chapter    [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|Synchronous Demodulation]].
 +
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Berechnen Sie die Amplituden bei ''ZSB–AM'' und ''perfekter Synchronisation'' ($Δϕ_{\rm T} = 0$).
+
{Calculate the amplitudes for &nbsp; <u>double-sideband AM</u>&nbsp; and&nbsp; <u>perfect synchronization</u> &nbsp;$(Δϕ_{\rm T} = 0)$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$A_2 \ = \ $ { 1.882 3% } $\ \rm V$
 
$A_2 \ = \ $ { 1.882 3% } $\ \rm V$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.722 3% } $\ \rm V$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.722 3% } $\ \rm V$
  
{Wie lauten die Größen $A_2$ und $τ_2$ bei ''ZSB–AM'' und ''Phasenversatz'' ($Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$)?
+
{What are the values for &nbsp;$A_2$&nbsp; and &nbsp;$τ_2$&nbsp; for&nbsp; <u>double-sideband AM</u>&nbsp; and a&nbsp; <u>phase offset</u> &nbsp;$(Δϕ_{\rm T} = 30^\circ)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$A_2 \ = \ $ { 1.63 3% } $\ \rm V$  
 
$A_2 \ = \ $ { 1.63 3% } $\ \rm V$  
$τ_2 \hspace{0.25cm} = \ $ { 0. } $\ \rm μs$
+
$τ_2 \hspace{0.25cm} = \ $ { 0. } $\ \rm &micro; s$
  
{Berechnen Sie die Amplituden $A_2$ und $A_4$ bei ''OSB–AM'' und ''perfekter Synchronisation'' ($Δϕ_{\rm T} = 0$).
+
{Calculate the amplitudes&nbsp;$A_2$&nbsp; and &nbsp;$A_4$&nbsp; for&nbsp; <u>upper-sideband AM</u>&nbsp; and&nbsp; <u>perfect synchronization</u>&nbsp; $(Δϕ_{\rm T} = 0)$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$A_2 \ = \ $ { 1.764 3% } $\ \rm V$
 
$A_2 \ = \ $ { 1.764 3% } $\ \rm V$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.508 3% } $\ \rm V$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.508 3% } $\ \rm V$
  
{Geben Sie die Signalsamplituden für ''USB–AM'' und ''perfekter Synchronisation'' ($Δϕ_{\rm T} = 0$) an.
+
{Give the signal amplitudes for &nbsp; <u>lower-sideband AM</u>&nbsp; and&nbsp; <u>perfect synchronization</u> &nbsp;$(Δϕ_{\rm T} = 0)$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$A_2 \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
 
$A_2 \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.936 3% } $\ \rm V$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.936 3% } $\ \rm V$
  
{Wie lauten dagegen die Signalparameter bei ''USB–AM'' und ''Phasenversatz'' ($Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$)?
+
{In contrast,&nbsp; what are the signal parameters for&nbsp; <u>lower-sideband AM</u>&nbsp; and a&nbsp; <u>phase offset</u> &nbsp;$(Δϕ_{\rm T} = 30^\circ)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$A_2 \ = \ $  { 2 3% } $\ \rm V$
 
$A_2 \ = \ $  { 2 3% } $\ \rm V$
$τ_2 \hspace{0.25cm} = \ $  { 41.6 3% } $\ \rm μs$
+
$τ_2 \hspace{0.25cm} = \ $  { 41.6 3% } $\ \rm &micro; s$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.936 3% } $\ \rm V$
 
$A_4 \ = \ $ { 1.936 3% } $\ \rm V$
$τ_4 \hspace{0.25cm} = \ $ { 20.8 3% } $\ \rm μs$
+
$τ_4 \hspace{0.25cm} = \ $ { 20.8 3% } $\ \rm &micro;  s$
  
{Welche dieser Aussagen sind nach Ihren Ergebnissen zutreffend? Hierbei sollen unter „Kanalverzerrungen” stets Dämpfungsverzerrungen verstanden werden.
+
{Which of these statements are true given your results?&nbsp; Here,&nbsp; "channel distortions"&nbsp; should always be understood as a kind of attenuation distortion.  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Kanalverzerrung führt bei ZSB-AM zu Dämpfungsverzerrungen.
+
+ In&nbsp; "double-sideband AM",&nbsp; each channel distortion leads to attenuation distortions.
- Kanalverzerrung führt bei ESB–AM zu Phasenverzerrungen.
+
- In&nbsp; "single-sideband AM",&nbsp; each channel distortion leads to phase distortions.
- Ein Phasenversatz führt bei ZSB–AM zu Dämpfungsverzerrungen.
+
- In&nbsp; "double-sideband AM",&nbsp; a phase offset leads to attenuation distortions.
+ Ein Phasenversatz führt bei ESB–AM zu Phasenverzerrungen.
+
+ In&nbsp; "single-sideband AM",&nbsp; a phase offset leads to phase distortions.
 +
 
  
  
 +
</quiz>
  
 +
===Solution===
 +
{{ML-Kopf}}
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'''(1)'''&nbsp; For DSB–AM,&nbsp; the following attenuation factors are to be taken into account:
 +
:$$\alpha_2  =  {1}/{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 52\,{\rm kHz})\right] = 0.981,$$
 +
:$$\alpha_4  =  {1}{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 54\,{\rm kHz})\right] = 0.861\hspace{0.05cm}.$$
 +
*Thus,&nbsp; we get the amplitudes &nbsp; $A_2\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.882 \ \rm V}$&nbsp; and&nbsp; $A_4\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.722 \ \rm V}$.
  
  
 +
 +
'''(2)'''&nbsp; For DSB-AM,&nbsp; a phase offset between the carrier frequencies at transmitter and receiver, resp.,&nbsp; leads to one and the same attenuation for all frequencies:
 +
:$$A_2  =  \cos (30^\circ) \cdot 1.882\,{\rm V} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.630\,{\rm V}},$$
 +
:$$A_4  =  \cos (30^\circ) \cdot 1.722\,{\rm V} = 1.491\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
 +
*The delay times are &nbsp; $τ_2\hspace{0.15cm}\underline {= 0}$&nbsp; and&nbsp; $τ_4 = 0$.
 +
 +
 +
 +
'''(3)'''&nbsp; For USB–AM,&nbsp; the attenuation factor &nbsp; $α_2$&nbsp; is only determined by &nbsp; $H_{\rm K}(f = 52\ \rm  kHz)$.
 +
*Since the principal USB amplitude loss by a factor of &nbsp; $2$&nbsp; is compensated for by a larger carrier amplitude,&nbsp; the following holds:
 +
:$$A_2  =  0.882 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.764\,{\rm V}},$$
 +
:$$A_4  =  0.754 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.508\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
 
</quiz>
 
  
===Musterlösung===
+
'''(4)'''&nbsp; Analogous to the solution in subtask&nbsp; '''(3)''',&nbsp; we obtain here:
{{ML-Kopf}}
+
:$$ A_2 =  H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},$$  
'''1.'''Bei der ZSB–AM sind folgende Dämpfungsfaktoren zu berücksichtigen:
+
:$$A_4 =  H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
$$\alpha_2 \frac{1}{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 52\,{\rm kHz})\right] = 0.981,$$  
 
$$\alpha_4 \frac{1}{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 54\,{\rm kHz})\right] = 0.861\hspace{0.05cm}.$$
 
Damit ergeben sich die Amplituden $A_2 = 1.882 V$ und $A_4 = 1.722 V$.
 
  
'''2.'''Bei ZSB führt ein Phasenversatz zwischen den Trägerfrequenzen von Sender und Empfänger nur zu einer für alle Frequenzen gleichen Dämpfung:
 
$$A_2  =  \cos (30^\circ) \cdot 1.882\,{\rm V} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.630\,{\rm V}},$$
 
$$A_4  =  \cos (30^\circ) \cdot 1.722\,{\rm V} = 1.491\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
 
Die Laufzeiten $τ_2$ und $τ_4$ sind jeweils 0.
 
  
  
'''3.''' Bei OSB–AM wird der Dämpfungsfaktor $α_2$ allein von $H_K(f = 52 kHz)$ bestimmt. Da der prinzipielle Amplitudenverlust der OSB um den Faktor 2 durch eine größere Trägeramplitude ausgeglichen wird, gilt:
+
'''(5)'''&nbsp; For LSB–AM,&nbsp; the received signal is:
$$A_2  =  0.882 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.764\,{\rm V}},$$  
+
:$$r(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 48} \cdot t) + 0.968\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 46} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
$$A_4 0.754 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.508\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
+
*By multiplication with the receiver-side carrier signal &nbsp; $z_{\rm E}(t) = 4 \cdot \cos( \omega_{\rm 50} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})$,&nbsp; applying the trigonometric addition theorem gives:
 +
:$$v(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t) \hspace{0.15cm}\underline { 2.000\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})+\hspace{0.15cm}\underline { 1.936\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})
 +
+  {\rm components \hspace{0.15cm}around\hspace{0.15cm}} 2f_{\rm T}\hspace{0.05cm}$$
 +
:$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} A_2 \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},\hspace{0.5cm} A_4 \hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}}.$$
 +
*Considering the downstream lowpass filter,&nbsp; this can also be written as:
 +
:$$ v(t) = A_2 \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot (t - \tau_2))+ A_4 \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$
 +
*The amplitudes are unchanged compared to subtask&nbsp; '''(4)'''.&nbsp; For the delay times when &nbsp; $Δϕ_{\rm T} = π/6$,&nbsp; we get:
 +
:$$ \tau_2 \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_2} = \frac {\pi /6}{2 \pi \cdot 2\,{\rm kHz}} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 41.6\,{\rm &micro; s}},\hspace{0.5cm} \tau_4  = \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_4}= \frac {\tau_2}{2}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 20.8\,{\rm &micro; s}} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''4.''' Analog zur Lösung der Teilaufgabe c) erhält man hier:
 
$$ A_2  =  H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},$$ $$A_4  =  H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''5.'''Bei der USB–AM lautet das Empfangssignal:
 
$$r(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 48} \cdot t) + 0.968\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 46} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 
Durch Multiplikation mit dem empfangsseitigen Trägersignal
 
$$z_{\rm E}(t) = 4 \cdot \cos( \omega_{\rm 50} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})$$
 
erhält man nach Anwendung des trigonometrischen Additionstheorems:
 
$$v(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t) =  \hspace{0.15cm}\underline { 2.000\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})+\hspace{0.15cm}\underline { 1.936\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})$$
 
$$ +  ({\rm Anteile \hspace{0.15cm}um \hspace{0.15cm} die \hspace{0.15cm} doppelte \hspace{0.15cm}Tr\ddot{a}gerfrequenz)}\hspace{0.05cm}.$$
 
Unter Berücksichtigung des nachfolgenden Tiefpassfilters kann hierfür auch geschrieben werden:
 
$$ v(t) = A_2 \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot (t - \tau_2))+ A_4 \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$
 
Die Amplituden sind gegenüber Teilaufgabe d) unverändert. Für die Laufzeiten erhält man mit $Δϕ_T = π/6$:
 
$$ \tau_2  =  \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_2} = \frac {\pi /6}{2 \pi \cdot 2\,{\rm kHz}} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 41.6\,{\rm \mu s}},$$
 
$$\tau_4  =  \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_4}= \frac {\tau_2}{2}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 20.8\,{\rm \mu s}} \hspace{0.05cm}.$$
 
'''6.'''Richtig sind der erste und der letzte Lösungsvorschlag: Auch bei ESB führen Dämpfungsverzerrungen auf dem Kanal ausschließlich zu Dämpfungsverzerrungen bezüglich $υ(t)$. Phasenverzerrungen gibt es nur bei einem Demodulator mit Phasenversatz, wenn eine Einseitenbandmodulation Anwendung findet. Bei der ZSB–AM hätte ein solcher Phasenversatz überhaupt keine Verzerrungen zur Folge, sondern lediglich eine frequenzunabhängige Dämpfung.
 
  
Zu Phasenverzerrungen bezüglich $υ(t)$ kommt es natürlich auch, wenn solche bereits auf dem Kanal auftreten, und zwar sowohl bei der ZSB– als auch bei der OSB–AM.
+
'''(6)'''&nbsp; The&nbsp; <u>first and last answers</u>&nbsp; are correct:
 +
*Also for&nbsp; "single-sideband AM"&nbsp;:&nbsp; Attenuation distortions on the channel lead only to attenuation distortions with respect to&nbsp; $v(t)$.
 +
*Phase distortions are only present for a demodulator with a phase offset in the case of&nbsp; "single-sideband AM".
 +
*For&nbsp; "double-sideband AM",&nbsp; such a phase offset would not result in any distortions,&nbsp; but only in frequency-independent attenuation.
 +
*Phase distortions with respect to&nbsp; $v(t)$&nbsp; can also arise in&nbsp; "DSB–AM"&nbsp; and&nbsp; "SSB–AM",&nbsp; if these already occur on the channel.
  
  
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^2.4  Einseitenbandmodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.4  Single Sideband Amplitude Modulation^]]

Latest revision as of 17:55, 31 March 2022

Transmission spectrum of the analytical signal and channel frequency response

Let us consider the transmission of the source signal

$$q(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_2 t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_4 t)$$

over a Gaussian bandpass channel with center frequency  $f_{\rm M} = 48 \ \rm kHz$. 

  • This is different from the carrier frequency  $f_{\rm T} = 50 \ \rm kHz$  used in modulation. 
  • The frequencies  $f_2$  and  $f_4$  stand for  $f = 2 \ \rm kHz$  und  $f = 4 \ \rm kHz$,  resp.


We will now investigate the following modulation methods with respect to the spectrum  $S_+(f)$  of the analytical signal as shown in the upper graph:

  • DSB–AM  $($all four spectral lines at  $46 \ \rm kHz$,  $48 \ \rm kHz$,  $52 \ \rm kHz$  and  $54 \ \rm kHz)$   ⇒   "double-sideband" ,
  • USB–AM  $($only blue spectral lines at  $52 \ \rm kHz$  and  $54 \ \rm kHz)$  ⇒   "upper-sideband",
  • LSB–AM  $($only green spectral lines at  $46 \ \rm kHz$  and  $48 \ \rm kHz)$  ⇒   "lower-sideband".


In each case,  a synchronous demodulator is used to first convert the receiver-side carrier signal

$$ z_{\rm E} (t) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot z(t) \\ 4 \cdot z(t) \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\rm DSB} \hspace{0.05cm}, \\ {\rm USB, LSB} \hspace{0.05cm} \\ \end{array}$$

by multiplication and then completely suppresses the components at twice the carrier frequency.  With an ideal channel  $H_{\rm K}(f) = 1$ ,  $v(t) = q(t)$  would hold in all cases.

The Gaussian channel considered here is given by the following auxiliary values:

$$ H_{\rm K}(f = 46\ {\rm kHz}) = 0.968,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 48\ {\rm kHz}) = 1.000,\hspace{0.3cm} H_{\rm K}(f = 52\ {\rm kHz}) = 0.882,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 54\ {\rm kHz}) = 0.754\hspace{0.05cm}.$$

In each case,  write the sink signal in the form

$$v(t) = A_2 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot (t - \tau_2)) + A_4 \cdot \cos(2 \pi f_4 \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$

All calculations are to be carried out for both a perfect phase synchronization  $(Δϕ_{\rm T} = 0)$  as well as for a phase offset of  $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$.  This is present,  for example,  if the transmit-side carrier signal is cosine-shaped and the receiver-side carrier is:

$$ z_{\rm E} (t) = A_{\rm E} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 30^\circ) . $$



Hints:



Questions

1

Calculate the amplitudes for   double-sideband AM  and  perfect synchronization  $(Δϕ_{\rm T} = 0)$.

$A_2 \ = \ $

$\ \rm V$
$A_4 \ = \ $

$\ \rm V$

2

What are the values for  $A_2$  and  $τ_2$  for  double-sideband AM  and a  phase offset  $(Δϕ_{\rm T} = 30^\circ)$?

$A_2 \ = \ $

$\ \rm V$
$τ_2 \hspace{0.25cm} = \ $

$\ \rm µ s$

3

Calculate the amplitudes $A_2$  and  $A_4$  for  upper-sideband AM  and  perfect synchronization  $(Δϕ_{\rm T} = 0)$.

$A_2 \ = \ $

$\ \rm V$
$A_4 \ = \ $

$\ \rm V$

4

Give the signal amplitudes for   lower-sideband AM  and  perfect synchronization  $(Δϕ_{\rm T} = 0)$.

$A_2 \ = \ $

$\ \rm V$
$A_4 \ = \ $

$\ \rm V$

5

In contrast,  what are the signal parameters for  lower-sideband AM  and a  phase offset  $(Δϕ_{\rm T} = 30^\circ)$?

$A_2 \ = \ $

$\ \rm V$
$τ_2 \hspace{0.25cm} = \ $

$\ \rm µ s$
$A_4 \ = \ $

$\ \rm V$
$τ_4 \hspace{0.25cm} = \ $

$\ \rm µ s$

6

Which of these statements are true given your results?  Here,  "channel distortions"  should always be understood as a kind of attenuation distortion.

In  "double-sideband AM",  each channel distortion leads to attenuation distortions.
In  "single-sideband AM",  each channel distortion leads to phase distortions.
In  "double-sideband AM",  a phase offset leads to attenuation distortions.
In  "single-sideband AM",  a phase offset leads to phase distortions.


Solution

(1)  For DSB–AM,  the following attenuation factors are to be taken into account:

$$\alpha_2 = {1}/{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 52\,{\rm kHz})\right] = 0.981,$$
$$\alpha_4 = {1}{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 54\,{\rm kHz})\right] = 0.861\hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  we get the amplitudes   $A_2\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.882 \ \rm V}$  and  $A_4\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.722 \ \rm V}$.


(2)  For DSB-AM,  a phase offset between the carrier frequencies at transmitter and receiver, resp.,  leads to one and the same attenuation for all frequencies:

$$A_2 = \cos (30^\circ) \cdot 1.882\,{\rm V} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.630\,{\rm V}},$$
$$A_4 = \cos (30^\circ) \cdot 1.722\,{\rm V} = 1.491\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
  • The delay times are   $τ_2\hspace{0.15cm}\underline {= 0}$  and  $τ_4 = 0$.


(3)  For USB–AM,  the attenuation factor   $α_2$  is only determined by   $H_{\rm K}(f = 52\ \rm kHz)$.

  • Since the principal USB amplitude loss by a factor of   $2$  is compensated for by a larger carrier amplitude,  the following holds:
$$A_2 = 0.882 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.764\,{\rm V}},$$
$$A_4 = 0.754 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.508\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Analogous to the solution in subtask  (3),  we obtain here:

$$ A_2 = H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},$$
$$A_4 = H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  For LSB–AM,  the received signal is:

$$r(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 48} \cdot t) + 0.968\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 46} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  • By multiplication with the receiver-side carrier signal   $z_{\rm E}(t) = 4 \cdot \cos( \omega_{\rm 50} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})$,  applying the trigonometric addition theorem gives:
$$v(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t) = \hspace{0.15cm}\underline { 2.000\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})+\hspace{0.15cm}\underline { 1.936\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T}) + {\rm components \hspace{0.15cm}around\hspace{0.15cm}} 2f_{\rm T}\hspace{0.05cm}$$
$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} A_2 \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},\hspace{0.5cm} A_4 \hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}}.$$
  • Considering the downstream lowpass filter,  this can also be written as:
$$ v(t) = A_2 \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot (t - \tau_2))+ A_4 \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$
  • The amplitudes are unchanged compared to subtask  (4).  For the delay times when   $Δϕ_{\rm T} = π/6$,  we get:
$$ \tau_2 = \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_2} = \frac {\pi /6}{2 \pi \cdot 2\,{\rm kHz}} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 41.6\,{\rm µ s}},\hspace{0.5cm} \tau_4 = \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_4}= \frac {\tau_2}{2}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 20.8\,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$


(6)  The  first and last answers  are correct:

  • Also for  "single-sideband AM" :  Attenuation distortions on the channel lead only to attenuation distortions with respect to  $v(t)$.
  • Phase distortions are only present for a demodulator with a phase offset in the case of  "single-sideband AM".
  • For  "double-sideband AM",  such a phase offset would not result in any distortions,  but only in frequency-independent attenuation.
  • Phase distortions with respect to  $v(t)$  can also arise in  "DSB–AM"  and  "SSB–AM",  if these already occur on the channel.