Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.13: Quadrature Amplitude Modulation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Weitere AM–Varianten
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulation Methods/Further AM Variants
 
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[[File:P_ID1055__Mod_A_2_11.png|right|]]
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[[File:EN_Mod_A_2_11.png|right|frame|QAM model under consideration]]
Die durch die Grafik erklärte Quadratur–Amplitudenmodulation erlaubt unter gewissen Randbedingungen, die in dieser Aufgabe angegeben werden sollen, die gleichzeitige Übertragung von zwei Quellensignalen $q_1(t)$ und $q_2(t)$ über den gleichen Kanal. In dieser Aufgabe gelte mit $A_1 = A_2 = 2 V$:
+
The  "quadrature amplitude modulation"  $\rm (QAM)$  explained by the diagram allows the transmission of two source signals  $q_1(t)$  and  $q_2(t)$  over the same channel
$$q_1(t) = A_1 \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm 1} \cdot t),$$
+
*under certain boundary conditions,  
$$q_2(t) =  A_2 \cdot \sin(2 \pi \cdot f_{\rm 2} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
+
*which are to be determined in this exercise.
Die vier in der Grafik eingezeichneten Trägersignale lauten mit $ω_T = 2π · 25 kHz$:
 
$$z_1(t)  =  \cos(\omega_{\rm T} \cdot t),$$
 
$$ z_2(t)  =  \sin(\omega_{\rm T} \cdot t),$$
 
$$ z_{1,{\rm E}}(t) =  2 \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}),$$
 
$$ z_{2,{\rm E}}(t)  =  2 \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
 
Die beiden Tiefpässe mit den Eingangssignalen $b_1(t)$ und $b_2(t)$ entfernen jeweils alle Frequenzanteile $|f| > f_T$.
 
  
  
'''Hinweis:''' Die Aufgabe bezieht sich auf das [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Weitere_AM%E2%80%93Varianten Kapitel 2.5] dieses Buches. Anzumerken ist, dass hier die Trägersignale $z_2(t)$ und $z_{2,E}(t)$ mit positivem Vorzeichen angesetzt wurden. Oft – so auch im Theorieteil – werden diese Trägersignale als „Minus–Sinus” angegeben.
+
In this exercise,  with  $A_1 = A_2 = 2\ \rm  V$:
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:$$q_1(t) = A_1 \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm 1} \cdot t),$$
 +
:$$q_2(t)  =  A_2 \cdot \sin(2 \pi \cdot f_{\rm 2} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
For  $ω_{\rm T} = 2π · 25\ \rm kHz$,  the four carrier signals shown in the diagram are:
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:$$z_1(t)  =  \cos(\omega_{\rm T} \cdot t),$$
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:$$ z_2(t) =  \sin(\omega_{\rm T} \cdot t),$$
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:$$ z_{1,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t) =  2 \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}),$$
 +
:$$ z_{2,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t) =  2 \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
  
Gegeben sind folgende trigonometrischen Umformungen:
+
Both lowpass filters   $\rm LP_1$  and  $\rm LP_2$  with input signals  $b_1(t)$  resp.  $b_2(t)$ , remove all frequency components  $|f| > f_{\rm T}$.
$$\cos(\alpha) \cdot \cos(\beta) =  \frac{1}{2} \cdot \left[ \cos(\alpha - \beta)+ \cos(\alpha + \beta) \right],$$  
 
$$ \sin(\alpha) \cdot \sin(\beta) =  \frac{1}{2} \cdot \left[ \cos(\alpha - \beta)- \cos(\alpha + \beta) \right],$$
 
$$\sin(\alpha) \cdot \cos(\beta)  =  \frac{1}{2} \cdot \left[ \sin(\alpha - \beta)+ \sin(\alpha + \beta) \right] \hspace{0.05cm}.$$
 
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Further_AM_Variants|Further AM Variants]].
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*Particular reference is made to the page  [[Modulation_Methods/Further_AM_Variants#Quadrature_Amplitude_Modulation_.28QAM.29|Quadrature Amplitude Modulation (QAM)]].
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*It is worth noting that the carrier signals  $z_2(t)$  and  $z_{2,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t)$  are applied with positive signs here.
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*Often – as in the theory section – these carrier signals are given as  "minus-sine".
 +
*The following trigonometric transformations are given:
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:$$ \cos(\alpha) \cdot \cos(\beta)  = 1/2 \cdot \big[ \cos(\alpha - \beta)+ \cos(\alpha + \beta) \big],$$
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:$$ \sin(\alpha) \cdot \sin(\beta)  = 1/2 \cdot \big[ \cos(\alpha - \beta)- \cos(\alpha + \beta) \big],$$
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:$$ \sin(\alpha) \cdot \cos(\beta)  = 1/2 \cdot \big[ \sin(\alpha - \beta)+ \sin(\alpha + \beta) \big] \hspace{0.05cm}.$$
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie das Sendesignal $s(t)$ für den Fall $f_1 ≠ f_2$. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
+
{Calculate the transmitted signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; in the case that &nbsp;$f_1 ≠ f_2$.&nbsp; Which of the following statements apply?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- $s(t)$ besteht aus zwei Cosinus– und zwei Sinusschwingungen.
+
- $s(t)$&nbsp; is composed of two cosine and two sine oscillations.
+ $s(t)$ setzt sich aus vier Cosinusschwingungen zusammen.
+
+ $s(t)$&nbsp; is composed of four cosine oscillations.
- $s(t)$ setzt sich aus vier Sinusschwingungen zusammen.
+
- $s(t)$&nbsp; is composed of four sine oscillations.
  
{Wie lautet $s(t)$ für $f_1 = f_2 = 5 kHz$. Welcher Signalwert tritt bei $t = 50 μs$ auf?
+
{What is &nbsp;$s(t)$&nbsp; with &nbsp;$f_1 = f_2 = 5 \ \rm kHz$?&nbsp; What signal value arises for &nbsp;$t = 50 \ \rm &micro; s$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$s(t = 50 μs)$ = { 2 3% } $V$  
+
$s(t = 50 \ \rm &micro; s) \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm V$  
  
{Berechnen Sie für $f_1 = f_2$ und $Δϕ_T = 0$ die Sinkensignale $υ_1(t)$ und $υ_2(t)$. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
+
{Calculate the sink signals &nbsp;$v_1(t)$&nbsp; and &nbsp;$v_2(t)$ for &nbsp;$f_1 = f_2$&nbsp; and &nbsp;$Δϕ_{\rm T} = 0$&nbsp; (no phase offset).&nbsp; Which statements are true?
|type="[]"}
+
|type="()"}
+ Es gilt $υ_1(t) = q_1(t)$ und $υ_2(t) = q_2(t)$.
+
+ $v_1(t) = q_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_2(t) = q_2(t)$&nbsp; both hold.
- Es ergeben sich lineare Verzerrungen.
+
- Linear distortions occur.
- Es ergeben sich nichtlineare Verzerrungen.
+
- Nonlinear distortions occur.
  
{Berechnen Sie für $f_1 = f_2$ und $Δϕ_T = 30°$ die Sinkensignale $υ_1(t)$ und $υ_2(t)$. Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
+
{Calculate the sink signals&nbsp; $v_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_2(t)$&nbsp; for&nbsp; $f_1 = f_2$&nbsp; and a phase offset&nbsp; $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$.&nbsp; Which statements are true?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Es gilt $υ_1(t) = q_1(t)$ und $υ_2(t) = q_2(t)$.
+
- $v_1(t) = q_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_2(t) = q_2(t)$&nbsp; both hold.
+ Es ergeben sich lineare Verzerrungen.
+
+ Linear distortions occur.
- Es ergeben sich nichtlineare Verzerrungen.
+
- Nonlinear distortions occur.
  
{Welche der folgenden Aussagen treffen für $f_1 ≠ f_2$ und $Δϕ_T ≠ 0$ zu?
+
{Which of the following statements apply when &nbsp;$f_1 ≠ f_2$&nbsp; and &nbsp;$Δϕ_{\rm T} ≠ 0$&nbsp;  (with an arbitrary phase offset)?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Es gilt $υ_1(t) = q_1(t)$ und $υ_2(t) = q_2(t)$.
+
- $v_1(t) = q_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_2(t) = q_2(t)$&nbsp; both hold.
- Es ergeben sich lineare Verzerrungen.
+
- Linear distortions occur.
+ Es ergeben sich nichtlineare Verzerrungen.
+
+ Nonlinear distortions occur.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''Mit den angegebenen trigonometrischen Umformungen erhält man:
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'''(1)'''&nbsp; With the given trigonometric transformations we get:
$$s(t)  =  A_1 \cdot \cos(\omega_{\rm 1} \cdot t)\cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + A_2 \cdot \sin(\omega_{\rm 2} \cdot t)\cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t) =$$  
+
:$$s(t)  =  A_1 \cdot \cos(\omega_{\rm 1} \cdot t)\cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + A_2 \cdot \sin(\omega_{\rm 2} \cdot t)\cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t) $$  
$$ =  \frac{A_1}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm 1})\cdot t) + \frac{A_1}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm 1})\cdot t) +$$
+
:$$\Rightarrow  \hspace{0.3cm}s(t)  =  \frac{A_1}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm 1})\cdot t) + \frac{A_1}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm 1})\cdot t) +  
$$ +  \frac{A_2}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm 2})\cdot t) - \frac{A_2}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm 2})\cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
+
  \frac{A_2}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm 2})\cdot t) - \frac{A_2}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm 2})\cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
Richtig ist demnach der zweite Lösungsvorschlag.
+
*The <u>second answer</u> is correct.
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'''(2)'''&nbsp; With $A_1 = A_2 = 2 \ \rm V$ and $f_1 = f_2 = 5\ \rm  kHz$, the first and third cosine oscillations constructively overlap and the other two cancel completely.
 +
*Thus,&nbsp; the following simple result is obtained:
 +
:$$ s(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 20\,{\rm kHz} \cdot t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s(t = 50\,{\rm &micro; s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
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 +
 
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'''(3)'''&nbsp; The&nbsp; <u>first answer</u>&nbsp; is correct:
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*For phase-synchronous demodulation&nbsp; $(Δϕ_T = 0)$,&nbsp; the signals before the low-pass filters according to subtask&nbsp; '''(2)''' are obtained as:
 +
:$$b_1(t)  =  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm 25} \cdot t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 5} \cdot t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 45} \cdot t),$$
 +
:$$ b_2(t)  =  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \sin(\omega_{\rm 25} \cdot t) = 2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 5} \cdot t) + 2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 45} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
*Thus,&nbsp; after eliminating the respective &nbsp; $45\ \rm  kHz$ components,&nbsp; we get &nbsp; $v_1(t) = q_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_2(t) = q_2(t)$.
 +
 
  
  
'''2.'''Mit $A_1 = A_2 = 2 V$ und $f_1 = f_2 = 5 kHz$ überlagern sich zwei dieser Cosinusschwingungen konstruktiv und zwei weitere heben sich vollständig auf. Es ergibt sich somit das folgende einfache Ergebnis:
+
'''(4)'''&nbsp; Analogously to subtask&nbsp; '''(3)'''&nbsp; it now holds that:
$$ s(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 20\,{\rm kHz} \cdot t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s(t = 50\,{\rm \mu s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ b_1(t)  =  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm 25} \cdot t+ \Delta \phi_{\rm T})=
'''3.''' Richtig ist der erste Lösungsvorschlag. Bei phasensynchroner Demodulation ($Δϕ_T = 0$) erhält man für die Signale vor den beiden Tiefpässen mit $r(t) = s(t)$ entsprechend Teilaufgabe b):
+
  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 5} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}) + {(45 \,\rm kHz-Anteil )},$$
$$b_1(t)  =  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm 25} \cdot t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 5} \cdot t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 45} \cdot t),$$
+
:$$b_2(t)=  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \sin(\omega_{\rm 25} \cdot t+ \Delta \phi_{\rm T})=
$$ b_2(t) =  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \sin(\omega_{\rm 25} \cdot t) = 2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 5} \cdot t) + 2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 45} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
+
  2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 5} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}) + {(45 \,\rm kHz-Anteil )}\hspace{0.05cm}.$$
Nach Eliminierung der jeweiligen 45 kHz–Anteile ergibt sich somit $υ_1(t) = q_1(t)$ und $υ_2(t) = q_2(t)$.
+
*The sink signals&nbsp; $v_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $v_2(t)$&nbsp; in this constellation exhibit delays and thus phase distortions compared with &nbsp; $q_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $q_2(t)$.
 +
*These belong to the class of linear distortions &nbsp; &rArr; &nbsp; <u>Answer 2</u>.
  
  
'''4.'''Analog zur Teilaufgabe c) gilt nun:
 
$$ b_1(t)  =  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm 25} \cdot t+ \Delta \phi_{\rm T})=$$
 
$$ =  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 5} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}) + {(45 \,\rm kHz-Anteil )},$$
 
$$b_2(t)=  2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \sin(\omega_{\rm 25} \cdot t+ \Delta \phi_{\rm T})=$$
 
$$  =  2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 5} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}) + {(45 \,\rm kHz-Anteil )}\hspace{0.05cm}.$$
 
Die Sinkensignale $υ_1(t)$ und $υ_2(t)$ weisen bei dieser Konstellation gegenüber $q_1(t)$ und $q_2(t)$ Laufzeiten und damit Phasenverzerrungen auf. Diese gehören zur Klasse der linearen Verzerrungen.
 
  
'''5.'''Allgemein gilt für das Empfangssignal:
+
'''(5)'''&nbsp; In general,&nbsp; it holds for the received signal:
$$r(t) = s(t) = q_1(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + q_2(t) \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$r(t) = s(t) = q_1(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + q_2(t) \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
Die Multiplikation mit den empfängerseitigen Trägersignalen $z_{1,E}(t)$ und $z_{2,E}(t)$ und die abschließende Bandbegrenzung führt zu den Sinkensignalen
+
Multiplication by the receiver-side carrier signals&nbsp; $z_{1,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t)$&nbsp; and&nbsp; $z_{2,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t)$&nbsp; and band-limiting leads to the signals
$$v_1(t)  =  \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_1(t) - \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_2(t),$$
+
:$$v_1(t)  =  \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_1(t) - \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_2(t),$$
$$ v_2(t)  =  \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_1(t) + \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_2(t) \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ v_2(t)  =  \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_1(t) + \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_2(t) \hspace{0.05cm}.$$
Daraus ist zu ersehen: Bei einem Phasenversatz von $Δ_ϕT = 30°$ beinhaltet das Sinkensignal $υ_1(t)$ nicht nur das um $cos(30°) = 0.866$ gedämpfte Signal $q_1(t)$, sondern auch die in $q_2(t)$ enthaltene Frequenz $f_2$ (diese ist mit dem Faktor $sin(30°) = 0.5$ gewichtet). Es liegen somit nichtlineare Verzerrungen vor.
+
From this it can be seen:  
 +
*With a phase offset of &nbsp; $Δϕ_{\rm T}  = 30^\circ$,&nbsp; the sink signal&nbsp; $v_1(t)$&nbsp; includes not only the signal &nbsp; $q_1(t)$ attenuated by about &nbsp; $\cos(30^\circ) = 0.866$,&nbsp; <br>but also the frequency &nbsp; $f_2$ is contained in &nbsp; $q_2(t)$.
 +
*This is weighted by the factor &nbsp; $\sin(30^\circ) = 0.5$.  
 +
*Thus,&nbsp; nonlinear distortions are present &nbsp; &rArr; &nbsp; <u>Answer 3</u>.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^2.5 Weitere AM–Varianten^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.5 Other AM Variants^]]

Latest revision as of 16:27, 9 April 2022

QAM model under consideration

The  "quadrature amplitude modulation"  $\rm (QAM)$  explained by the diagram allows the transmission of two source signals  $q_1(t)$  and  $q_2(t)$  over the same channel

  • under certain boundary conditions,
  • which are to be determined in this exercise.


In this exercise,  with  $A_1 = A_2 = 2\ \rm V$:

$$q_1(t) = A_1 \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm 1} \cdot t),$$
$$q_2(t) = A_2 \cdot \sin(2 \pi \cdot f_{\rm 2} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$

For  $ω_{\rm T} = 2π · 25\ \rm kHz$,  the four carrier signals shown in the diagram are:

$$z_1(t) = \cos(\omega_{\rm T} \cdot t),$$
$$ z_2(t) = \sin(\omega_{\rm T} \cdot t),$$
$$ z_{1,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t) = 2 \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}),$$
$$ z_{2,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t) = 2 \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$

Both lowpass filters   $\rm LP_1$  and  $\rm LP_2$  with input signals  $b_1(t)$  resp.  $b_2(t)$ , remove all frequency components  $|f| > f_{\rm T}$.



Hints:

  • This exercise belongs to the chapter  Further AM Variants.
  • Particular reference is made to the page  Quadrature Amplitude Modulation (QAM).
  • It is worth noting that the carrier signals  $z_2(t)$  and  $z_{2,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t)$  are applied with positive signs here.
  • Often – as in the theory section – these carrier signals are given as  "minus-sine".
  • The following trigonometric transformations are given:
$$ \cos(\alpha) \cdot \cos(\beta) = 1/2 \cdot \big[ \cos(\alpha - \beta)+ \cos(\alpha + \beta) \big],$$
$$ \sin(\alpha) \cdot \sin(\beta) = 1/2 \cdot \big[ \cos(\alpha - \beta)- \cos(\alpha + \beta) \big],$$
$$ \sin(\alpha) \cdot \cos(\beta) = 1/2 \cdot \big[ \sin(\alpha - \beta)+ \sin(\alpha + \beta) \big] \hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

Calculate the transmitted signal  $s(t)$  in the case that  $f_1 ≠ f_2$.  Which of the following statements apply?

$s(t)$  is composed of two cosine and two sine oscillations.
$s(t)$  is composed of four cosine oscillations.
$s(t)$  is composed of four sine oscillations.

2

What is  $s(t)$  with  $f_1 = f_2 = 5 \ \rm kHz$?  What signal value arises for  $t = 50 \ \rm µ s$ ?

$s(t = 50 \ \rm µ s) \ = \ $

$\ \rm V$

3

Calculate the sink signals  $v_1(t)$  and  $v_2(t)$ for  $f_1 = f_2$  and  $Δϕ_{\rm T} = 0$  (no phase offset).  Which statements are true?

$v_1(t) = q_1(t)$  and  $v_2(t) = q_2(t)$  both hold.
Linear distortions occur.
Nonlinear distortions occur.

4

Calculate the sink signals  $v_1(t)$  and  $v_2(t)$  for  $f_1 = f_2$  and a phase offset  $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$.  Which statements are true?

$v_1(t) = q_1(t)$  and  $v_2(t) = q_2(t)$  both hold.
Linear distortions occur.
Nonlinear distortions occur.

5

Which of the following statements apply when  $f_1 ≠ f_2$  and  $Δϕ_{\rm T} ≠ 0$  (with an arbitrary phase offset)?

$v_1(t) = q_1(t)$  and  $v_2(t) = q_2(t)$  both hold.
Linear distortions occur.
Nonlinear distortions occur.


Solution

(1)  With the given trigonometric transformations we get:

$$s(t) = A_1 \cdot \cos(\omega_{\rm 1} \cdot t)\cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + A_2 \cdot \sin(\omega_{\rm 2} \cdot t)\cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t) = \frac{A_1}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm 1})\cdot t) + \frac{A_1}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm 1})\cdot t) + \frac{A_2}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm 2})\cdot t) - \frac{A_2}{2}\cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm 2})\cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  • The second answer is correct.


(2)  With $A_1 = A_2 = 2 \ \rm V$ and $f_1 = f_2 = 5\ \rm kHz$, the first and third cosine oscillations constructively overlap and the other two cancel completely.

  • Thus,  the following simple result is obtained:
$$ s(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 20\,{\rm kHz} \cdot t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s(t = 50\,{\rm µ s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  The  first answer  is correct:

  • For phase-synchronous demodulation  $(Δϕ_T = 0)$,  the signals before the low-pass filters according to subtask  (2) are obtained as:
$$b_1(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm 25} \cdot t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 5} \cdot t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 45} \cdot t),$$
$$ b_2(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \sin(\omega_{\rm 25} \cdot t) = 2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 5} \cdot t) + 2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 45} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  after eliminating the respective   $45\ \rm kHz$ components,  we get   $v_1(t) = q_1(t)$  and  $v_2(t) = q_2(t)$.


(4)  Analogously to subtask  (3)  it now holds that:

$$ b_1(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm 25} \cdot t+ \Delta \phi_{\rm T})= 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 5} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}) + {(45 \,\rm kHz-Anteil )},$$
$$b_2(t)= 2\,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm 20} \cdot t)\cdot 2 \cdot \sin(\omega_{\rm 25} \cdot t+ \Delta \phi_{\rm T})= 2\,{\rm V} \cdot \sin(\omega_{\rm 5} \cdot t + \Delta \phi_{\rm T}) + {(45 \,\rm kHz-Anteil )}\hspace{0.05cm}.$$
  • The sink signals  $v_1(t)$  and  $v_2(t)$  in this constellation exhibit delays and thus phase distortions compared with   $q_1(t)$  and  $q_2(t)$.
  • These belong to the class of linear distortions   ⇒   Answer 2.


(5)  In general,  it holds for the received signal:

$$r(t) = s(t) = q_1(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t) + q_2(t) \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$

Multiplication by the receiver-side carrier signals  $z_{1,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t)$  and  $z_{2,\hspace{0.05cm}{\rm E}}(t)$  and band-limiting leads to the signals

$$v_1(t) = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_1(t) - \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_2(t),$$
$$ v_2(t) = \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_1(t) + \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q_2(t) \hspace{0.05cm}.$$

From this it can be seen:

  • With a phase offset of   $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$,  the sink signal  $v_1(t)$  includes not only the signal   $q_1(t)$ attenuated by about   $\cos(30^\circ) = 0.866$, 
    but also the frequency   $f_2$ is contained in   $q_2(t)$.
  • This is weighted by the factor   $\sin(30^\circ) = 0.5$.
  • Thus,  nonlinear distortions are present   ⇒   Answer 3.