Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.5: Pseudo Noise Modulation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Beispiele von Nachrichtensystemen/Nachrichtentechnische Aspekte von UMTS}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Examples_of_Communication_Systems/Telecommunications_Aspects_of_UMTS}}
  
[[File:P_ID1973__Mod_Z_5_2.png|right|frame|Ersatzschaltbild von PN-Modulation und BPSK]]
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[[File:EN_Bei_A_4_5.png|right|frame|Models of PN modulation (top) and BPSK (bottom)]]
Die Grafik zeigt oben das Ersatzschaltbild der „Pseudo Noise”–Modulation (englisch: ''Direct Sequence Spread Spectrum'', abgekürzt '''DS–SS''') im äquivalenten Tiefpass–Bereich. $n(t)$ bezeichnet AWGN–Rauschen.
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The upper diagram shows the equivalent circuit of  $\rm PN$  modulation  $($Direct-Sequence Spread Spectrum, abbreviated  $\rm DS–SS)$  in the equivalent low-pass range,  based on AWGN noise  $n(t)$. 
  
Unten ist das Tiefpass–Modell der [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation#BPSK_.E2.80.93_Binary_Phase_Shift_Keying|binären Phasenmodulation]] (englisch: ''Binary Phase Shift Keying'', '''BPSK''') skizziert.
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Shown below is the low-pass model of binary phase shift keying  $\rm (BPSK)$. 
*Das Tiefpass–Sendesignal $s(t)$ ist nur aus Gründen einheitlicher Darstellung gleich dem rechteckförmigen Quellensignal $q(t) ∈ \{+1, –1\}$ mit Rechteckdauer $T$ gesetzt ist.
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*The low-pass transmitted signal  $s(t)$  is set equal to the rectangular source signal  $q(t) ∈ \{+1, –1\}$  with rectangular duration  $T$  for reasons of uniformity.
*Die Funktion des Integrators kann wie folgt geschrieben werden:
 
:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{0.03cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t \hspace{0.05cm}.$$
 
*Die beiden Modelle unterscheiden sich durch die Multiplikation mit dem $±1$–Spreizsignal $c(t)$ bei Sender und Empfänger, wobei von $c(t)$ lediglich der Spreizgrad $J$ bekannt ist.
 
*Für die Lösung dieser Aufgabe ist die Angabe der spezifischen Spreizfolge (M–Sequenz oder Walsh–Funktion) nicht von Bedeutung.
 
  
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*The function of the integrator can be described as follows:
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:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t \hspace{0.05cm}.$$
  
Zu untersuchen ist, ob sich das untere BPSK–Modell auch bei PN–Modulation anwenden lässt und ob die BPSK–Fehlerwahrscheinlichkeit
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*The two models differ by multiplication with the  $±1$  spreading signal  $c(t)$  at transmitter and receiver,  where only the spreading factor  $J$  is known from  $c(t)$. 
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It has to be investigated whether the lower BPSK model can also be used for PN modulation and whether the BPSK error probability
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$
auch für die PN–Modulation gültig ist, bzw. wie die angegebene Gleichung zu modifizieren ist.
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is also valid for PN modulation,  or how the given equation should be modified.
  
  
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''Hinweise:''
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Notes:  
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*This exercise mostly refers to the page  [[Examples_of_Communication_Systems/Telecommunications_Aspects_of_UMTS|"Telecommunications Aspects of UMTS"]].
  
*Die Aufgabe gehört zum [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Nachrichtentechnische_Aspekte_von_UMTS|Nachrichtentechnische Aspekte von UMTS]].
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*For the solution of this exercise,  the specification of the specific spreading sequence  $($M-sequence or Walsh function$)$  is not important.
*Das bei UMTS eingesetzte CDMA–Verfahren firmiert auch unter der Bezeichnung „PN–Modulation”.
 
*Die in dieser Aufgabe verwendete Nomenklatur richtet sich zum Teil nach dem Kapitel  [[Modulationsverfahren/PN–Modulation|PN–Modulation]] im Buch „Modulationsverfahren”.
 
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
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<quiz display=simple>
 
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{Which detection signal values are possible with BPSK&nbsp; (in the noise-free case)?
{Welche Detektionssignalwerte sind bei BPSK im rauschfreien Fall möglich?
 
 
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- $d(\nu T)$ ist gaußverteilt.
+
- $d(νT)$&nbsp; can be Gaussian distributed.
- $d(\nu T)$ kann die Werte $+1, \ 0$ und $–1$ annehmen.
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- $d(νT)$&nbsp; can take the values &nbsp;$+1$, &nbsp;$0$&nbsp; and &nbsp;$-1$.&nbsp;
+ Es sind nur die Werte $d(\nu T) = +1$ und $d(\nu T) = -1$ möglich.
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+ Only the values &nbsp;$d(νT) = +1$&nbsp; and &nbsp;$d(νT) = -1$&nbsp; are possible.
  
{Welche Werte sind bei PN–Modulation im rauschfreien Fall möglich?
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{Which values are possible in PN modulation&nbsp; (in the noise-free)&nbsp; case?
 
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- $d(\nu T)$ ist gaußverteilt.
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- $d(νT)$&nbsp; can be Gaussian distributed.
- $d(\nu T)$ kann die Werte $+1, \ 0$ und $–1$ annehmen.
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- $d(νT)$&nbsp; can take the values &nbsp;$+1$, &nbsp;$0$&nbsp; and &nbsp;$-1$.&nbsp;
+ Es sind nur die Werte $d(\nu T) = +1$ und $d(\nu T) = -1$ möglich.
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+ Only the values &nbsp;$d(νT) = +1$&nbsp; and &nbsp;$d(νT) = -1$&nbsp; are possible.
  
{Welche Modifikation muss am BPSK–Modell vorgenommen werden, damit es auch für die PN–Modulation anwendbar ist?
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{What modification must be made to the BPSK model to make it applicable to PN modulation?
 
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- Das Rauschen $n(t)$ muss durch $n'(t) = n(t) \cdot c(t)$ ersetzt werden.
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+ The noise &nbsp;$n(t)$&nbsp; must be replaced by &nbsp;$n'(t) = n(t) · c(t)$.&nbsp;
+ Die Integration muss nun über $J \cdot T$ erfolgen.
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- The integration must now be done over &nbsp;$J · T$.&nbsp;
- Die Rauschleistung muss um den Faktor $J$ vermindert werden.
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- The noise power &nbsp;$σ_n^2$&nbsp; must be reduced by a factor of &nbsp;$J$.&nbsp;
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm B}$ ergibt sich für $10 {\rm lg} \cdot (E_{\rm B}/N_{0}) = 6 \ \rm dB$ bei PN–Modulation? <br>Bei BPSK gilt in diesem Fall: $p_{\rm B} \approx 2.3 \cdot 10^{–3}$.
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{What is the bit error probability &nbsp;$(p_{\rm B})$&nbsp; for &nbsp;$10 \lg \ (E_{\rm B}/N_0) = 6\ \rm dB$&nbsp; for PN modulation? &nbsp; <u>Note:</u> &nbsp; For BPSK applies in this case: &nbsp; $p_{\rm B} 2.3 · 10^{–3}$.
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|type="()"}
- Je größer $J$ gewählt wird, desto kleiner ist $p_{\rm B}$.
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- The larger &nbsp;$J$&nbsp; is chosen, the smaller &nbsp;$p_{\rm B}$ is.
- Je größer $J$ gewählt wird, desto größer ist $p_{\rm B}$.
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- The larger &nbsp;$J$&nbsp; is chosen, the larger &nbsp;$p_{\rm B}$ is.
+ Es ergibt sich unabhängig von $J$ stets der Wert $2.3 \cdot 10^{–3}$.
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+ Independent of &nbsp;$J$,&nbsp; the value &nbsp;$p_{\rm B} ≈ 2.3 · 10^{–3}$ is always obtained.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
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'''(1)'''&nbsp; The&nbsp; <u>last solution</u>&nbsp; is correct:
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*We are dealing here with an optimal receiver.
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*Without noise,&nbsp; the signal&nbsp; $b(t)$&nbsp; within each bit is constantly equal to&nbsp; $+1$&nbsp; or&nbsp; $-1$.
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*From the given equation for the integrator
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:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t $$
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:it follows that&nbsp; $d(νT)$&nbsp; can take only the values&nbsp; $+1$&nbsp; and&nbsp; $-1$.&nbsp;
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'''(1)'''&nbsp; Es handelt sich hier um einen optimalen Empfänger. Ohne Rauschen ist Signal $b(t)$ innerhalb eines jeden Bits konstant gleich $+1$ oder $–1$. Aus der angegebenen Gleichung für den Integrator
 
:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.3cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t$$
 
olgt, dass $d(\mu T)$ nur die Werte $±1$ annehmen kann. Richtig ist somit der <u>letzte Lösungsvorschlag</u>.
 
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist wieder der <u>letzte Lösungsvorschlag</u>. Im rauschfreien Fall $\Rightarrow n(t) = 0$ kann auf die zweifache Multiplikation mit $c(t) ∈ \{+1, –1\} \Rightarrow c(t)^{2} = 1$ verzichtet werden, so dass das obere Modell mit dem unteren Modell identisch ist.
+
'''(2)'''&nbsp; Again the&nbsp; <u>last solution</u>&nbsp; is correct:
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* In the noise-free and interference-free case &nbsp; ⇒ &nbsp; $n(t) = 0$,&nbsp; the twofold multiplication by&nbsp; $c(t) ∈ \{+1, –1\}$&nbsp; can be omitted,
  
'''(3)'''&nbsp;  Da beide Modelle im rauschfreien Fall identisch sind, muss nur das Rauschsignal angepasst werden: $n'(t) = n(t) \cdot c(t)$. Die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u> sind dagegen nicht zutreffend: Die Integration muss weiterhin über $T = J \cdot T_{\rm c}$ erfolgen und die PN–Modulation verringert das AWGN–Rauschen nicht. Zutreffend ist nur der <u>Lösungsvorschlag 1</u>.
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*so that the upper model is identical to the lower model.
  
'''(4)'''&nbsp; Multipliziert man das AWGN–Rauschen mit dem hochfrequenten $±1$–Signal $c(t)$, so ist das Rauschen ebenfalls gaußförmig und weiß. Wegen $E[c^{2}(t)] = 1$ wird auch die Rauschvarianz nicht verändert. Die für BPSK gültige Gleichung
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { \frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$
 
ist somit auch bei der PN&ndash;Modulation anwendbar und zwar unabhängig vom Spreizfaktor $J$ und von der spezifischen Spreizfolge. Bei AWGN&ndash;Rauschen wird die Fehlerwahrscheinlichkeit durch Bandspreizung weder vergrößert noch verkleinert. Richtig ist also der <u>letzte Lösungsvorschlag</u>.
 
  
{{ML-Fuß}}
 
  
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'''(3)'''&nbsp; <u>Solution 1</u>&nbsp; is correct:
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*Since both models are identical in the noise-free case,&nbsp; only the noise signal has to be adjusted: &nbsp; $n'(t) = n(t) · c(t)$.
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*In contrast,&nbsp; the other two solutions are not applicable:
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*The integration must still be done over&nbsp; $T = J · T_c$&nbsp; and the PN modulation does not reduce the AWGN noise.
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'''(4)'''&nbsp; The&nbsp; <u>last solution</u>&nbsp; is correct:
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*Multiplying the AWGN noise by the high-frequency&nbsp; $±1$ signal&nbsp; $c(t)$,&nbsp; the product is also Gaussian and white.
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*Because of &nbsp;${\rm E}\big[c^2(t)\big] = 1$,&nbsp; the noise variance is not changed either.&nbsp; Thus:
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*The equation&nbsp; $p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt {{2 E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$&nbsp; valid for BPSK is also applicable for PN modulation,&nbsp; independent of spreading factor&nbsp; $J$&nbsp; and specific spreading sequence.
  
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*Ergo:&nbsp; For AWGN noise,&nbsp; band spreading neither increases nor decreases the error probability.
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{{ML-Fuß}}
  
[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^4.3 Nachrichtentechnische Aspekte
 
  
  
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[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^4.3 Telecommunications Aspects^]]

Latest revision as of 19:22, 4 March 2023

Models of PN modulation (top) and BPSK (bottom)

The upper diagram shows the equivalent circuit of  $\rm PN$  modulation  $($Direct-Sequence Spread Spectrum, abbreviated  $\rm DS–SS)$  in the equivalent low-pass range,  based on AWGN noise  $n(t)$. 

Shown below is the low-pass model of binary phase shift keying  $\rm (BPSK)$. 

  • The low-pass transmitted signal  $s(t)$  is set equal to the rectangular source signal  $q(t) ∈ \{+1, –1\}$  with rectangular duration  $T$  for reasons of uniformity.
  • The function of the integrator can be described as follows:
$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t \hspace{0.05cm}.$$
  • The two models differ by multiplication with the  $±1$  spreading signal  $c(t)$  at transmitter and receiver,  where only the spreading factor  $J$  is known from  $c(t)$. 


It has to be investigated whether the lower BPSK model can also be used for PN modulation and whether the BPSK error probability

$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$

is also valid for PN modulation,  or how the given equation should be modified.



Notes:

  • For the solution of this exercise,  the specification of the specific spreading sequence  $($M-sequence or Walsh function$)$  is not important.


Questions

1

Which detection signal values are possible with BPSK  (in the noise-free case)?

$d(νT)$  can be Gaussian distributed.
$d(νT)$  can take the values  $+1$,  $0$  and  $-1$. 
Only the values  $d(νT) = +1$  and  $d(νT) = -1$  are possible.

2

Which values are possible in PN modulation  (in the noise-free)  case?

$d(νT)$  can be Gaussian distributed.
$d(νT)$  can take the values  $+1$,  $0$  and  $-1$. 
Only the values  $d(νT) = +1$  and  $d(νT) = -1$  are possible.

3

What modification must be made to the BPSK model to make it applicable to PN modulation?

The noise  $n(t)$  must be replaced by  $n'(t) = n(t) · c(t)$. 
The integration must now be done over  $J · T$. 
The noise power  $σ_n^2$  must be reduced by a factor of  $J$. 

4

What is the bit error probability  $(p_{\rm B})$  for  $10 \lg \ (E_{\rm B}/N_0) = 6\ \rm dB$  for PN modulation?   Note:   For BPSK applies in this case:   $p_{\rm B} ≈ 2.3 · 10^{–3}$.

The larger  $J$  is chosen, the smaller  $p_{\rm B}$ is.
The larger  $J$  is chosen, the larger  $p_{\rm B}$ is.
Independent of  $J$,  the value  $p_{\rm B} ≈ 2.3 · 10^{–3}$ is always obtained.


Solution

(1)  The  last solution  is correct:

  • We are dealing here with an optimal receiver.
  • Without noise,  the signal  $b(t)$  within each bit is constantly equal to  $+1$  or  $-1$.
  • From the given equation for the integrator
$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t $$
it follows that  $d(νT)$  can take only the values  $+1$  and  $-1$. 


(2)  Again the  last solution  is correct:

  • In the noise-free and interference-free case   ⇒   $n(t) = 0$,  the twofold multiplication by  $c(t) ∈ \{+1, –1\}$  can be omitted,
  • so that the upper model is identical to the lower model.


(3)  Solution 1  is correct:

  • Since both models are identical in the noise-free case,  only the noise signal has to be adjusted:   $n'(t) = n(t) · c(t)$.
  • In contrast,  the other two solutions are not applicable:
  • The integration must still be done over  $T = J · T_c$  and the PN modulation does not reduce the AWGN noise.


(4)  The  last solution  is correct:

  • Multiplying the AWGN noise by the high-frequency  $±1$ signal  $c(t)$,  the product is also Gaussian and white.
  • Because of  ${\rm E}\big[c^2(t)\big] = 1$,  the noise variance is not changed either.  Thus:
  • The equation  $p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt {{2 E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$  valid for BPSK is also applicable for PN modulation,  independent of spreading factor  $J$  and specific spreading sequence.
  • Ergo:  For AWGN noise,  band spreading neither increases nor decreases the error probability.