Difference between revisions of "Digital Signal Transmission/Causes and Effects of Intersymbol Interference"

From LNTwww
Line 6: Line 6:
 
}}
 
}}
  
== # ÜBERBLICK ZUM DRITTEN HAUPTKAPITEL # ==
+
== # OVERVIEW OF THE THIRD MAIN CHAPTER # ==
 
<br>
 
<br>
Im Mittelpunkt des dritten Hauptkapitels stehen die ''Impulsinterferenzen'', die beispielsweise durch Verzerrungen des Übertragungskanals entstehen oder mit einer von der Nyquistbedingung abweichenden Realisierung des Empfangsfilters zusammenhängen. Anschließend werden einige Entzerrungsverfahren beschrieben, mit denen die Systemdegradation durch Impulsinterferenzen abgemildert werden kann.  
+
The third main chapter focuses on ''intersymbol interference'', which arises, for example, from distortions of the transmission channel or is related to a realization of the receiver filter that deviates from the Nyquist condition. zusammenhängen. Subsequently, some equalization methods are described which can be used to mitigate the system degradation due to intersymbol interference.
  
Die Beschreibung erfolgt durchgehend im Basisband. Die Ergebnisse lassen sich jedoch problemlos auch auf die im Kapitel &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]]&nbsp; behandelten Trägerfrequenzsysteme anwenden.
+
The description is given throughout in the baseband. However, the results can easily be applied to the carrier frequency systems discussed in the chapter &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation]].&nbsp;
  
Im Einzelnen werden behandelt:
+
In detail, it deals with:
*die Ursachen und Auswirkungen von Impulsinterferenzen,
+
*the causes and effects of intersymbol interference,
*das Augendiagramm als geeignetes Hilfsmittel zur Beschreibung von Impulsinterferenzen,
+
*the eye diagram as a suitable tool for the description of intersymbol interferences,
*die Fehlerwahrscheinlichkeitsberechnung unter Berücksichtigung von Kanalverzerrungen,
+
*the error probability calculation considering channel distortions,
*der Einfluss von Impulsinterferenzen bei mehrstufiger und/oder codierter Übertragung,
+
*the influence of intersymbol interference in multilevel and/or coded transmission,
*der optimale Nyquistentzerrer als Beispiel für lineare Kanalentzerrung,
+
*the optimal Nyquist equalizer as an example of linear channel equalization,
*die Entscheidungsrückkopplung (DFE) – eine effektive nichtlineare Entscheiderrealisierung,
+
*the decision feedback loop (DFE) – an effective nonlinear decision realization,
*der Korrelationsempfänger als Beispiel für Maximum–Likelihood– bzw. MAP–Entscheidung,
+
*the correlation receiver as an example of maximum likelihood or MAP decision making,
*der Viterbi–Empfänger, ein aufwandsreduzierter MAP–Entscheidungsalgorithmus.
+
*the Viterbi receiver, a reduced-effort MAP decision algorithm.
  
  
Weitere Informationen zum Thema sowie Aufgaben, Simulationen und Programmierübungen finden Sie im
+
Further information on the topic as well as exercises, simulations and programming exercises can be found in
  
*Versuch 3: &nbsp; Impulsinterferenzen und Entzerrung, &nbsp; &nbsp; Programm "bas"
+
*Experiment 3: &nbsp; Intersymbol interference and equalization, &nbsp; &nbsp; program "bas"
  
  
des Praktikums „Simulation digitaler Übertragungssysteme”. Diese (ehemalige) LNT-Lehrveranstaltung an der TU München basiert auf
+
of the practical course "Simulation of digital transmission systems". This (former) LNT course at the TU Munich is based on
  
*dem Lehrsoftwarepaket &nbsp;[http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Programme/LNTsim.zip LNTsim] &nbsp;&rArr;&nbsp; Link verweist auf die ZIP-Version des Programms und
+
*the teaching software package &nbsp;[http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Programme/LNTsim.zip LNTsim] &nbsp;&rArr;&nbsp; link refers to the ZIP version of the program and
*dieser &nbsp;[http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Texte/Impulsinterferenzen&Entzerrung.pdf Praktikumsanleitung]  &nbsp;&rArr;&nbsp; Link verweist auf die PDF-Version (76 Seiten).
+
*this &nbsp;[http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Texte/Impulsinterferenzen&Entzerrung.pdf lab manual]  &nbsp;&rArr;&nbsp; link refers to the PDF version (76 pages).
  
  
 
== Definition of the term "Intersymbol Interference" ==
 
== Definition of the term "Intersymbol Interference" ==
 
<br>
 
<br>
Für die beiden ersten Hauptkapitel dieses Buches wurde vorausgesetzt, dass der ''Detektionsgrundimpuls''&nbsp; $g_d(t)$
+
For the first two main chapters of this book, it was assumed that the ''basic transmitter pulse''&nbsp; $g_d(t)$
*entweder auf den Zeitbereich &nbsp;$|t| \le T$&nbsp; begrenzt ist, oder<br>
+
*either is limited to the time domain &nbsp;$|t| \le T$,&nbsp; or<br>
*äquidistante Nulldurchgänge im Symbolabstand $T$ aufweist.<br><br>
+
*has equidistant zero crossings in the symbol spacing $T$.<br><br>
  
Bezeichnen wir die Abtastwerte von &nbsp;$g_d(t)$&nbsp; bei Vielfachen der Symboldauer &nbsp;$T$&nbsp; (Abstand der Impulse) als die ''Detektionsgrundimpulswerte'', so wurde bisher stillschweigend vorausgesetzt:
+
If we denote the samples of &nbsp;$g_d(t)$&nbsp; at multiples of the symbol duration &nbsp;$T$&nbsp; (spacing of the pulses) as the ''basic transmitter pulse values'', it has been tacitly assumed so far:
 
:$$g_\nu = g_d(\nu T)  =  \left\{ \begin{array}{c} g_0     
 
:$$g_\nu = g_d(\nu T)  =  \left\{ \begin{array}{c} g_0     
 
  \\ 0  \\  \end{array} \right.\quad
 
  \\ 0  \\  \end{array} \right.\quad
\begin{array}{*{1}c} {\rm{f\ddot{u}r}}\\  {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}
+
\begin{array}{*{1}c} {\rm{for}}\\  {\rm{for}} \\ \end{array}
 
\begin{array}{*{20}c}\nu = 0, \\  \nu \ne 0. \\
 
\begin{array}{*{20}c}\nu = 0, \\  \nu \ne 0. \\
 
\end{array}$$
 
\end{array}$$
  
Als Konsequenz dieser Annahme hat sich daraus ergeben, dass im binären Fall der Nutzanteil (Index "S")
+
As a consequence of this assumption it has resulted that in the binary case the signal component (index "S") is
 
:$$d_{\rm S}(t) = \sum_{\nu = -\infty}^{+\infty} a_\nu \cdot g_d ( t - \nu \cdot T)
 
:$$d_{\rm S}(t) = \sum_{\nu = -\infty}^{+\infty} a_\nu \cdot g_d ( t - \nu \cdot T)
  \hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm}a_\nu \in \{ -1, +1\}$$
+
  \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}a_\nu \in \{ -1, +1\}$$
  
des Detektionssignals zu den Zeitpunkten &nbsp;$\nu \cdot T$&nbsp; nur zwei verschiedene Werte annehmen kann, nämlich &nbsp;$\pm g_0$.<br>
+
of the detection signal at the instants &nbsp;$\nu \cdot T$&nbsp; can take only two different values, namely &nbsp;$\pm g_0$.<br>
  
*Das obere der beiden folgenden Zeitdiagramme zeigt &nbsp;$d_{\rm S}(t)$&nbsp; für diesen impulsinterferenzfreien Fall mit &nbsp;$g_{\nu \ne 0} = 0$&nbsp; und &nbsp;$g_0 = s_0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; der Grundimpulshauptwert &nbsp;$g_0$&nbsp; ist gleich dem Maximalwert  &nbsp;$s_0$&nbsp; des Sendesignals.  
+
*The upper of the following two time plots shows &nbsp;$d_{\rm S}(t)$&nbsp; for this intersymbol interference-free case with &nbsp;$g_{\nu \ne 0} = 0$&nbsp; and &nbsp;$g_0 = s_0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the basic pulse main value &nbsp;$g_0$&nbsp; is equal to the maximum value &nbsp;$s_0$&nbsp; of the transmitted signal.
*Darunter gezeichnet ist der Signalverlauf für einen Satz von  Detektionsgrundimpulswerten, die Impulsinterferenzen hervorrufen:
+
*Drawn below is the signal waveform for a set of basic transmitter pulse values that cause intersymbol interference:
 
:$$g_0 = 0.6 \cdot s_0, \hspace{0.2cm}g_{-1} = g_{+1} =0.2 \cdot s_0, \hspace{0.2cm}g_\nu
 
:$$g_0 = 0.6 \cdot s_0, \hspace{0.2cm}g_{-1} = g_{+1} =0.2 \cdot s_0, \hspace{0.2cm}g_\nu
  =0\hspace{0.3cm}{\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.3cm} |\nu| \ge 2 \hspace{0.05cm}.$$
+
  =0\hspace{0.3cm}{\rm for}\hspace{0.3cm} |\nu| \ge 2 \hspace{0.05cm}.$$
  
[[File:Dig_T_3_1_S1_version3.png|center|frame|Detektionssignale mit und ohne Impulsinterferenzen|class=fit]]
+
[[File:Dig_T_3_1_S1_version3.png|center|frame|Detection signals with and without intersymbol interferences|class=fit]]
  
In beiden Darstellungen ist der (jeweils dreieckförmige) Detektionsgrundimpuls &nbsp;$g_d(t)$&nbsp; rot eingezeichnet. Die Detektionszeitpunkte &nbsp;$\nu \cdot T$&nbsp; sind jeweils durch blaue Kreise markiert. Man erkennt aus dem unteren Signalverlauf:
+
In both plots, the (in each case triangular) basic transmitter pulse &nbsp;$g_d(t)$&nbsp; is drawn in red. The detection times &nbsp;$\nu \cdot T$&nbsp; are marked by blue circles. One can see from the lower signal plot:
*Der Detektionsgrundimpuls &nbsp;$g_d(t)$&nbsp; ist nun im Bereich &nbsp;$|t| \le 1.5 \cdot T$&nbsp; von Null verschieden und erfüllt somit nicht mehr die &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#Erstes_Nyquistkriterium_im_Zeitbereich|Nyquist&ndash;Bedingung (im Zeitbereich)]]&nbsp; für Impulsinterferenzfreiheit.<br>
+
*The basic transmitter pulse &nbsp;$g_d(t)$&nbsp; is now different from zero in the range &nbsp;$|t| \le 1.5 \cdot T$&nbsp;and thus no longer fulfills the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Properties_of_Nyquist_Systems#First_Nyquist_criterion_in_the_time_domain|Nyquist condition (in the time domain)]]&nbsp; for intersymbol interference freedom.<br>
*Dies hat zur Folge, dass zu den (mit Kreisen markierten) Detektionszeitpunkten nicht nur zwei Werte &nbsp;$(\pm s_0)$&nbsp; möglich sind wie im oberen Bild. Vielmehr gilt hier für die Detektionsnutzabtastwerte:
+
*As a consequence, at the detection times (marked with circles) not only two values &nbsp;$(\pm s_0)$&nbsp; are possible as in the upper figure. Rather, the following applies here for the detection sampling values:
 
:$$d_{\rm S}(\nu \cdot T)  \in \{ \pm s_0, \ \pm 0.6 s_0, \ \pm 0.2  s_0\}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$d_{\rm S}(\nu \cdot T)  \in \{ \pm s_0, \ \pm 0.6 s_0, \ \pm 0.2  s_0\}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Die Abtastwerte, die aufgrund ungünstiger Nachbarimpulse nahe an der Schwelle liegen, werden durch das AWGN&ndash;Rauschen $($mit Rauscheffektivwert &nbsp;$\sigma_d)$&nbsp; häufiger verfälscht als die weiter außen liegenden Abtastwerte.<br>
+
*The samples that are close to the threshold due to unfavorable neighboring pulses are more often corrupted by the AWGN noise $($with noise rms value &nbsp;$\sigma_d)$&nbsp; than the samples further out.<br>
  
*Beispielhaft werden mit &nbsp;$\sigma_d = 0.2 \cdot s_0$&nbsp; die blau ausgefüllten Punkte nahe der Schwelle mit großer Wahrscheinlichkeit &nbsp;$p_{\rm S} ={\rm Q} (1) \approx 16 \%$&nbsp; verfälscht und die äußeren Punkte (mit weißem Kern) nur mit &nbsp;$p_{\rm S} ={\rm Q} (5) \approx 3 \cdot 10^{-7}$. Die Fehlerwahrscheinlichkeit der rot gefüllten Punkte (alle im Abstand &nbsp;$0.6 \cdot s_0$&nbsp;  von der Null&ndash;Linie) liegt dazwischen: &nbsp; $p_{\rm S} ={\rm Q} (3) \approx 0.13 \%$.
+
*Exemplarily, with &nbsp;$\sigma_d = 0.2 \cdot s_0$&nbsp; the blue filled points close to the threshold are corrupted with high probability &nbsp;$p_{\rm S} ={\rm Q} (1) \approx 16 \%$&nbsp; and the outer points (with white core) are corrupted only with &nbsp;$p_{\rm S} ={\rm Q} (5) \approx 3 \cdot 10^{-7}$. The error probability of the red filled points (all at distance &nbsp;$0.6 \cdot s_0$&nbsp;  from the zero line) is in between: &nbsp; $p_{\rm S} ={\rm Q} (3) \approx 0.13 \%$.
  
  
Bisher wurden die Auswirkungen von Impulsinterferenzen möglichst anschaulich dargelegt. Es fehlt noch eine exakte Begriffsbestimmung.
+
So far, the effects of intersymbol interference have been presented as vividly as possible. An exact definition is still missing.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Definition:}$&nbsp; Unter &nbsp;'''Impulsinterferenz'''&nbsp; (englisch: <i>Intersymbol Interference</i>, ISI) versteht man die Beeinträchtigung einer Symbolentscheidung aufgrund einer Impulsverbreiterung (Zeitdispersion) und damit verbunden eine Abhängigkeit der Fehlerwahrscheinlichkeit von den Nachbarsymbolen.<br>
+
$\text{Definition:}$&nbsp; '''Intersymbol interference'''&nbsp; (ISI) is the impairment of a symbol decision due to pulse broadening (time dispersion) and the associated dependence of the error probability on the neighboring symbols.<br>
  
In anderen Worten:
+
In other words:
*Durch abfallende Flanken vorangegangener Impulse ("Nachläufer") und ansteigende Flanken nachfolgender Impulse ("Vorläufer") wird der momentan anliegende Detektionsabtastwert verändert.<br>
+
*Falling edges of preceding pulses ("trailing") and rising edges of following pulses ("leading") change the currently applied detection sample value.<br>
*Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit einer Fehlentscheidung für das aktuelle Symbol vergrößert oder verkleinert werden, je nachdem, ob der Abstand zur Schwelle kleiner oder größer wird.<br>
+
*This can increase or decrease the probability of a wrong decision for the current symbol, depending on whether the distance to the threshold becomes smaller or larger.<br>
*Im statistischen Mittel &ndash; also bei Betrachtung einer (unendlich) langen Symbolfolge &ndash; führt dies stets zu einer (beträchtlichen) Erhöhung der (mittleren) Symbolfehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;$p_{\rm S} $.}}
+
*On statistical average &ndash; i.e. when considering an (infinitely) long symbol sequence &ndash; this always leads to a (considerable) increase of the (mean) symbol error probability &nbsp;$p_{\rm S} $.}}
  
  
== Mögliche Ursachen für Impulsinterferenzen ==
+
== Possible causes for intersymbol interference ==
 
<br>
 
<br>
Die folgende Grafik zeigt das &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Ber%C3%BCcksichtigung_von_Impulsinterferenzen#Definition_und_Aussagen_des_Augendiagramms| Augendiagramm]]&nbsp; für ein
+
The following figure shows the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference#Definition_and_statements_of_the_eye_diagram| eye diagram]]&nbsp; for a
*impulsinterferenzbehaftetes System ohne Rauschen (links),<br>
+
*intersymbol interference system without noise (left),<br>
*ein impulsinterferenzfreies System ohne Rauschen (Mitte),<br>
+
*a intersymbol interference free system without noise (middle),<br>
*das gleiche impulsinterferenzfreie System mit Rauschen (rechts).<br><br>
+
*the same intersymbol interference free system with noise (right).<br><br>
  
Auf die Definition, Bedeutung und Berechnung des Augendiagramms wird im Kapitel  &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Ber%C3%BCcksichtigung_von_Impulsinterferenzen|Fehlerwahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung von Impulsinterferenzen]]&nbsp; noch ausführlich eingegangen. Die Grafiken wurden mit dem Programm "bas" erzeugt. Hinweise zum Download dieses Programms finden Sie am Beginn dieses Kapitels.<br>
+
The definition, meaning and calculation of the eye diagram will be discussed in detail in the chapter &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference|Error Probability with Intersymbol Interference]].&nbsp; The graphics were generated with the program "bas". Notes on the download of this program can be found at the beginning of this chapter.<br>
  
[[File:P_ID1364__Dig_T_3_1_S2_version1.png|center|frame|Augendiagramme mit und ohne Impulsinterferenzen|class=fit]]
+
[[File:P_ID1364__Dig_T_3_1_S2_version1.png|center|frame|Eye diagrams with and without intersymbol interference|class=fit]]
  
Diese Bilder können wie folgt interpretiert werden:
+
These images can be interpreted as follows:
*Das mittlere Diagramm stammt von einem Nyquistsystem mit Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Charakteristik $($Rolloff&ndash;Faktor &nbsp;$r = 0.5)$. Es treten somit keine Impulsinterferenzen auf.<br>
+
*The middle diagram is from a Nyquist system with cosine rolloff characteristic $($rolloff factor &nbsp;$r = 0.5)$. Thus, no intersymbol interference occurs.<br>
  
*Das rechte Augendiagramm stammt vom gleichen impulsinterferenzfreien System wie die mittlere Grafik, obwohl hier &nbsp;$d(t) = \pm s_0$&nbsp; nicht zutrifft. Die Abweichungen von den Sollwerten &nbsp;$\pm s_0$&nbsp; sind hier auf das AWGN&ndash;Rauschen zurückzuführen.<br>
+
*The right eye diagram is from the same intersymbol interference free system as the middle diagram, although here &nbsp;$d(t) = \pm s_0$&nbsp; does not apply. The deviations from the nominal values &nbsp;$\pm s_0$&nbsp; are here due to the AWGN noise.<br>
  
*Aus diesem letzten Punkt folgt die wichtige Erkenntnis: &nbsp; Die Frage, ob ein impulsinterferenzfreies oder ein impulsinterferenzbehaftetes System vorliegt, kann nur anhand des Detektionssignals (bzw. des Augendiagramms) '''ohne Rauschen''' entschieden werden.<br>
+
*From this last point follows the important insight: &nbsp; The question whether there is an intersymbol interference free or an intersymbol interference affected system can only be decided on the basis of the detection signal (or the eye diagram) '''without noise'''.<br>
  
*Das linke Diagramm weist auf Impulsinterferenzen hin, da hier kein Rauschen berücksichtigt ist. Grund dieser Impulsinterferenzen könnte sein, dass der Gesamtfrequenzgang von Sender und Empfänger das &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#Erstes_Nyquistkriterium_im_Frequenzbereich|erste Nyquistkriterium]]&nbsp; aufgrund von Toleranzen nicht exakt erfüllt.<br>
+
*The left diagram indicates intersymbol interference, since no noise is taken into account here. The reason for this intersymbol interference could be that the overall frequency response of transmitter and receiver does not exactly fulfill the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Properties_of_Nyquist_Systems#First_Nyquist_criterion_in_the_frequency_domain|first Nyquist criterion]]&nbsp; due to tolerances.<br>
  
*Impulsinterferenzen entstehen aber auch bei einem Kanal mit frequenzabhängigem Frequenzgang &nbsp;$H_{\rm K}(f)$, wenn es dem Empfänger nicht gelingt, die Dämpfungs&ndash; und Phasenverzerrungen des Kanals vollständig (also hundertprozentig) zu kompensieren.<br>
+
*However, intersymbol interference also occurs with a channel with frequency-dependent frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$, if the receiver does not succeed in compensating the attenuation and phase distortions of the channel completely (i.e. one hundred percent).<br>
  
*Letztendlich kommt es auch beim mittleren System zu Impulsinterferenzen, wenn nicht exakt in Augenmitte entschieden wird, sondern zu einem Detektionszeitpunkt &nbsp;$T_{\rm D} \ne 0$. Dann müssen die Detektionsgrundimpulswerte zu &nbsp;$g_\nu = g_d(T_{\rm D} + \nu \cdot T)$&nbsp; definiert werden.<br>
+
*Finally, even with the middle system, intersymbol interference occurs if the decision is not made exactly in the center of the eye, but at a detection time &nbsp;$T_{\rm D} \ne 0$. Then the basic transmitter pulse values must be defined to &nbsp;$g_\nu = g_d(T_{\rm D} + \nu \cdot T)$.&nbsp;<br>
  
  
== Einige Anmerkungen zum Kanalfrequenzgang ==
+
== Some remarks on the channel frequency response ==
 
<br>
 
<br>
Für die weiteren Abschnitte in diesem dritten Hauptkapitel wird (meist) von folgendem Blockschaltbild ausgegangen. Der wesentliche Unterschied gegenüber dem [[Digital_Signal_Transmission/Systemkomponenten_eines_Basisbandübertragungssystems#Ersatzschaltbild_und_Voraussetzungen_f.C3.BCr_das_erste_Hauptkapitel|Blockschaltbild zum Hauptkapitel 1]]&nbsp; ist der Kanalfrequenzgang &nbsp;$H_{\rm K}(f)$, der bisher stets als ideal &nbsp; &rArr; &nbsp; &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$&nbsp; vorausgesetzt wurde.<br>
+
For the further sections in this third main chapter (mostly) the following block diagram is assumed. The main difference to the [[Digital_Signal_Transmission/System_Components_of_a_Baseband_Transmission_System#Block_diagram_and_prerequisites_for_the_first_main_chapter|block diagram of main chapter 1]]&nbsp; is the channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$, which was always assumed to be ideal &nbsp; &rArr; &nbsp; &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$.&nbsp; <br>
  
[[File:Dig_T_3_1_S5_version2.png|center|frame|Blockschaltbild eines  Systems mit verzerrendem Kanal|class=fit]]
+
[[File:Dig_T_3_1_S5_version2.png|center|frame|Block diagram of a system with distorting channel|class=fit]]
  
Im Folgenden gelte für den ''Frequenzgang''&nbsp; und die ''Impulsantwort''&nbsp; des Kanals &nbsp;$(\rm exp[ . ]$&nbsp; bezeichnet die Exponentialfunktion$)$:
+
In the following, apply to the ''frequency response''&nbsp; and ''impulse response''&nbsp; of the channel &nbsp;$(\rm exp[ . ]$&nbsp; denotes the exponential function$)$:
 
:$$H_{\rm K}(f)  =  {\rm exp} \left[ - a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} \cdot \sqrt{\frac{f}{R_{\rm B}/2}}\hspace{0.1cm}\right] \cdot
 
:$$H_{\rm K}(f)  =  {\rm exp} \left[ - a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} \cdot \sqrt{\frac{f}{R_{\rm B}/2}}\hspace{0.1cm}\right] \cdot
 
   {\rm exp} \left[ - {\rm j} \cdot a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} \cdot \sqrt{\frac{f}{R_{\rm B}/2}}\hspace{0.1cm}\right]
 
   {\rm exp} \left[ - {\rm j} \cdot a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} \cdot \sqrt{\frac{f}{R_{\rm B}/2}}\hspace{0.1cm}\right]
Line 120: Line 120:
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Hierbei gibt &nbsp;$a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})}$&nbsp; die Kabeldämpfung bei der halben Bitrate an. Wir nennen diese Größe  die &nbsp;'''charakteristische Kabeldämpfung'''&nbsp; in Neper (Np):
+
Here &nbsp;$a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})}$&nbsp; indicates the cable attenuation at half the bit rate. We call this quantity the &nbsp;'''characteristic cable attenuation'''&nbsp; in Neper (Np):
 
:$$a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} = a_{\rm K}(f = {R_{\rm B}}/{2})= 0.1151 \cdot a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm dB})}
 
:$$a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} = a_{\rm K}(f = {R_{\rm B}}/{2})= 0.1151 \cdot a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm dB})}
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
*Der entsprechende dB&ndash;Wert ist um den Faktor &nbsp;$1/0.1151 = 8.686$&nbsp; größer.
+
*The corresponding dB value is larger by a factor of &nbsp;$1/0.1151 = 8.686$.&nbsp;  
*Bei realisierten Systemen liegt die charakteristische Kabeldämpfung &nbsp;$a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm dB})}$&nbsp; im Bereich zwischen &nbsp;$40 \ \rm dB$&nbsp; und &nbsp;$100 \ \rm dB$.  
+
*In realized systems, the characteristic cable attenuation &nbsp;$a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm dB})}$&nbsp; is in the range between &nbsp;$40 \ \rm dB$&nbsp; and &nbsp;$100 \ \rm dB$.  
*Auf den Zusatz "(Np)" bzw. "(dB)" wird im Folgenden meist verzichtet.<br>
+
*The addition "(Np)" or "(dB)" is mostly omitted in the following.<br>
  
  
Im Hauptkapitel 4: &nbsp; "Eigenschaften elektrischer Leitungen" des Buches &nbsp;[[Lineare zeitinvariante Systeme]]&nbsp; wird gezeigt, dass diese Gleichungen die Verhältnisse bei leitungsgebundener Übertragung über Koaxialkabel mit guter Näherung wiedergeben. Bei einer Zweidrahtleitung ist die Abweichung zwischen dieser sehr einfachen, analytisch handhabbaren Formel und den tatsächlichen Gegebenheiten etwas größer.<br>
+
In the main chapter 4: &nbsp; "Properties of electrical lines" of the book &nbsp;[[Linear and Time Invariant Systems]]&nbsp; it is shown that these equations reproduce the conditions with good approximation for line-bound transmission via coaxial cable. For a two-wire line, the deviation between this very simple, analytically manageable formula and the actual conditions is somewhat larger.<br>
  
Eine kurze Zusammenfassung dieser Herleitungen folgt auf den beiden nächsten Seiten, wobei wir uns zur Vereinfachung auf ein redundanzfreies Binärsystem festlegen. Somit ist die Bitrate &nbsp;$R_{\rm B}$&nbsp; gleich dem Kehrwert der Symboldauer &nbsp;$T$.<br>
+
A short summary of these derivations follows on the next two pages. For simplicity, we will use a redundancy-free binary system. Thus, the bit rate &nbsp;$R_{\rm B}$&nbsp; is equal to the reciprocal of the symbol duration &nbsp;$T$.<br>
  
  
 
== Frequency response of a coaxial cable==
 
== Frequency response of a coaxial cable==
 
<br>
 
<br>
Ein &nbsp;'''Koaxialkabel'''&nbsp; mit dem Kerndurchmesser 2.6 mm, dem Außendurchmesser 9.5 mm und der Länge &nbsp;$l$&nbsp; hat den folgenden Frequenzgang:
+
A &nbsp;'''coaxial cable'''&nbsp; with core diameter 2.6 mm, outer diameter 9.5 mm and length &nbsp;$l$&nbsp; has the following frequency response:
 
:$$H_{\rm K}(f) = {\rm e}^{-\left[ a_{\rm K}(f) + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} b_{\rm K}(f)\right] } = {\rm e}^{- \alpha_0 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} l}  \cdot
 
:$$H_{\rm K}(f) = {\rm e}^{-\left[ a_{\rm K}(f) + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} b_{\rm K}(f)\right] } = {\rm e}^{- \alpha_0 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} l}  \cdot
 
   {\rm e}^{- (\alpha_1 + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \beta_1) \hspace{0.05cm}\cdot f \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l}  \cdot
 
   {\rm e}^{- (\alpha_1 + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \beta_1) \hspace{0.05cm}\cdot f \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l}  \cdot
Line 142: Line 142:
 
     \hspace{0.05cm},$$
 
     \hspace{0.05cm},$$
  
wobei bei diesen Abmessungen &ndash; man spricht vom ''Normalkoaxialkabel''&nbsp; &ndash; folgende Parameter gelten:
+
where the following parameters apply for these dimensions &ndash; referred to as ''normal coaxial cable'':&nbsp;
 
:$$\alpha_0 = 0.00162 \hspace{0.15cm}\frac {\rm Np}{\rm km} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
 
:$$\alpha_0 = 0.00162 \hspace{0.15cm}\frac {\rm Np}{\rm km} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
 
   \alpha_1 = 0.000435 \hspace{0.15cm}\frac {\rm Np}{{\rm km} \cdot {\rm MHz}} \hspace{0.05cm},
 
   \alpha_1 = 0.000435 \hspace{0.15cm}\frac {\rm Np}{{\rm km} \cdot {\rm MHz}} \hspace{0.05cm},
Line 152: Line 152:
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
In obiger Gleichung sind die Dämpfungsparameter in "Np" einzusetzen und  die Phasenparameter in "rad".<br>
+
In the above equation the attenuation parameters are to be inserted in "Np" and the phase parameters in "rad".<br>
  
[[File:P_ID1367__Dig_T_3_1_S3a_version1.png|right|frame|Dämpfungsverlauf eines Koaxialkabels und Näherung (nur Skineffekt)|class=fit]]<br>
+
[[File:P_ID1367__Dig_T_3_1_S3a_version1.png|right|frame|Attenuation curve of a coaxial cable and approximation (skin effect only)|class=fit]]<br>
Die Grafik zeigt den exakten Dämpfungsverlauf und eine Näherung
+
The graph shows the exact attenuation curve and an approximation
 
:$$a_{\rm K}(f)  = \alpha_0  \cdot l \hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm} \alpha_1  \cdot f \cdot l
 
:$$a_{\rm K}(f)  = \alpha_0  \cdot l \hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm} \alpha_1  \cdot f \cdot l
 
  + \hspace{0.05cm} \alpha_2  \cdot \sqrt{f} \cdot l \hspace{0.05cm},$$
 
  + \hspace{0.05cm} \alpha_2  \cdot \sqrt{f} \cdot l \hspace{0.05cm},$$
 
:$$a_{\rm K}(f)  \approx \alpha_2  \cdot \sqrt{f} \cdot l$$
 
:$$a_{\rm K}(f)  \approx \alpha_2  \cdot \sqrt{f} \cdot l$$
  
für ein Normalkoaxialkabel von einem Kilometer Länge für Frequenzen bis &nbsp;$f = 1000\ \rm  MHz$.  
+
for a standard coaxial cable of one kilometer length for frequencies up to &nbsp;$f = 1000\ \rm  MHz$.  
*Die Achse ist links in $\rm dB$ und rechts  in  $\rm Np$ beschriftet.  
+
*The axis is labeled in $\rm dB$ on the left and $\rm Np$ on the right.
*Ein $\rm Np$ (''Neper'') entspricht  $8.686 \ \rm dB$.
+
*One $\rm Np$ (''Neper'') corresponds to $8.686 \ \rm dB$.
  
  
Wir verweisen an dieser Stelle auf das interaktive Applet [[Applets:Dämpfung_von_Kupferkabeln|Dämpfung von Kupferkabeln.]]<br>
+
At this point we refer to the interactive applet [[Applets:Attenuation_of_Copper_Cables|Attenuation of copper cables.]]<br>
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Man erkennt aus dem Diagramm und obigen Zahlenwerten:
+
You can see from the diagram and the above numerical values:
*Der von den Ohmschen Verlusten herrührende erste Term &nbsp;$(\alpha_0 \cdot l)$&nbsp; ist vernachlässigbar. Zudem bewirkt dieser Term nur eine frequenzunabhängige Dämpfung und keine Signalverzerrung.<br>
+
*The first term &nbsp;$(\alpha_0 \cdot l)$&nbsp; originating from the ohmic losses is negligible. Moreover, this term causes only frequency-independent attenuation and no signal distortion.<br>
  
*Der auf die Querverluste zurückzuführende zweite Term &nbsp;$(\alpha_1 \cdot f \cdot l)$&nbsp; ist proportional zur Frequenz und macht sich daher erst bei sehr hohen Frequenzen bemerkbar; er wird im Folgenden vernachlässigt.<br>
+
*The second term &nbsp;$(\alpha_1 \cdot f \cdot l)$,&nbsp; due to the transverse losses, is proportional to frequency and therefore becomes noticeable only at very high frequencies; it will be neglected in the following.<br>
  
*Die frequenzproportionale Phase &nbsp;$(\beta_1 \cdot f \cdot l)$&nbsp; hat nur eine Signalverzögerung um die Laufzeit &nbsp;$\beta_1/(2\pi)  \cdot l$&nbsp; zur Folge, jedoch keine Verzerrung. Auch diese Laufzeit wird im Folgenden außer Acht gelassen.<br>
+
*The frequency-proportional phase &nbsp;$(\beta_1 \cdot f \cdot l)$&nbsp; only results in a signal delay by the transit time &nbsp;$\beta_1/(2\pi)  \cdot l$,&nbsp; but no distortion. This transit time will also be disregarded in the following.<br>
  
*Mit diesen Vereinfachungen wird somit der Frequenzgang allein durch den Skineffekt bestimmt. Da die Zahlenwerte für &nbsp;$\alpha_2$&nbsp; (in Np) und &nbsp;$\beta_2$&nbsp; (in rad) übereinstimmen, gilt somit auch:
+
*With these simplifications, the frequency response is thus determined by the skin effect alone. Since the numerical values for &nbsp;$\alpha_2$&nbsp; (in Np) and &nbsp;$\beta_2$&nbsp; (in rad) are the same, it follows that:
 
:$$H_{\rm K}(f)  ={\rm e}^{- (\alpha_2 + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \beta_2) \hspace{0.05cm}\cdot \sqrt{f} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l}
 
:$$H_{\rm K}(f)  ={\rm e}^{- (\alpha_2 + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \beta_2) \hspace{0.05cm}\cdot \sqrt{f} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l}
 
   \cdot {\rm e}^{- \alpha_2  \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l \hspace{0.05cm}\cdot \sqrt{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
 
   \cdot {\rm e}^{- \alpha_2  \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l \hspace{0.05cm}\cdot \sqrt{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
 
   2f}} \hspace{0.05cm}.$$
 
   2f}} \hspace{0.05cm}.$$
*Häufig wird in der Literatur &ndash; und auch in diesem Tutorial &ndash; das Dämpfungsmaß bei der halben Bitrate benutzt, das wir als &nbsp;''charakteristische Kabeldämpfung''&nbsp; (in Neper) bezeichnen:
+
*Often in the literature &ndash; and also in this tutorial &ndash; the attenuation measure at half the bit rate is used, which we call the &nbsp;''characteristic cable attenuation''&nbsp; (in Neper):
 
:$$a_{\star} = a_{\rm K}(f ={R_{\rm B}}/{2})= a_{\rm K}(f = \frac{1}{2 \cdot T})\approx \frac{\alpha_2 \cdot
 
:$$a_{\star} = a_{\rm K}(f ={R_{\rm B}}/{2})= a_{\rm K}(f = \frac{1}{2 \cdot T})\approx \frac{\alpha_2 \cdot
 
   l }{ \sqrt {2\cdot T}}
 
   l }{ \sqrt {2\cdot T}}
Line 184: Line 184:
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Bei einem Binärsystem mit der halben Bitrate &nbsp;$R_{\rm B}/2 = 280 \ \rm Mbit/s$&nbsp; und &nbsp;$l = 1\ \rm  km$&nbsp; ergibt sich &nbsp;$a_{\star}  \approx 4.55 \ \rm Np$&nbsp; bzw. &nbsp;$a_{\star}  \approx 40 \ \rm dB$&nbsp; (grün eingezeichnete Markierungen in obiger Grafik). Beträgt aber die halbe Bitrate nur &nbsp;$70 \ \rm Mbit/s$, so charakterisiert &nbsp;$a_{\star} = 40 \ \rm dB$&nbsp; ein Übertragungssystem mit der Kabellänge &nbsp;$l = 2\ \rm  km$.
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; Bei einem Binärsystem mit der halben Bitrate &nbsp;$R_{\rm B}/2 = 280 \ \rm Mbit/s$&nbsp; und &nbsp;$l = 1\ \rm  km$&nbsp; ergibt sich &nbsp;$a_{\star}  \approx 4.55 \ \rm Np$&nbsp; bzw. &nbsp;$a_{\star}  \approx 40 \ \rm dB$&nbsp; (grün eingezeichnete Markierungen in obiger Grafik). Beträgt aber die halbe Bitrate nur &nbsp;$70 \ \rm Mbit/s$, so charakterisiert &nbsp;$a_{\star} = 40 \ \rm dB$&nbsp; ein Übertragungssystem mit der Kabellänge &nbsp;$l = 2\ \rm  km$.
  
 
*Bereits an dieser Stelle weisen wir darauf hin, dass die obige Näherung &nbsp;$a_{\rm K}(f)  \approx \alpha_2  \cdot \sqrt{f} \cdot l$&nbsp; nur für Koaxialkabel zulässig ist, da bei diesen die Koeffizienten &nbsp;$\alpha_0$&nbsp; und  &nbsp;$\alpha_1$&nbsp; vernachlässigt werden  können.
 
*Bereits an dieser Stelle weisen wir darauf hin, dass die obige Näherung &nbsp;$a_{\rm K}(f)  \approx \alpha_2  \cdot \sqrt{f} \cdot l$&nbsp; nur für Koaxialkabel zulässig ist, da bei diesen die Koeffizienten &nbsp;$\alpha_0$&nbsp; und  &nbsp;$\alpha_1$&nbsp; vernachlässigt werden  können.

Revision as of 12:00, 23 April 2022

# OVERVIEW OF THE THIRD MAIN CHAPTER #


The third main chapter focuses on intersymbol interference, which arises, for example, from distortions of the transmission channel or is related to a realization of the receiver filter that deviates from the Nyquist condition. zusammenhängen. Subsequently, some equalization methods are described which can be used to mitigate the system degradation due to intersymbol interference.

The description is given throughout in the baseband. However, the results can easily be applied to the carrier frequency systems discussed in the chapter  Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation

In detail, it deals with:

  • the causes and effects of intersymbol interference,
  • the eye diagram as a suitable tool for the description of intersymbol interferences,
  • the error probability calculation considering channel distortions,
  • the influence of intersymbol interference in multilevel and/or coded transmission,
  • the optimal Nyquist equalizer as an example of linear channel equalization,
  • the decision feedback loop (DFE) – an effective nonlinear decision realization,
  • the correlation receiver as an example of maximum likelihood or MAP decision making,
  • the Viterbi receiver, a reduced-effort MAP decision algorithm.


Further information on the topic as well as exercises, simulations and programming exercises can be found in

  • Experiment 3:   Intersymbol interference and equalization,     program "bas"


of the practical course "Simulation of digital transmission systems". This (former) LNT course at the TU Munich is based on

  • the teaching software package  LNTsim  ⇒  link refers to the ZIP version of the program and
  • this  lab manual  ⇒  link refers to the PDF version (76 pages).


Definition of the term "Intersymbol Interference"


For the first two main chapters of this book, it was assumed that the basic transmitter pulse  $g_d(t)$

  • either is limited to the time domain  $|t| \le T$,  or
  • has equidistant zero crossings in the symbol spacing $T$.

If we denote the samples of  $g_d(t)$  at multiples of the symbol duration  $T$  (spacing of the pulses) as the basic transmitter pulse values, it has been tacitly assumed so far:

$$g_\nu = g_d(\nu T) = \left\{ \begin{array}{c} g_0 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm{for}}\\ {\rm{for}} \\ \end{array} \begin{array}{*{20}c}\nu = 0, \\ \nu \ne 0. \\ \end{array}$$

As a consequence of this assumption it has resulted that in the binary case the signal component (index "S") is

$$d_{\rm S}(t) = \sum_{\nu = -\infty}^{+\infty} a_\nu \cdot g_d ( t - \nu \cdot T) \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm}a_\nu \in \{ -1, +1\}$$

of the detection signal at the instants  $\nu \cdot T$  can take only two different values, namely  $\pm g_0$.

  • The upper of the following two time plots shows  $d_{\rm S}(t)$  for this intersymbol interference-free case with  $g_{\nu \ne 0} = 0$  and  $g_0 = s_0$   ⇒   the basic pulse main value  $g_0$  is equal to the maximum value  $s_0$  of the transmitted signal.
  • Drawn below is the signal waveform for a set of basic transmitter pulse values that cause intersymbol interference:
$$g_0 = 0.6 \cdot s_0, \hspace{0.2cm}g_{-1} = g_{+1} =0.2 \cdot s_0, \hspace{0.2cm}g_\nu =0\hspace{0.3cm}{\rm for}\hspace{0.3cm} |\nu| \ge 2 \hspace{0.05cm}.$$
Detection signals with and without intersymbol interferences

In both plots, the (in each case triangular) basic transmitter pulse  $g_d(t)$  is drawn in red. The detection times  $\nu \cdot T$  are marked by blue circles. One can see from the lower signal plot:

  • The basic transmitter pulse  $g_d(t)$  is now different from zero in the range  $|t| \le 1.5 \cdot T$ and thus no longer fulfills the  Nyquist condition (in the time domain)  for intersymbol interference freedom.
  • As a consequence, at the detection times (marked with circles) not only two values  $(\pm s_0)$  are possible as in the upper figure. Rather, the following applies here for the detection sampling values:
$$d_{\rm S}(\nu \cdot T) \in \{ \pm s_0, \ \pm 0.6 s_0, \ \pm 0.2 s_0\}\hspace{0.05cm}.$$
  • The samples that are close to the threshold due to unfavorable neighboring pulses are more often corrupted by the AWGN noise $($with noise rms value  $\sigma_d)$  than the samples further out.
  • Exemplarily, with  $\sigma_d = 0.2 \cdot s_0$  the blue filled points close to the threshold are corrupted with high probability  $p_{\rm S} ={\rm Q} (1) \approx 16 \%$  and the outer points (with white core) are corrupted only with  $p_{\rm S} ={\rm Q} (5) \approx 3 \cdot 10^{-7}$. The error probability of the red filled points (all at distance  $0.6 \cdot s_0$  from the zero line) is in between:   $p_{\rm S} ={\rm Q} (3) \approx 0.13 \%$.


So far, the effects of intersymbol interference have been presented as vividly as possible. An exact definition is still missing.

$\text{Definition:}$  Intersymbol interference  (ISI) is the impairment of a symbol decision due to pulse broadening (time dispersion) and the associated dependence of the error probability on the neighboring symbols.

In other words:

  • Falling edges of preceding pulses ("trailing") and rising edges of following pulses ("leading") change the currently applied detection sample value.
  • This can increase or decrease the probability of a wrong decision for the current symbol, depending on whether the distance to the threshold becomes smaller or larger.
  • On statistical average – i.e. when considering an (infinitely) long symbol sequence – this always leads to a (considerable) increase of the (mean) symbol error probability  $p_{\rm S} $.


Possible causes for intersymbol interference


The following figure shows the   eye diagram  for a

  • intersymbol interference system without noise (left),
  • a intersymbol interference free system without noise (middle),
  • the same intersymbol interference free system with noise (right).

The definition, meaning and calculation of the eye diagram will be discussed in detail in the chapter  Error Probability with Intersymbol Interference.  The graphics were generated with the program "bas". Notes on the download of this program can be found at the beginning of this chapter.

Eye diagrams with and without intersymbol interference

These images can be interpreted as follows:

  • The middle diagram is from a Nyquist system with cosine rolloff characteristic $($rolloff factor  $r = 0.5)$. Thus, no intersymbol interference occurs.
  • The right eye diagram is from the same intersymbol interference free system as the middle diagram, although here  $d(t) = \pm s_0$  does not apply. The deviations from the nominal values  $\pm s_0$  are here due to the AWGN noise.
  • From this last point follows the important insight:   The question whether there is an intersymbol interference free or an intersymbol interference affected system can only be decided on the basis of the detection signal (or the eye diagram) without noise.
  • The left diagram indicates intersymbol interference, since no noise is taken into account here. The reason for this intersymbol interference could be that the overall frequency response of transmitter and receiver does not exactly fulfill the  first Nyquist criterion  due to tolerances.
  • However, intersymbol interference also occurs with a channel with frequency-dependent frequency response  $H_{\rm K}(f)$, if the receiver does not succeed in compensating the attenuation and phase distortions of the channel completely (i.e. one hundred percent).
  • Finally, even with the middle system, intersymbol interference occurs if the decision is not made exactly in the center of the eye, but at a detection time  $T_{\rm D} \ne 0$. Then the basic transmitter pulse values must be defined to  $g_\nu = g_d(T_{\rm D} + \nu \cdot T)$. 


Some remarks on the channel frequency response


For the further sections in this third main chapter (mostly) the following block diagram is assumed. The main difference to the block diagram of main chapter 1  is the channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$, which was always assumed to be ideal   ⇒    $H_{\rm K}(f) = 1$. 

Block diagram of a system with distorting channel

In the following, apply to the frequency response  and impulse response  of the channel  $(\rm exp[ . ]$  denotes the exponential function$)$:

$$H_{\rm K}(f) = {\rm exp} \left[ - a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} \cdot \sqrt{\frac{f}{R_{\rm B}/2}}\hspace{0.1cm}\right] \cdot {\rm exp} \left[ - {\rm j} \cdot a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} \cdot \sqrt{\frac{f}{R_{\rm B}/2}}\hspace{0.1cm}\right] \hspace{0.05cm}, $$
$$h_{\rm K}(t) = \frac{ a_{{\star}\hspace{0.01cm}({\rm Np})}}{ \sqrt{2 \pi^2 \cdot R_{\rm B} \cdot t^3}}\hspace{0.1cm} \cdot {\rm exp} \left[ - \frac{a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})}^2}{2 \pi \cdot R_{\rm B} \cdot t}\hspace{0.1cm}\right] \hspace{0.05cm}.$$

Here  $a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})}$  indicates the cable attenuation at half the bit rate. We call this quantity the  characteristic cable attenuation  in Neper (Np):

$$a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm Np})} = a_{\rm K}(f = {R_{\rm B}}/{2})= 0.1151 \cdot a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm dB})} \hspace{0.05cm}.$$
  • The corresponding dB value is larger by a factor of  $1/0.1151 = 8.686$. 
  • In realized systems, the characteristic cable attenuation  $a_{{\star} \hspace{0.01cm}({\rm dB})}$  is in the range between  $40 \ \rm dB$  and  $100 \ \rm dB$.
  • The addition "(Np)" or "(dB)" is mostly omitted in the following.


In the main chapter 4:   "Properties of electrical lines" of the book  Linear and Time Invariant Systems  it is shown that these equations reproduce the conditions with good approximation for line-bound transmission via coaxial cable. For a two-wire line, the deviation between this very simple, analytically manageable formula and the actual conditions is somewhat larger.

A short summary of these derivations follows on the next two pages. For simplicity, we will use a redundancy-free binary system. Thus, the bit rate  $R_{\rm B}$  is equal to the reciprocal of the symbol duration  $T$.


Frequency response of a coaxial cable


A  coaxial cable  with core diameter 2.6 mm, outer diameter 9.5 mm and length  $l$  has the following frequency response:

$$H_{\rm K}(f) = {\rm e}^{-\left[ a_{\rm K}(f) + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} b_{\rm K}(f)\right] } = {\rm e}^{- \alpha_0 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} l} \cdot {\rm e}^{- (\alpha_1 + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \beta_1) \hspace{0.05cm}\cdot f \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l} \cdot {\rm e}^{- (\alpha_2 + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \beta_2) \hspace{0.05cm}\cdot \sqrt{f} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l} \hspace{0.05cm},$$

where the following parameters apply for these dimensions – referred to as normal coaxial cable

$$\alpha_0 = 0.00162 \hspace{0.15cm}\frac {\rm Np}{\rm km} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \alpha_1 = 0.000435 \hspace{0.15cm}\frac {\rm Np}{{\rm km} \cdot {\rm MHz}} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_2 = 0.2722 \hspace{0.15cm}\frac {\rm Np}{{\rm km} \cdot \sqrt{\rm MHz}} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \beta_1 = 21.78 \hspace{0.15cm}\frac {\rm rad}{{\rm km} \cdot {\rm MHz}} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \beta_2 = 0.2722 \hspace{0.15cm}\frac {\rm rad}{{\rm km} \cdot \sqrt{\rm MHz}} \hspace{0.05cm}.$$

In the above equation the attenuation parameters are to be inserted in "Np" and the phase parameters in "rad".

Attenuation curve of a coaxial cable and approximation (skin effect only)


The graph shows the exact attenuation curve and an approximation

$$a_{\rm K}(f) = \alpha_0 \cdot l \hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm} \alpha_1 \cdot f \cdot l + \hspace{0.05cm} \alpha_2 \cdot \sqrt{f} \cdot l \hspace{0.05cm},$$
$$a_{\rm K}(f) \approx \alpha_2 \cdot \sqrt{f} \cdot l$$

for a standard coaxial cable of one kilometer length for frequencies up to  $f = 1000\ \rm MHz$.

  • The axis is labeled in $\rm dB$ on the left and $\rm Np$ on the right.
  • One $\rm Np$ (Neper) corresponds to $8.686 \ \rm dB$.


At this point we refer to the interactive applet Attenuation of copper cables.

You can see from the diagram and the above numerical values:

  • The first term  $(\alpha_0 \cdot l)$  originating from the ohmic losses is negligible. Moreover, this term causes only frequency-independent attenuation and no signal distortion.
  • The second term  $(\alpha_1 \cdot f \cdot l)$,  due to the transverse losses, is proportional to frequency and therefore becomes noticeable only at very high frequencies; it will be neglected in the following.
  • The frequency-proportional phase  $(\beta_1 \cdot f \cdot l)$  only results in a signal delay by the transit time  $\beta_1/(2\pi) \cdot l$,  but no distortion. This transit time will also be disregarded in the following.
  • With these simplifications, the frequency response is thus determined by the skin effect alone. Since the numerical values for  $\alpha_2$  (in Np) and  $\beta_2$  (in rad) are the same, it follows that:
$$H_{\rm K}(f) ={\rm e}^{- (\alpha_2 + {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \beta_2) \hspace{0.05cm}\cdot \sqrt{f} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l} \cdot {\rm e}^{- \alpha_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}l \hspace{0.05cm}\cdot \sqrt{{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} 2f}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Often in the literature – and also in this tutorial – the attenuation measure at half the bit rate is used, which we call the  characteristic cable attenuation  (in Neper):
$$a_{\star} = a_{\rm K}(f ={R_{\rm B}}/{2})= a_{\rm K}(f = \frac{1}{2 \cdot T})\approx \frac{\alpha_2 \cdot l }{ \sqrt {2\cdot T}} \hspace{0.05cm}.$$

$\text{Example 1:}$  Bei einem Binärsystem mit der halben Bitrate  $R_{\rm B}/2 = 280 \ \rm Mbit/s$  und  $l = 1\ \rm km$  ergibt sich  $a_{\star} \approx 4.55 \ \rm Np$  bzw.  $a_{\star} \approx 40 \ \rm dB$  (grün eingezeichnete Markierungen in obiger Grafik). Beträgt aber die halbe Bitrate nur  $70 \ \rm Mbit/s$, so charakterisiert  $a_{\star} = 40 \ \rm dB$  ein Übertragungssystem mit der Kabellänge  $l = 2\ \rm km$.

  • Bereits an dieser Stelle weisen wir darauf hin, dass die obige Näherung  $a_{\rm K}(f) \approx \alpha_2 \cdot \sqrt{f} \cdot l$  nur für Koaxialkabel zulässig ist, da bei diesen die Koeffizienten  $\alpha_0$  und  $\alpha_1$  vernachlässigt werden können.
  • Für eine  symmetrische Zweidrahtleitung  sind die Koeffizienten  $\alpha_0$  und  $\alpha_1$  sehr viel gößer und obige Näherung ist unzulässig.


Impulsantwort eines Koaxialkabels


Wir etrachten wir nun die Koaxialkabel–Impulsantwort, die bei einem Binärsystem  $(R_{\rm B} = 1/T)$  wie folgt lautet:

$$h_{\rm K}(t) = \frac{ a_{\rm \star \hspace{0.01cm}(Np)}/T}{ \sqrt{2 \pi^2 \cdot (t/T)^3}}\hspace{0.1cm} \cdot {\rm exp} \left[ - \frac{a_{\rm \star \hspace{0.01cm}(Np)}^2}{2 \pi \cdot t/T}\hspace{0.1cm}\right] \hspace{0.05cm}.$$

Dieser Zeitverlauf ist hier für charakteristische Kabeldämpfungen  $(a_{\rm \star})$  zwischen  $40 \ \rm dB$  und  $100 \ \rm dB$  dargestellt. Beachten Sie die Umrechnung   $\rm 1 \ Np = 8.686 \ dB.$

Impulsantwort des Koaxialkabels

Man erkennt aus dieser Zeitbereichsdarstellung:

  • Bereits mit der relativ kleinen charakteristischen Kabeldämpfung  $a_{\rm \star} = 40 \ \rm dB$  erstreckt sich die Impulsantwort über mehr als  $100$ Symboldauern  $(T)$.
  • Je größer  $a_{\rm \star}$  gewählt wird, desto breiter und niedriger wird die Impulsantwort. Das Integral über  $h_{\rm K}(t)$  von Null bis Unendlich ist für alle Kurven gleich, da stets  $H_{\rm K}(f=0) = 1$  gilt.
  • Der Empfangsgrundimpuls  $g_r(t) = g_s(t) \star h_{\rm K}(t)$  ist nahezu formgleich mit  $h_{\rm K}(t)$. Die rechte Ordinatenachse zeigt  $g_r(t)/s_0$, wenn  $g_s(t)$  ein NRZ–Rechteckimpuls mit Höhe  $s_0$  und Dauer  $T$  ist.
  • Für  $a_{\rm \star} \ge 60 \ \rm dB$  sind  $h_{\rm K}(t)$  und  $g_r(t)$  bei geeigneter Normierung innerhalb der Zeichengenauigkeit nicht zu unterscheiden. Für  $a_{\rm \star} = 40 \ \rm dB$  erkennt man eine kleine Differenz an der Spitze (gelbe Hinterlegung);   $g_r(t)/s_0$  ist hier minimal kleiner als  $T \cdot h_{\rm K}(t)$.
  • Mit der charakteristischen Dämpfung  $a_{\rm \star} = 40 \ \rm dB$  beträgt die Impulsamplitude am Kabelende allerdings weniger als  $7\%$  der Eingangsamplitude. Bei  $60 \ \rm dB$  bzw.  $100 \ \rm dB$  sinkt dieser Wert auf  $3\%$  bzw.  $2\%$.

In der  Aufgabe 3.1  wird die Koaxialkabel–Impulsantwort eingehend analysiert. Wir verweisen hier auch auf das interaktive Applet  Zeitverhalten von Kupferkabeln.

Voraussetzungen für das gesamte dritte Hauptkapitel


Betrachten wir nochmals das Blockschaltbild eines Übertragungssystems, wobei wir einen stark verzerrendem Kanal voraussetzen, wie er beispielsweise bei leitungsgebundener Übertragung vorliegt.

Blockschaltbild eines Systems mit (stark) verzerrendem Kanal

Aufgrund des in der Grafik rot hervorgehobenen Kanalfrequenzgangs  $H_{\rm K}(f)$  ergeben sich auch für die anderen Systemkomponenten gewisse Einschränkungen:

  • Der Empfangsgrundimpuls  $g_r(t) = g_s(t) \star h_{\rm K}(t)$  erstreckt sich über Hunderte von Bits (siehe letzte Seite). Deshalb kann das Empfangsfilter  $H_{\rm E}(f)$  nicht als  Matched–Filter  angesetzt werden, da so die Dauer des Detektionsgrundimpulses  $g_d(t)$  gegenüber  $g_r(t)$  nochmals etwa verdoppelt würde.
  • Vielmehr muss  $H_{\rm E}(f)$  die enormen Dämpfungsverzerrungen  $(\alpha_2$–Term$)$ und Phasenverzerrungen  $(\beta_2$–Term$)$ des koaxialen Kanals  $H_{\rm E}(f)$  kompensieren, insbesondere dann, wenn von einem einfachen Schwellenwertentscheider ausgegangen wird.
  • Diese lineare Form der Signalentzerrung kann zwar durch aufwändigere Entscheiderstrategien – zum Beispiel  Entscheidungsrückkopplung,  Korrelationsempfänger  oder  Viterbi–Empfänger  – unterstützt werden. Bei leitungsgebundener Übertragung kann aber aufgrund der sehr starken Verzerrungen auf eine lineare Signalentzerrung   ⇒   entzerrendes Empfangsfilter  $H_{\rm E}(f)$  nicht vollständig verzichtet werden.
  • Das Rauschen  $n(t)$  wird weiterhin als additiv, weiß und gaußverteilt (AWGN) angesetzt, was bei einem Koaxialkabel gerechtfertigt ist. Bei einer Zweidrahtleitung ist das Nebensprechen von benachbarten Kupferadern die dominante Störung, wie im Kapitel   ISDN  (Integrated Services Digital Network) im Buch "Beispiele von Nachrichtensystemen" ausführlich dargelegt wird.

$\text{Fazit:}$  Wir betrachten in den folgenden Kapiteln die binäre bipolare redundanzfreie Übertragung   ⇒  , Bitrate  $R_{\rm B} = 1/T$. Dabei wird stets vorausgesetzt:

  • Der Sendegrundimpuls  $g_s(t)$  ist NRZ–rechteckförmig mit Amplitude  $s_0$  und Dauer  $T$. Somit ist das Sendesignal  $s(t)$  zu allen Zeiten gleich  $\pm s_0$  und die Spektralfunktion lautet:   $G_s(f) = s_0 \cdot T \cdot {\rm si}(\pi f T)$.
  • Eine Aufteilung der Entzerrung auf Sender und Empfänger entsprechend der Wurzel–Wurzel–Charakteristik macht bei leitungsgebundener Übertragung keinen Sinn. Es würden bereits beim Sender zu starke Impulsinterferenzen auftreten.


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 3.1: Impulsantwort des Koaxialkabels

Aufgabe 3.1Z: Frequenzgang des Koaxialkabels