Aufgabe 3.7Z: Regeneratorfeldlänge

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Ergebnisse einer Systemsimulation

Per Simulation wurde gezeigt, dass zwischen dem so genannten Systemwirkungsgrad  $\eta$  und der charakteristischen Kabeldämpfung  $a_*$  eines Koaxialkabels – beide in  $\rm dB$  aufgetragen – etwa ein linearer Zusammenhang besteht, wenn die charakteristische Kabeldämpfung hinreichend groß ist  $(a_* ≥ 40 \ \rm dB)$:

$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta \hspace{0.15cm} {\rm (in \hspace{0.15cm}dB)}= A + B \cdot a_{\star} \hspace{0.05cm}.$$

In der Tabelle sind für vier beispielhafte Systemvarianten die empirisch gefundenen Koeffizienten  $A$  und  $B$  angegeben:


Je größer der Systemwirkungsgrad  $\eta$  ist, um so besser ist ein System für einen gegebenen Wert  $a_*$  (und damit eine feste Kabellänge).


Für die Berecnung der Regeneratorfeldlänge (Abstand zweier Zwischenverstärker) ist zu beachten, dass

  • die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit nicht größer sein soll als  $10^{-10}$, woraus sich der minimale Sinkenstörabstand ergibt:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm min} \approx 16.1\,{\rm dB} \hspace{0.05cm},$$
  • das logarithmierte Verhältnis von Sendeenergie (pro Bit) und AWGN–Rauschleistungsdichte ca.  $100 \ \rm dB$  beträgt, zum Beispiel:
$$s_0 = 3\,{\rm V},\hspace{0.2cm}R_{\rm B} = 1\,{\rm Gbit/s},\hspace{0.2cm}N_{\rm 0} = 9 \cdot 10^{-19}\,{\rm V^2/Hz}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\frac{s_0^2 }{N_0 \cdot R_{\rm B}}= 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{9\,{\rm V^2} } {9 \cdot 10^{-19}\,{\rm V^2/Hz} \cdot 10^{-9}\,{\rm 1/s}} = 100\,{\rm dB} \hspace{0.05cm},$$
  • ein Normalkoaxialkabel mit den Abmessungen  $2.6 \ \rm mm$  (innen) und  $9.5 \ \rm mm$  (außen) eingesetzt werden soll, bei dem der folgende Zusammenhang gültig ist:
$$a_{\star} = \frac{2.36\,{\rm dB} } {{\rm km} \cdot \sqrt{{\rm MHz}}} \cdot l \cdot \sqrt{{R_{\rm B}}/{2}} \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei bezeichnet  $a_*$  die charakteristische Dämpfung bei der halben Bitrate – im Beispiel bei  $500 \ \rm MHz$  – und  $l$  die Kabellänge.


Hinweis:



Fragebogen

1

Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?

Das System  $({\rm ONE}, \ M = 8)$  ist für jedes beliebiges  $a_*$  am besten.
Das System  $({\rm GTP}, \ M = 2)$  ist für  $a_* ≥ 40 \ \rm dB$  am schlechtesten.

2

Ab welcher Kabeldämpfung ist  $({\rm GTP}, \ M = 8)$  besser als  $({\rm ONE}, \ M = 2)$?

$a_{\rm *, \ Grenz}\ = \ $

$\ \rm dB$

3

Welchen Minimalwert  $\eta_{\hspace{0.05cm}\rm min}$  darf der Systemwirkungsgrad auf keinen Fall unterschreiten?

$10 \cdot {\rm lg} \ \eta_{\hspace{0.05cm}\rm min} \ = \ $

$\ \rm dB$

4

Welche Länge darf das Koaxialkabel bei  $({\rm ONE}, \ M = 8)$  maximal besitzen?

$l_{\hspace{0.05cm}\rm max}\ = \ $

$\ \rm km$

5

Welche Länge darf das Koaxialkabel bei  $({\rm GTP}, \ M = 2)$  maximal besitzen?

$l_{\hspace{0.05cm}\rm max}\ = \ $

$\ \rm km$


Musterlösung

(1)  Berechnet man den Systemwirkungsgrad unter der Vorraussetzung $a_* = 40 \ \rm dB$, so erhält man für die vier Systemvarianten:

$$({\rm GTP},\hspace{0.1cm}M=2) \text{:}\hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta = +9.4\,{\rm dB} -1.10 \cdot 40\,{\rm dB} = -34.6\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},$$
$$({\rm GTP},\hspace{0.1cm}M=8) \text{:}\hspace{0.3cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta = -1.3\,{\rm dB} -0.91 \cdot 40\,{\rm dB} = -37.7\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},$$
$$({\rm ONE},\hspace{0.1cm}M=2) \text{:}\hspace{0.3cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta = +4.5\,{\rm dB} -0.96 \cdot 40 \,{\rm dB}= -33.9\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},$$
$$({\rm ONE},\hspace{0.1cm}M=8) \text{:}\hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta = -9.3\,{\rm dB} -0.54 \cdot 40\,{\rm dB} = -30.9\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$

Daraus ergibt sich:

  • Die erste Aussage ist zutreffend, da das System $({\rm ONE},\hspace{0.1cm} M = 8)$ bereits bei $40 \ \rm dB$ Kabeldämpfung am besten ist und den günstigsten $\rm B$–Koeffizienten aufweist.
  • Dagegen trifft die zweite Aussage nicht zu, da zum Beispiel bei $40 \ \rm dB$ Kabeldämpfung das oktale $\rm GTP$–System schlechter ist als das binäre.


(2)  Als Bestimmungsgleichung benutzen wir hier:

$$-1.3\,{\rm dB} -0.91 \cdot a_{\star} = +4.5 \,{\rm dB}-0.96 \cdot a_{\star}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 0.05 \cdot a_{\star} = 5.8\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}a_{\star,\hspace{0.05cm}{\rm Grenz}} \hspace{0.15cm}\underline {= 116\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$

Das heißt:

  • Bis zur charakteristischen Kabeldämpfung $a_* = 116 \ \rm dB$ (Anmerkung: dies ist ein unrealistisch großer Wert für derzeit realisierte Systeme) ist das binäre Nyquistsystem dem System $({\rm GTP},\hspace{0.1cm} M = 8)$ überlegen.
  • Erst für größere Werte als $a_{\rm *, \ Grenz} = 116 \ \rm dB$ überwiegt bei Letzterem der Vorteil $(M = 8$ und damit deutlich niedrigere Symbolrate$)$ gegenüber dem Nachteil $($oktale Entscheidung und dadurch größeres Gewicht der Impulsinterferenzen$)$.


(3)  Das Sinken–SNR soll mindestens $16.1 \ \rm dB$ betragen, das heißt es muss gelten:

$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\frac{s_0^2 }{N_0 \cdot R_{\rm B}} + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta \ > \ 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm min} - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\frac{s_0^2 }{N_0 \cdot R_{\rm B}} = \ 16.1- 100\hspace{0.15cm}\underline {= -83.9\,{\rm dB} = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta_{\hspace{0.05cm} \rm min}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Beim hier betrachteten System gilt:   $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\eta = -9.3\,{\rm dB} -0.54 \cdot a_{\star}.$

  • Aus der Bedingung für den Systemwirkungsgrad   ⇒   $10 \cdot {\rm lg} \, \eta > \hspace{0.1cm}–83.9 \ \rm dB $ ergibt sich somit die Bedingung für die charakteristische Kabeldämpfung:
$$a_{\star} < \frac{-83.9\,{\rm dB} + 9.3\,{\rm dB}} {-0.54} \approx 138.1\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • Mit der angegebenen Gleichung
$$a_{\star} = \frac{2.36\,{\rm dB} } {{\rm km} \cdot \sqrt{{\rm MHz}}} \cdot l \cdot \sqrt{{R_{\rm B}}/{2}} \hspace{0.05cm}.$$
ist damit die maximale Kabellänge (Regeneratorfeldlänge) angebbar:
$$l_{\rm max} = \frac{138.1\,{\rm dB} } {2.36\,{\rm dB}/{\rm km} \cdot \sqrt{\rm MHz})\cdot \sqrt{500\,{\rm MHz}}} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 2.62\, {\rm km}} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Nach gleichem Vorgehen, aber in kompakterer Schreibweise, ergibt sich für dieses „schlechtere” System eine kleinere Regeneratorfeldlänge:

$$l_{\rm max} = \frac{-(83.9\,{\rm dB}+A)/B } {2.36\,{\rm dB}/{\rm km} \cdot \sqrt{500}} = \frac{+(83.9+9.4)/1.10 } {2.36\cdot \sqrt{500}}\hspace{0.1cm}{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 1.61\, {\rm km}} \hspace{0.05cm}.$$