Aufgabe 1.6: Wurzel-Nyquist-System

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Sender & Empfänger: Cosinus-Spektrum

Die nebenstehende Grafik zeigt

  • das Spektrum  $G_{s}(f)$  des Sendegrundimpulses,
  • den Frequenzgang  $H_{\rm E}(f)$  des Empfangsfilters


eines binären und bipolaren Übertragungssystems, die zueinander formgleich sind:

$$G_s(f) = \left\{ \begin{array}{c} A \cdot \cos \left( \frac {\pi \cdot f}{2 \cdot f_2} \right) \\ \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm{f\ddot{u}r}}\\ \\ \\ \end{array} \begin{array}{*{20}c}|f| \le f_2 \hspace{0.05cm}, \\ \\ {\rm sonst }\hspace{0.05cm}, \\ \end{array}$$
$$H_{\rm E }(f) = \left\{ \begin{array}{c} 1 \cdot \cos \left( \frac {\pi \cdot f}{2 \cdot f_2} \right) \\ \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm{f\ddot{u}r}}\\ \\ \\ \end{array} \begin{array}{*{20}c}|f| \le f_2 \hspace{0.05cm}, \\ \\ {\rm sonst }\hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$

In der gesamten Aufgabe gelte  $A = 10^{–6} \ \rm V/Hz$  und  $f_{2} = 1 \ \rm MHz$.

  • Unter der Voraussetzung, dass die Bitrate  $R = 1/T$  richtig gewählt wird, erfüllt der Detektionsgrundimpuls  $g_{d}(t) = g_{s}(t) ∗ h_{\rm E}(t)$  das erste Nyquistkriterium.
  • Bei der dazugehörigen Spektralfunktion  $G_{d}(f)$  erfolgt dabei der Flankenabfall cosinusförmig ähnlich einem Cosinus–Rolloff–Spektrum.
  • Der Rolloff–Faktor  $r$  ist in dieser Aufgabe zu ermitteln.




Hinweise:

  • Zahlenwerte der Q–Funktion liefert zum Beispiel das interaktive Applet  Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen.
  • Der Crestfaktor ist der Qotient aus Maximalwert und Effektivwert des Sendesignals und damit ein Maß für die sendeseitigen Impulsinterferenzen:
$$C_{\rm S} = \frac{s_0}{\sqrt{E_{\rm B}/T}} = \frac{{\rm Max}[s(t)]}{\sqrt{{\rm E}[s^2(t)]}}= {s_0}/{s_{\rm eff}}.$$


Fragebogen

1

Berechnen Sie das Nyquistspektrum  $G_{d}(f)$. Wie groß sind die Nyquistfrequenz und der Rolloff–Faktor?

$f_{\rm Nyq} \ = \ $

$\ \rm MHz$
$r \ = \ $

2

Wie groß ist die Bitrate des vorliegenden Nyquistsystems?

$R \ = \ $

$\ \rm Mbit/s$

3

Warum handelt es sich unter der Nebenbedingung „Leistungsbegrenzung” um ein optimales System?

Das Gesamtsystem erfüllt die Nyquistbedingung.
Der Crestfaktor ist  $C_{\rm S} = 1$.
Das Empfangsfilter  $H_{\rm E}(f)$  ist an den Sendegrundimpuls  $G_{s}(f)$  angepasst.

4

Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich, wenn für die Leistungsdichte des AWGN–Rauschens  $N_{0} = 8 \cdot 10^{–8}\ \rm V^{2}/Hz$  $($bezogen auf  $1 Ω)$  gilt?

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-6}$


Musterlösung

(1)  Mit den Funktionen $G_{s}(f)$ und $H_{\rm E}(f)$ gilt für das Spektrum des Detektionsgrundimpulses für $|f| \leq f_{2}$:

$$G_d(f) = G_s(f) \cdot H_{\rm E}(f) = A \cdot \cos^2 \left( \frac {\pi \cdot f}{2 \cdot f_2} \right).$$
  • Nach der allgemeinen Definition des Cosinus–Rolloff–Spektrums ergeben sich die Eckfrequenzen $f_{1} = 0$ und $f_{2} = 1\ \rm MHz$.
  • Daraus folgt für die Nyquistfrequenz (Symmetriepunkt bezüglich des Flankenabfalls):
$$f_{\rm Nyq} = \frac{f_1 +f_2 } {2 } \hspace{0.1cm}\underline { = 0.5\,{\rm MHz}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Der Rolloff–Faktor beträgt
$$r = \frac{f_2 -f_1 } {f_2 +f_1 } \hspace{0.1cm}\underline {= 1} \hspace{0.05cm}.$$
  • Das bedeutet:   $G_{d}(f)$ beschreibt ein $\cos^{2}$–Spektrum.


(2)  Der Zusammenhang zwischen Nyquistfrequenz und Symboldauer $T$ lautet $f_{\rm Nyq} = 1/(2T)$.

  • Daraus folgt für die Bitrate $R = 1/T = 2 \cdot f_{\rm Nyq}\ \underline{= 1 \ \rm Mbit/s}$.
  • Beachten Sie die unterschiedlichen Einheiten für Frequenz und Bitrate.


(3)  Die erste und die dritte Lösungsalternative sind zutreffend:

  • Es handelt es sich um ein optimales Binärsystem unter der Nebenbedingung der Leistungsbegrenzung.
  • Der Crestfaktor ist bei Leistungsbegrenzung nicht von Bedeutung. Bei den hier gegebenen Voraussetzungen würde $C_{\rm S} > 1$ gelten.


(4)  Die Bitfehlerwahrscheinlichkeit eines optimalen Systems kann wie folgt berechnet werden:

$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0}}\right)\hspace{0.05cm}.$$
  • Im vorliegenden Beispiel erhält man für die mittlere Energie pro Bit:
$$E_{\rm B} = \ \int_{-\infty}^{+\infty}|G_s(f)|^2 \,{\rm d} f = A^2 \cdot \int_{-1/T}^{+1/T} H_{\rm Nyq}(f) \,{\rm d} f = \ \frac {A^2}{T} = \frac {(10^{-6}\,{\rm V/Hz})^2}{10^{-6}\,{\rm s}} = 10^{-6}\,{\rm V^2s}\hspace{0.05cm}.$$
  • Mit $N_{0} = 8 \cdot 10^{–8} \ \rm V^{2}/Hz$ ergibt sich daraus weiter:
$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \sqrt{\frac{2 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2s}}{8 \cdot 10^{-8}\,{\rm V^2/Hz}}}\right)= {\rm Q} \left( \sqrt{25}\right)= {\rm Q} (5) \hspace{0.1cm}\underline {= 0.287 \cdot 10^{-6}}\hspace{0.05cm}.$$