Difference between revisions of "Mobile Communications/General Description of Time Variant Systems"

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== # ÜBERBLICK ZUM ZWEITEN HAUPTKAPITEL # ==
+
== # SYNOPSIS TO SECOND MAIN CHAPTER # ==
 
<br>
 
<br>
Nach der Zeitvarianz wird nun der Begriff der&nbsp; '''Frequenzselektivität'''&nbsp; eingeführt und an Beispielen verdeutlicht, eine Kanaleigenschaft, die für die mobile Kommunikation ebenfalls von großer Bedeutung ist.&nbsp; Wie im gesamten Buch erfolgt die Beschreibung im äquivalenten Tiefpassbereich.  
+
After the time variance, the term&nbsp; '''frequency selectivity''' &nbsp; is now introduced and illustrated with examples, a channel property which is also of great importance for mobile communication.&nbsp; As in the entire book, the description is given in the equivalent low-pass range.  
  
Im Einzelnen werden behandelt:
+
It is covered in detail:
  
*der Unterschied zwischen zeitinvarianten und zeitvarianten Systemen,
+
*the difference between time invariant and time variant systems,
*die zeitvariante Impulsantwort als wichtige Beschreibungsfunktion zeitvarianter Systeme,
+
*the time variant impulse response as an important descriptive function of time variant systems,
*der Mehrwegeempfang als Ursache für frequenzselektives Verhalten,
+
*multi-way reception as the cause of frequency-selective behaviour,
*eine ausführliche Herleitung und Interpretation des GWSSUS–Kanalmodells,
+
*a detailed derivation and interpretation of the GWSSUS channel model,
*die Kenngrößen des GWSSUS–Modells: &nbsp; Kohärenzbandbreite, Korrelationsdauer, usw.
+
*the characteristics of the GWSSUS model: &nbsp; coherence bandwidth, correlation duration, etc.
  
  
  
== Übertragungsfunktion und Impulsantwort ==
+
== Transfer function and impulse response ==
 
<br>
 
<br>
Die Beschreibungsgrößen eines Nachrichtenübertragungssystems wurden bereits in den Kapiteln&nbsp;
+
The description parameters of a message transmission system have already been described in the chapters&nbsp;
* [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich|Systembeschreibung im Frequenzbereich]]&nbsp; bzw.&nbsp;
+
* [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich|Systembeschreibung im Frequenzbereich]]&nbsp; and&nbsp;
 
* [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich|Systembeschreibung im Zeitbereich]]&nbsp;  
 
* [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich|Systembeschreibung im Zeitbereich]]&nbsp;  
  
  
[[File:EN_Mob_T_2_1_S1.png|right|frame|Betrachtetes LZI–System|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_2_1_S1.png|right|frame|Considered LTI system|class=fit]]
  
des Buches &bdquo;Lineare zeitvariante Systeme&rdquo; eingeführt und eingehend diskutiert.&nbsp;
+
of the book "Linear Time Variant Systems".  
  
Die wichtigsten Ergebnisse werden hier nochmals kurz zusammengefasst.<br>
+
The most important results are briefly explained again here.<br>
  
Vorausgesetzt wird zunächst ein&nbsp; ''lineares und zeitinvariantes System'' &nbsp; &#8658; &nbsp; '''LZI&ndash;System'''&nbsp; mit dem Signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; am Eingang und dem Ausgangssignal&nbsp; $r(t)$.&nbsp; Der Einfachheit halber seien&nbsp; $s(t)$&nbsp; und&nbsp; $r(t)$&nbsp; reell.&nbsp; Dann gilt:
+
We assume a&nbsp; ''linear and time invariant system'' &nbsp; &#8658; &nbsp; '''LZI&ndash;System'''&nbsp; with the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; at the input and the output signal&nbsp; $r(t)$. &nbsp; For the sake of simplicity, let&nbsp; $s(t)$&nbsp; and&nbsp; $r(t)$&nbsp; be real.&nbsp; Then the following applies:
*Das System lässt sich vollständig durch die&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich#.C3.9Cbertragungsfunktion_-_Frequenzgang|Übertragungsfunktion]]&nbsp; $H(f)$&nbsp; charakterisieren.&nbsp; Man bezeichnet&nbsp; $H(f)$&nbsp; auch als den&nbsp; <i>Frequenzgang</i>.&nbsp; Definitionsgemäß gilt&nbsp;  
+
*The system can be completely characterized by the&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Frequenzbereich#.C3.9Cbertragungsfunktion_-_Frequenzgang|transfer function]]&nbsp; $H(f)$&nbsp; Which is also referred to as the&nbsp; <i> Frequency response</i>.&nbsp; By definition&nbsp;:$$H(f) = R(f)/S(f).$$
:$$H(f) = R(f)/S(f).$$
 
  
*Ebenso ist das System durch die&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich#Impulsantwort|Impulsantwort]]&nbsp; $h(t)$&nbsp; als die&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|Fourierrücktransformierte]]&nbsp; von&nbsp; $H(f)$&nbsp; vollständig gekennzeichnet.&nbsp; Das Ausgangssignal ergibt sich aus der Faltung:
+
*Similarly, the system is defined by the&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich#Impulsantwort|Impulse response]]&nbsp; $h(t)$&nbsp;, which is the&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|inverse Fourier transformation]]&nbsp; of&nbsp; $H(f)$&nbsp; &nbsp; The output signal results from the convolution:
  
 
::<math>r(t) = s(t) \star h(t) \hspace{0.4cm} {\rm mit} \hspace{0.4cm} h(t)
 
::<math>r(t) = s(t) \star h(t) \hspace{0.4cm} {\rm mit} \hspace{0.4cm} h(t)
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{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Definitionen:}$&nbsp;
+
$\text{Definitions:}$&nbsp;
 
    
 
    
Um die durch&nbsp; $H(f)$&nbsp; bzw.&nbsp; $h(t)$&nbsp; entstehenden linearen Verzerrungen zu erkennen, eignen sich die folgenden Eingangssignale:
+
The following input signals are suitable for detecting the linear distortions caused by&nbsp; $H(f)$&nbsp; or &nbsp; $h(t)$&nbsp;
*ein&nbsp; [[Signaldarstellung/Einige_Sonderf%C3%A4lle_impulsartiger_Signale#Diracimpuls|Diracimpuls]]: &nbsp;&nbsp;  
+
*a&nbsp; [[Signaldarstellung/Einige_Sonderf%C3%A4lle_impulsartiger_Signale#Diracimpuls|Dirac impulse]]: &nbsp;&nbsp;  
:$$s(t) = \delta(t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  &nbsp; r(t) = \delta(t) \star h(t)= h(t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{Impulsantwort,}$$   
+
:$$s(t) = \delta(t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  &nbsp; r(t) = \delta(t) \star h(t)= h(t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{Impulse response,}$$   
*eine&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich#Sprungantwort|Sprungfunktion]]:  
+
*a&nbsp; [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Systembeschreibung_im_Zeitbereich#Sprungantwort|Heaviside step function]]:  
:$$s(t) = \gamma(t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  &nbsp; r(t) = \gamma(t) \star h(t)\hspace{1.5cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{Sprungantwort,}$$
+
:$$s(t) = \gamma(t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  &nbsp; r(t) = \gamma(t) \star h(t)\hspace{1.5cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{step response,}$$
*ein&nbsp; [[Signaldarstellung/Zeitdiskrete_Signaldarstellung#Diracpuls_im_Zeit-_und_im_Frequenzbereich|Diracpuls]]:  
+
*a&nbsp; [[Signaldarstellung/Zeitdiskrete_Signaldarstellung#Diracpuls_im_Zeit-_und_im_Frequenzbereich|Dirac impulse train]]:  
:$$s(t) = p_\delta(t) \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  &nbsp; r(t) = p_\delta(t) \star h(t)\hspace{1.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{Pulsantwort.}$$}}
+
:$$s(t) = p_\delta(t) \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  &nbsp; r(t) = p_\delta(t) \star h(t)\hspace{1.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{impulse response train.}$$}}
 
   
 
   
  
  
Dagegen ist ein Gleichsignal&nbsp; $s(t) = A$&nbsp; nicht geeignet, die Frequenzabhängigkeit des LZI&ndash;Systems sichtbar werden zu lassen:&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; Bei einem Tiefpass&ndash;System wäre dann das Ausgangssignal unabhängig von&nbsp; $H(f)$&nbsp; stets konstant: &nbsp; &nbsp; $r(t) = A \cdot H(f= 0)$.<br>
+
On the other hand, a DC signal&nbsp; $s(t) = A$&nbsp; is not suitable to make the frequency dependence of the LTI system visible:&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; With a low-pass system the output signal would then be always constant, independent of&nbsp; $H(f)$&nbsp; &nbsp; &nbsp; $r(t) = A \cdot H(f= 0)$.<br>
  
Auf der nächsten Seite betrachten wir als Eingangssignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; einen Diracpuls&nbsp; $p_\delta(t)$:&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; Hiermit lassen sich die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen zeitinvarianten und zeitvarianten Systemen sehr anschaulich darstellen.<br>
+
On the next page we consider a Dirac impulse train&nbsp; $p_\delta(t)$&nbsp; as an input signal&nbsp; $s(t)$&nbsp;: &nbsp; <br> &nbsp; Hereby the similarities and differences between time-invariant and time-variant systems can be shown clearly.<br>
  
<i>Hinweis:</i> &nbsp; Die Eigenschaften von&nbsp; $H(f)$&nbsp; und&nbsp; $h(t)$&nbsp; werden im Lernvideo&nbsp; [[Einige_Anmerkungen_zur_Übertragungsfunktion_(Lernvideo)|Einige Anmerkungen zur Übertragungsfunktion]]&nbsp; ausführlich behandelt.<br>
+
<i>Note:</i> &nbsp; The properties of&nbsp; $H(f)$&nbsp; and&nbsp; $h(t)$&nbsp; are covered in detail in the learning video&nbsp; [[Einige_Anmerkungen_zur_Übertragungsfunktion_(Lernvideo)|Some remarks on the transfer function]]&nbsp;.<br>
  
  
== Zeitinvariante vs. zeitvariante Kanäle ==
+
 
 +
== Time invariant vs. time variant channels ==
 
<br>
 
<br>
Die Grafik soll den Unterschied zwischen einem zeitinvarianten Kanal&nbsp; $\rm (LZI)$&nbsp; und einem zeitvarianten Kanal  &nbsp; $\rm (LZV)$&nbsp; verdeutlichen.<br>
+
The graphic is intended to illustrate the difference between a time invariant channel&nbsp; $\rm (LTI)$&nbsp; and a time variant channel &nbsp; $\rm (LTV)$&nbsp;.<br>
  
[[File:EN_Mob_T_2_1_S2.png|right|frame|Zeitinvarianter und zeitvarianter Kanal|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_2_1_S2.png|right|frame|Time invariant and time variant channel|class=fit]]
  
Man erkennt aus dieser Darstellung:
+
One can see from this illustration:
*Das Sendesignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; ist hier ein Diracpuls&nbsp; $p_\delta(t)$, also eine unendliche Folge von Diracimpulsen in äquidistanten Abständen&nbsp; $T$,&nbsp; alle mit dem Gewicht&nbsp; $1$&nbsp; (siehe obere Grafik):
+
*The transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is a Dirac impulse train&nbsp; $p_\delta(t)$, i.e. an infinite sequence of Dirac impulses in equidistant intervals&nbsp; $T$,&nbsp; all with the weight&nbsp; $1$&nbsp; (see upper graph):
  
 
::<math>s(t) = p_{\rm \delta} (t) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} {\rm \delta} (t - n \cdot T)
 
::<math>s(t) = p_{\rm \delta} (t) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} {\rm \delta} (t - n \cdot T)
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Grün markiert ist der Diracimpuls bei&nbsp; $t = 0$.&nbsp; Mit&nbsp; $s(t) = {\rm \delta}(t)$&nbsp; ist das Signal am Kanalausgang gleich&nbsp; $r(t) = h(t)$&nbsp; entsprechend der grünen Hinterlegung.&nbsp; Vorausgesetzt wird zunächst, dass die Ausdehnung der Impulsantwort&nbsp; $h(t)$&nbsp; kleiner ist als $T$.<br>
+
*The Dirac impulse at&nbsp; $t = 0$&nbsp; is marked in green. The signal at the channel output is equal to&nbsp; $r(t) = h(t)$&nbsp;, with&nbsp; $s(t) = {\rm \delta}(t)$&nbsp;, also indicated in green. &nbsp; As a condition, it is assumed that the extension of the impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; is smaller than $T$.<br>.
  
*Für das gesamte Empfangssignal nach dem LZI&ndash;Kanal gemäß der mittleren Grafik kann dann geschrieben werden:
+
*The entire received signal after the LTI channel, according to the middle graph, can then be written as:
  
 
::<math>r(t) = p_{\rm \delta} (t) \star h(t) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} h (t - n \cdot T)
 
::<math>r(t) = p_{\rm \delta} (t) \star h(t) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} h (t - n \cdot T)
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Bei einem zeitvarianten Kanal &nbsp; &#8658; &nbsp; untere Grafik ist diese Gleichung nicht anwendbar.&nbsp; In jedem Zeitintervall ergibt sich nun nämlich eine (etwas) andere Signalform.  
+
*For a time-variant channel (lower graph) this equation is not applicable.&nbsp; In each time interval, a (slightly) different signal shape is obtained.  
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp; Bei einem &nbsp; '''zeitvarianten Kanal''' &nbsp; kann man keine einparametrige Impulsantwort&nbsp; $h(t)$&nbsp; und somit auch keine Übertragungsfunktion&nbsp; $H(f)$&nbsp; angeben.}}<br>
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; With a &nbsp; '''time-variant channel''' &nbsp; you cannot specify neither a one-parameter impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; nor a transfer function&nbsp; $H(f)$&nbsp;.}}<br>
  
<i>Hinweis:</i> &nbsp; Das Lernvideo&nbsp; [[Eigenschaften_des_Übertragungskanals_(Lernvideo)|Eigenschaften des Übertragungskanals]]&nbsp; beschreibt die Unterschiede zwischen LZV&ndash; und LZI&ndash;Systemen.<br>
+
<i>Note:</i> &nbsp; The learning video&nbsp; [[Eigenschaften_des_Übertragungskanals_(Lernvideo)|Properties of the transmission channel]]&nbsp; describes the differences between LTI and LTV systems.<br>
  
== Zweidimensionale Impulsantwort ==
+
== Two-dimensional impulse response==
 
<br>
 
<br>
[[File:EN_Mob_T_2_1_S3.png|right|frame|Zweidimensionale Impulsantwort|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_2_1_S3.png|right|frame|Two-dimensional impulse response|class=fit]]
  
Zur Kennzeichnung einer zeitvarianten Impulsantwort  verwendet man einen zweiten Parameter und bildet die Impulsantwort vorzugsweise in einem dreidimensionalen Koordinatensystem ab.<br>
+
To identify a time-variant impulse response, a second parameter is used and the impulse response is preferably mapped in a three-dimensional coordinate system.<br>
  
Voraussetzung hierfür ist, dass der Kanal weiterhin linear ist; man spricht dann von einem&nbsp; $\rm LZV&ndash;System$&nbsp;&nbsp; (&bdquo;linear zeitvariant&rdquo;).  
+
The condition for this is that the channel is still linear; one speaks then of a&nbsp; $\rm LTV System$&nbsp;&nbsp; ("linear time-variant").  
  
Es gelten folgende Zusammenhänge:
+
The following relations apply:
  
 
::<math>\text{LZI:}\hspace{0.5cm}  r(t) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau)  \cdot s(t-\tau) \hspace{0.15cm}{\rm d}\tau  \hspace{0.05cm},</math>
 
::<math>\text{LZI:}\hspace{0.5cm}  r(t) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau)  \cdot s(t-\tau) \hspace{0.15cm}{\rm d}\tau  \hspace{0.05cm},</math>
 
::<math>\text{LZV:}\hspace{0.5cm}  r(t) \hspace{-0.1cm}  =  \hspace{-0.1cm} \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau, \hspace{0.1cm}t)  \cdot s(t-\tau) \hspace{0.15cm}{\rm d}\tau  \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>\text{LZV:}\hspace{0.5cm}  r(t) \hspace{-0.1cm}  =  \hspace{-0.1cm} \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau, \hspace{0.1cm}t)  \cdot s(t-\tau) \hspace{0.15cm}{\rm d}\tau  \hspace{0.05cm}.</math>
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Zur letzten Gleichung und zu obiger Grafik ist anzumerken:
+
Regarding the last equation and the above graph, it should be noted
*Der Parameter&nbsp; $\tau$&nbsp; gibt die&nbsp; '''Verzögerungszeit'''&nbsp; zur Kennzeichnung der Zeitdispersion  an.&nbsp; Durch Ausschreiben der Faltungsoperation ist es gelungen, dass&nbsp; $\tau$&nbsp; auch der Parameter der LZI&ndash;Impulsantwort ist.&nbsp; Auf den letzten Seiten wurde noch von&nbsp; $h(t)$&nbsp; gesprochen.<br>
+
*The parameter&nbsp; $\tau$&nbsp; specifies the&nbsp; '''Delay time''' &nbsp; to denote the time dispersion.&nbsp; By writing out the convolution operation, it was possible to make&nbsp; $\tau$&nbsp; also the parameter of the LZI&ndash;impulse response.&nbsp; On the last pages we spoke about&nbsp; $h(t)$&nbsp;.<br>
  
*Der zweite Parameter der Impulsantwort bzw. die zweite Achse kennzeichnet die&nbsp; '''absolute Zeit'''&nbsp; $t$, die unter anderem zur Beschreibung der Zeitvarianz herangezogen wird.&nbsp; Zu unterschiedlichen Zeiten&nbsp; $t$&nbsp; hat die Impulsantwort&nbsp; $h(\tau, \hspace{0.05cm}t)$&nbsp; eine andere Form.<br>
+
*The second parameter of the impulse response or the second axis marks the&nbsp; '''absolute time'''&nbsp; $t$, which is used, among other things, to describe the time variance.&nbsp; At different times&nbsp; $t$&nbsp; the impulse response&nbsp; $h(\tau, \hspace{0.05cm}t)$&nbsp; has a different form.<br>
  
*Eine Besonderheit der 2D&ndash;Darstellung ist, dass die&nbsp; $t$&ndash;Achse stets zeitdiskret&nbsp; $($bei Vielfachen von&nbsp; $T)$&nbsp; aufgetragen wird, während die&nbsp; $\tau$&ndash;Achse wie im gezeigten Beispiel zeitkontinuierlich sein kann.&nbsp; Im Mobilfunk wird&nbsp; $h(\tau, \hspace{0.05cm}t_0)$&nbsp; aber meist auch zeitdiskret hinsichtlich&nbsp; $\tau$&nbsp; angenommen $($&bdquo;Echos&rdquo;$)$.
+
*A peculiarity of the 2D representation is that the&nbsp; $t$&ndash;axis is always plotted time-discretely&nbsp; $($at multiples of&nbsp; $T)$&nbsp; while the&nbsp; $\tau$&ndash;axis can be continuous in time as in the example shown. &nbsp; However, in mobile communications, a time-discrete &nbsp; $h(\tau, \hspace{0.05cm}t_0)$&nbsp; with respect to&nbsp; $\tau$&nbsp; is assumed $($&bdquo;echoes&rdquo;$)$.
  
*Die LZV&ndash;Gleichung ist nur anwendbar, wenn die zeitliche Veränderung des Kanals&nbsp; $($im Bild durch den Parameter&nbsp; $T$&nbsp; gekennzeichnet$)$ langsam erfolgt im Vergleich zur maximalen Verzögerung&nbsp; $\tau_{\rm max}$.&nbsp;  Im Mobilfunk ist diese Bedingung &nbsp; &#8658; &nbsp; $\tau_{\rm max} < T$ &nbsp; fast immer erfüllt.
+
*The LTV&ndash;equation is only applicable if the time change of the channel is slow in comparison to the maximum delay &nbsp; $\tau_{\rm max}$&nbsp; &nbsp; $($marked in the figure by the parameter&nbsp; $T$&nbsp; $)$. In mobile communications this condition &nbsp; &#8658; &nbsp; $\tau_{\rm max} < T$ &nbsp; is almost always fulfilled.
  
*Je nachdem, ob man das erste Fourierintegral auf den Parameter&nbsp; $\tau$&nbsp; oder&nbsp; $t$&nbsp; anwendet, kommt man zu unterschiedlichen Spektralfunktionen.&nbsp; In der&nbsp; [[Aufgabe_2.1Z:_2D-Frequenz-_und_2D-Zeitdarstellung|Aufgabe 2.1Z]]&nbsp; wird beispielsweise die zeitvariante&nbsp; '''2D&ndash;Übertragungsfunktion'''&nbsp; betrachtet:
+
*Selecting whether to apply the first Fourier integral to the parameter&nbsp; $\tau$&nbsp; or&nbsp; $t$&nbsp; leads to different spectral functions.&nbsp; In the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise 2.1Z: 2D-Frequency and 2D-Time Representations|Excercise 2.1Z]]&nbsp; for example, the time variant&nbsp; '''2D&ndash;Transfer function'''&nbsp; is considered:
  
 
::<math>H(f,\hspace{0.05cm} t)
 
::<math>H(f,\hspace{0.05cm} t)
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==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Excercises to the chapter==
[[Aufgaben:Aufgabe_2.1:_Zweidimensionale_Impulsantwort|Aufgabe 2.1: Zweidimensionale Impulsantwort]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.1: Two-Dimensional Impulse Response]]
  
[[Aufgabe_2.1Z:_2D-Frequenz-_und_2D-Zeitdarstellung|Aufgabe 2.1Z: 2D-Frequenz- und 2D-Zeitdarstellung]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.1Z: 2D-Frequency and 2D-Time Representations]]
  
  
  
 
{{Display}}
 
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Revision as of 21:52, 6 July 2020

# SYNOPSIS TO SECOND MAIN CHAPTER #


After the time variance, the term  frequency selectivity   is now introduced and illustrated with examples, a channel property which is also of great importance for mobile communication.  As in the entire book, the description is given in the equivalent low-pass range.

It is covered in detail:

  • the difference between time invariant and time variant systems,
  • the time variant impulse response as an important descriptive function of time variant systems,
  • multi-way reception as the cause of frequency-selective behaviour,
  • a detailed derivation and interpretation of the GWSSUS channel model,
  • the characteristics of the GWSSUS model:   coherence bandwidth, correlation duration, etc.


Transfer function and impulse response


The description parameters of a message transmission system have already been described in the chapters 


Considered LTI system

of the book "Linear Time Variant Systems".

The most important results are briefly explained again here.

We assume a  linear and time invariant system   ⇒   LZI–System  with the signal  $s(t)$  at the input and the output signal  $r(t)$.   For the sake of simplicity, let  $s(t)$  and  $r(t)$  be real.  Then the following applies:

  • The system can be completely characterized by the  transfer function  $H(f)$  Which is also referred to as the  Frequency response.  By definition :$$H(f) = R(f)/S(f).$$
\[r(t) = s(t) \star h(t) \hspace{0.4cm} {\rm mit} \hspace{0.4cm} h(t) \hspace{0.2cm} \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \hspace{0.2cm} H(f) \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Definitions:}$ 

The following input signals are suitable for detecting the linear distortions caused by  $H(f)$  or   $h(t)$ 

$$s(t) = \delta(t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}   r(t) = \delta(t) \star h(t)= h(t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{Impulse response,}$$
$$s(t) = \gamma(t) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}   r(t) = \gamma(t) \star h(t)\hspace{1.5cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{step response,}$$
$$s(t) = p_\delta(t) \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}   r(t) = p_\delta(t) \star h(t)\hspace{1.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \text{impulse response train.}$$


On the other hand, a DC signal  $s(t) = A$  is not suitable to make the frequency dependence of the LTI system visible: 
    With a low-pass system the output signal would then be always constant, independent of  $H(f)$      $r(t) = A \cdot H(f= 0)$.

On the next page we consider a Dirac impulse train  $p_\delta(t)$  as an input signal  $s(t)$ :  
  Hereby the similarities and differences between time-invariant and time-variant systems can be shown clearly.

Note:   The properties of  $H(f)$  and  $h(t)$  are covered in detail in the learning video  Some remarks on the transfer function .


Time invariant vs. time variant channels


The graphic is intended to illustrate the difference between a time invariant channel  $\rm (LTI)$  and a time variant channel   $\rm (LTV)$ .

Time invariant and time variant channel

One can see from this illustration:

  • The transmitted signal  $s(t)$  is a Dirac impulse train  $p_\delta(t)$, i.e. an infinite sequence of Dirac impulses in equidistant intervals  $T$,  all with the weight  $1$  (see upper graph):
\[s(t) = p_{\rm \delta} (t) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} {\rm \delta} (t - n \cdot T) \hspace{0.05cm}.\]
  • The Dirac impulse at  $t = 0$  is marked in green. The signal at the channel output is equal to  $r(t) = h(t)$ , with  $s(t) = {\rm \delta}(t)$ , also indicated in green.   As a condition, it is assumed that the extension of the impulse response  $h(t)$  is smaller than $T$.
    .
  • The entire received signal after the LTI channel, according to the middle graph, can then be written as:
\[r(t) = p_{\rm \delta} (t) \star h(t) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} h (t - n \cdot T) \hspace{0.05cm}.\]
  • For a time-variant channel (lower graph) this equation is not applicable.  In each time interval, a (slightly) different signal shape is obtained.


$\text{Conclusion:}$  With a   time-variant channel   you cannot specify neither a one-parameter impulse response  $h(t)$  nor a transfer function  $H(f)$ .


Note:   The learning video  Properties of the transmission channel  describes the differences between LTI and LTV systems.

Two-dimensional impulse response


Two-dimensional impulse response

To identify a time-variant impulse response, a second parameter is used and the impulse response is preferably mapped in a three-dimensional coordinate system.

The condition for this is that the channel is still linear; one speaks then of a  $\rm LTV System$   ("linear time-variant").

The following relations apply:

\[\text{LZI:}\hspace{0.5cm} r(t) = \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau) \cdot s(t-\tau) \hspace{0.15cm}{\rm d}\tau \hspace{0.05cm},\]
\[\text{LZV:}\hspace{0.5cm} r(t) \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} \int_{-\infty}^{+\infty} h(\tau, \hspace{0.1cm}t) \cdot s(t-\tau) \hspace{0.15cm}{\rm d}\tau \hspace{0.05cm}.\]


Regarding the last equation and the above graph, it should be noted

  • The parameter  $\tau$  specifies the  Delay time   to denote the time dispersion.  By writing out the convolution operation, it was possible to make  $\tau$  also the parameter of the LZI–impulse response.  On the last pages we spoke about  $h(t)$ .
  • The second parameter of the impulse response or the second axis marks the  absolute time  $t$, which is used, among other things, to describe the time variance.  At different times  $t$  the impulse response  $h(\tau, \hspace{0.05cm}t)$  has a different form.
  • A peculiarity of the 2D representation is that the  $t$–axis is always plotted time-discretely  $($at multiples of  $T)$  while the  $\tau$–axis can be continuous in time as in the example shown.   However, in mobile communications, a time-discrete   $h(\tau, \hspace{0.05cm}t_0)$  with respect to  $\tau$  is assumed $($„echoes”$)$.
  • The LTV–equation is only applicable if the time change of the channel is slow in comparison to the maximum delay   $\tau_{\rm max}$    $($marked in the figure by the parameter  $T$  $)$. In mobile communications this condition   ⇒   $\tau_{\rm max} < T$   is almost always fulfilled.
  • Selecting whether to apply the first Fourier integral to the parameter  $\tau$  or  $t$  leads to different spectral functions.  In the  Excercise 2.1Z  for example, the time variant  2D–Transfer function  is considered:
\[H(f,\hspace{0.05cm} t) \hspace{0.2cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \hspace{0.2cm} h(\tau,\hspace{0.05cm}t) \hspace{0.05cm}.\]


Excercises to the chapter

Exercise 2.1: Two-Dimensional Impulse Response

Exercise 2.1Z: 2D-Frequency and 2D-Time Representations