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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.6Z: Locality Curve for Phase Modulation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion
+
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID768__Sig_Z_4_6.png|right|Ortskurve bei Phasenmodulation]]
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[[File:P_ID768__Sig_Z_4_6.png|right|frame|A possible locality curve with phase modulation]]
Wir gehen hier von einem Nachrichtensignal q(t) aus, das normiert (dimensionslos) betrachtet wird. Der Maximalwert dieses Signal ist qmax=1 und der minimale Signalwert beträgt $q_{\rm min} = –0.5$. Ansonsten ist über q(t) nichts bekannt.
+
We assume a source signal  q(t), which is considered normalised.
 +
*The maximum value of this signal is  qmax=1  and the minimum signal value is  $q_{\rm min} = -0.5$.  
 +
*Otherwise nothing is known about  q(t).
  
Das modulierte Signal lautet bei Phasenmodulation:
+
 
 +
The modulated signal with phase modulation   ⇒   "transmission signal"  is:
 
:s(t)=s0cos(ωTt+ηq(t)).
 
:s(t)=s0cos(ωTt+ηq(t)).
Hierbei bezeichnet η den so genannten Modulationsindex. Auch die konstante Hüllkurve s0 sei eine dimensionslose Größe, die im Folgenden zu 2 gesetzt wird (siehe Grafik).
+
Here  η  denotes the so-called  "modulation index".  Let the constant envelope  s0  also be a normalise quantity, which is set to  $s_0 = 2$  in the following (see diagram).
  
Ersetzt man in dieser Gleichung die Cosinus– durch die komplexe Exponentialfunktion, so kommt man zum analytischen Signal
+
If one replaces the cosine function with the complex exponential function, one arrives at the analytical signal
 
:$$s_{\rm +}(t) = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(
 
:$$s_{\rm +}(t) = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(
 
\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t + \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t)) }.$$
 
\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t + \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t)) }.$$
Daraus kann man das in der Grafik skizzierte äquivalente TP-Signal wie folgt berechnen:
+
From this, one can calculate the equivalent low-pass signal sketched in the graph as follows:
 
:$$s_{\rm TP}(t) = s_{\rm +}(t)  \cdot {\rm e}^{-{\rm
 
:$$s_{\rm TP}(t) = s_{\rm +}(t)  \cdot {\rm e}^{-{\rm
 
j}\hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}  t } = s_0\cdot
 
j}\hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}  t } = s_0\cdot
 
{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t) }.$$
 
{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t) }.$$
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
*Sie können Ihre Lösung mit dem folgenden Interaktionsmodul überprüfen:
 
[[Ortskurve – Darstellung des äquivalenten Tiefpass-Signals]]
 
  
<b>Hinweis:</b> Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion Kapitel 4.3].
 
  
  
===Fragebogen===
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function|Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function]].
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*You can check your solution with the interactive applet&nbsp; [[Applets:Physical_Signal_%26_Equivalent_Lowpass_Signal|Physical Signal & Equivalent Low-Pass Signal]]&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; "Locality Curve".
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 +
 
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie lautet die Betragsfunktion a(t)=|sTP(t)|? Welcher Wert gilt für t=0?
+
{What is the magnitude function&nbsp; $a(t) = |s_{\rm TP}(t)|$?&nbsp; Which value is valid for&nbsp; t=0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
a(t=0) = { 2 3% }
+
$a(t = 0)\ = \ $ { 2 3% }
  
  
{Zwischen welchen Werten ϕmin und ϕmax schwankt die Phase ϕ(t)?
+
{Between which extreme values&nbsp; $\phi_{\rm min}$&nbsp; and&nbsp; $\phi_{\rm  max}$&nbsp; does the phase&nbsp; ϕ(t)?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\phi_{min}$ = $-$ { 90 3% } $\text{Grad}$
+
$\phi_{\rm min}\ = \ $ { -93--87 } &nbsp;$\text{deg}$
ϕmin = { 180 3% } $\text{Grad}$
+
$\phi_{\rm min}\ = \ $ { 180 3% } &nbsp;$\text{deg}$
  
  
{Bestimmen Sie aus der Phasenfunktion ϕ(t) den Modulationsindex.
+
{Determine the modulation index&nbsp; η&nbsp; from the phase function&nbsp; ϕ(t).
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
η = { 3.1415 3% }
+
$\eta\ = \ $ { 3.1415 3% }
  
  
{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Aus $q(t) = –0.5 = \text{const}$. folgt s(t)=s0cos(ωTt).
+
- From&nbsp; $q(t) = -0.5 = \text{const.}$&nbsp; follows&nbsp; s(t)=s0cos(ωTt).
+ Bei einem Rechtecksignal $q(t) \Rightarrow  zwei mögliche Signalwerte \pm 0.5$ entartet die Ortskurve zu zwei Punkten.
+
+ With a rectangular signal&nbsp;  (with only two possible signal values&nbsp; $q(t)=\pm 0.5)$&nbsp; the locality curve degenerates to two points.
+ Mit den Signalwerten \pm 1 wird die Ortskurve zu einem Punkt: $s_{TP}(t) = –s_0. ''Hinweis'': Die Angabe q_{min} = –0.5$ gilt hier nicht.
+
+ With the signal values&nbsp; \pm 1&nbsp; (q_{\rm min} = -0.5&nbsp; is then no longer valid) the locality curve degenerates to one point: &nbsp; $s_{\rm TP}(t) = -s_0$.  
  
  
Line 56: Line 62:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Die Ortskurve ist ein Kreisbogen mit Radius 2. Deshalb ist die Betragsfunktion <u>a(t) konstant gleich 2</u>.
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'''(1)'''&nbsp; The locality curve is a circular arc with radius&nbsp; $2$.&nbsp; Therefore, the magnitude function is constant&nbsp;  $\underline{a(t) = 2}$.
  
'''2.'''  Aus der Grafik ist zu erkennen, dass \phi_{min} \underline{= –\pi /2 (–90°)} und \phi_{max} \underline{= +\pi (180°)} ist.
 
  
'''3.'''  Allgemein gilt folgender Zusammenhang:
+
'''(2)'''&nbsp; From the graph it can be seen that the following numerical values apply:
:$$s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\cdot \hspace{0.05cm}
+
*$\phi_{\rm min} =- \pi /2 \;  \Rightarrow  \;  \underline{-90^\circ}$,
\phi(t)}.$$
+
*$\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow  \; \underline{+180^\circ}$.
Ein Vergleich mit der gegebenen Funktion liefert:
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 +
 
 +
'''(3)'''&nbsp; In general, the relation&nbsp; $s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
 +
\phi(t)}$&nbsp; applies here.&nbsp; A comparison with the given function yields:
 
:\phi(t) = \eta \cdot q(t).
 
:\phi(t) = \eta \cdot q(t).
Der maximale Phasenwert $\phi_{max} = \pi (180°)$ ergibt sich für die Signalamplitude q_{max} = 1. Daraus folgt direkt $\underline{\eta = \pi}$. Dieser Modulationsindex wird durch die Werte $\phi_{min} = \pi /2$ und $q_{min} = –0.5$ bestätigt.
+
*The maximum phase value&nbsp; $\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow  \; {180^\circ}$&nbsp; is obtained for the signal amplitude&nbsp; $q_{\rm max} = 1$.&nbsp; From this follows directly&nbsp; ${\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.1415}$.  
 +
*This modulation index is confirmed by the values&nbsp; $\phi_{\rm min} = -\pi /2$&nbsp; and&nbsp; $q_{\rm min} = -0.5$&nbsp;.
 +
 
  
'''4.'''  Ist $q(t) = \text{const.} = –0.5$, so ist die Phasenfunktion ebenfalls konstant:
+
[[File:P_ID769__Sig_Z_4_6_d_neu.png|right|frame|Locality curve (phase diagram) for a rectangular source signal]]
:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - \frac{\pi}{2}\hspace{0.3cm}
+
'''(4)'''&nbsp; <u>The second and third proposed solutions</u> are correct:
 +
*If&nbsp; $q(t) = \text{const.} =-0.5$, the phase function is also constant:
 +
:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - {\pi}/{2}\hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0  = - 2{\rm j}.$$
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0  = - 2{\rm j}.$$
Somit gilt für das tatsächliche, physikalische Signal:
+
*Thus, for the actual physical signal:
 
:$$s(t) = s_0 \cdot  {\cos} (  \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t -
 
:$$s(t) = s_0 \cdot  {\cos} (  \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t -
  \frac{\pi}{2}) = 2 \cdot  {\sin} (  \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).$$
+
  {\pi}/{2}) = 2 \cdot  {\sin} (  \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).$$
[[File:P_ID769__Sig_Z_4_6_d_neu.png|right|]]
+
*In contrast,&nbsp; $q(t) = +0.5$&nbsp; leads to &nbsp;\phi (t) = \pi /2&nbsp; and to &nbsp;$s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}$.  
Dagegen führt q(t) = 0.5 zu \phi (t) = \pi /2 und $s_{TP}(t) = 2j$. Ist q(t) ein Rechtecksignal, das abwechselnd die Werte +0.5 und –0.5 annimmt, besteht somit die Ortskurve nur aus zwei Punkten auf der imaginären Achse, und zwar unabhängig davon, wie lange die Intervalle mit +0.5 und –0.5 dauern.
+
*If&nbsp; q(t)&nbsp; is a rectangular signal that alternates between&nbsp; +0.5&nbsp; and&nbsp; –0.5&nbsp; , then the locality curve consists of only two points on the imaginary axis, regardless of how long the intervals with &nbsp; +0.5&nbsp; and&nbsp; –0.5&nbsp; last.
 +
*If, on the other hand,&nbsp; q(t) = \pm 1, then the possible phase values&nbsp; +\pi&nbsp; and&nbsp; -\pi result purely formally, but they are identical.
 +
*The locality curve then consists of only one point: &nbsp; s_{\rm TP}(t) = - s_0 &nbsp; &rArr; &nbsp;  the signal&nbsp; s(t)&nbsp; is&nbsp;  "minus-cosine"&nbsp; for all times&nbsp; t.
  
Gilt dagegen q(t) = \pm 1, so ergeben sich rein formal die möglichen Phasenwerte +\pi und –\pi, die aber identisch sind. Die „Ortskurve” besteht dann nur aus einem einzigen Punkt: s_{TP}(t) = – s_0  \Rightarrow  das Signal s(t) ist „minus-cosinusförmig”.
 
  
Richtig sind der <u>zweite und der dritte Lösungsvorschlag</u>.
 
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
__NOEDITSECTION__
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^4. Bandpassartige Signale^]]
+
[[Category:Signal Representation: Exercises|^4.3 Equivalent LP Signal and its Spectral Function^]]

Latest revision as of 15:02, 24 May 2021

A possible locality curve with phase modulation

We assume a source signal  q(t), which is considered normalised.

  • The maximum value of this signal is  q_{\rm max} = 1  and the minimum signal value is  q_{\rm min} = -0.5.
  • Otherwise nothing is known about  q(t).


The modulated signal with phase modulation   ⇒   "transmission signal"  is:

s(t) = s_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t + \eta \cdot q(t)).

Here  \eta  denotes the so-called  "modulation index".  Let the constant envelope  s_0  also be a normalise quantity, which is set to  s_0 = 2  in the following (see diagram).

If one replaces the cosine function with the complex exponential function, one arrives at the analytical signal

s_{\rm +}(t) = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}( \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t + \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t)) }.

From this, one can calculate the equivalent low-pass signal sketched in the graph as follows:

s_{\rm TP}(t) = s_{\rm +}(t) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} t } = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t) }.



Hints:



Questions

1

What is the magnitude function  a(t) = |s_{\rm TP}(t)|?  Which value is valid for  t = 0?

a(t = 0)\ = \

2

Between which extreme values  \phi_{\rm min}  and  \phi_{\rm max}  does the phase  \phi (t)?

\phi_{\rm min}\ = \

 \text{deg}
\phi_{\rm min}\ = \

 \text{deg}

3

Determine the modulation index  \eta  from the phase function  \phi (t).

\eta\ = \

4

Which of the following statements are true?

From  q(t) = -0.5 = \text{const.}  follows  s(t) = s_0 \cdot \cos (\omega_T \cdot t).
With a rectangular signal  (with only two possible signal values  q(t)=\pm 0.5)  the locality curve degenerates to two points.
With the signal values  \pm 1  (q_{\rm min} = -0.5  is then no longer valid) the locality curve degenerates to one point:   s_{\rm TP}(t) = -s_0.


Solution

(1)  The locality curve is a circular arc with radius  2.  Therefore, the magnitude function is constant  \underline{a(t) = 2}.


(2)  From the graph it can be seen that the following numerical values apply:

  • \phi_{\rm min} =- \pi /2 \; \Rightarrow \; \underline{-90^\circ},
  • \phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow \; \underline{+180^\circ}.


(3)  In general, the relation  s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}  applies here.  A comparison with the given function yields:

\phi(t) = \eta \cdot q(t).
  • The maximum phase value  \phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow \; {180^\circ}  is obtained for the signal amplitude  q_{\rm max} = 1.  From this follows directly  {\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.1415}.
  • This modulation index is confirmed by the values  \phi_{\rm min} = -\pi /2  and  q_{\rm min} = -0.5 .


Locality curve (phase diagram) for a rectangular source signal

(4)  The second and third proposed solutions are correct:

  • If  q(t) = \text{const.} =-0.5, the phase function is also constant:
\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - {\pi}/{2}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0 = - 2{\rm j}.
  • Thus, for the actual physical signal:
s(t) = s_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t - {\pi}/{2}) = 2 \cdot {\sin} ( \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).
  • In contrast,  q(t) = +0.5  leads to  \phi (t) = \pi /2  and to  s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}.
  • If  q(t)  is a rectangular signal that alternates between  +0.5  and  –0.5  , then the locality curve consists of only two points on the imaginary axis, regardless of how long the intervals with   +0.5  and  –0.5  last.
  • If, on the other hand,  q(t) = \pm 1, then the possible phase values  +\pi  and  -\pi result purely formally, but they are identical.
  • The locality curve then consists of only one point:   s_{\rm TP}(t) = - s_0   ⇒   the signal  s(t)  is  "minus-cosine"  for all times  t.