Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.2: Distortion Power"

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{{quiz-Header|Buchseite=Lineare zeitinvariante Systeme/Klassifizierung der Verzerrungen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Linear_and_Time_Invariant_Systems/Classification_of_the_Distortions
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID883__LZI_A_2_2.png|right|frame|Eingangssignal und Ausgangssignale]]
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[[File:P_ID883__LZI_A_2_2.png|right|frame|Input signal and output signals]]
Am Eingang eines Nachrichtensystems  S1  wird ein Rechteckimpuls  x(t)  mit der Amplitude  1V  und der Dauer  4ms  angelegt. Am Systemausgang wird dann der Impuls  y1(t)  gemessen, dessen Signalparameter der mittleren Skizze entnommen werden können.
+
A rectangular pulse x(t)  with amplitude 1V  and duration 4ms  is applied to the input of a communication system. Then, the pulse y1(t) , whose signal parameters can be taken from the middle sketch, is measured at the system output.
  
Am Ausgang eines anderen Systems  S2  stellt sich bei gleichem Eingangssignal  $x(t)$  das in dem unteren Bild dargestellte Signal   $y_2(t)$  ein.
+
At the output of another system  S2 , the signal $y_2(t)$  shown in the lower sketch is obtained with the same input signal $x(t)$ .
  
Für das in dieser Aufgabe verwendete Fehlersignal gelte folgende Definition:
+
Let the following definition apply to the error signal used in this task:
 
:ε(t)=y(t)αx(tτ).
 
:ε(t)=y(t)αx(tτ).
Die Parameter  α  und  τ  sind so zu bestimmen, dass die Verzerrungsleistung (der mittlere quadratische Fehler) minimal ist. Für diese gilt:
+
The parameters α  and  τ  are to be determined such that the distortion power (the mean squared error) is minimal. For this, the following holds:
 
:$$P_{\rm V}  = \overline{\varepsilon^2(t)} = \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int\limits_{ ( T_{\rm M})}
 
:$$P_{\rm V}  = \overline{\varepsilon^2(t)} = \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int\limits_{ ( T_{\rm M})}
 
  {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t$$
 
  {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t$$
  
Bei diesen Definitionen ist bereits berücksichtigt, dass eine frequenzunabhängige Dämpfung ebenso wie eine für alle Frequenzen konstante Laufzeit nicht zur Verzerrung beiträgt.
+
These definitions already take into account that a frequency-independent damping just as a runtime which is constant for all frequencies does not contribute to the distortion.
  
Das Integrationsintervall ist jeweils geeignet zu wählen:  
+
The integration interval has to be chosen appropriately in each case:  
*Benutzen Sie für  y1(t)  den Bereich von  0 ... 4ms  und für   $y_2(t)$  das Intervall  1ms ... 5ms.  
+
*Use the interval  0 ... 4ms  for $y_1(t)$  and the interval  1ms ... 5ms for   y2(t) .  
*Damit  beträgt in beiden Fällen die Messdauer  TM=4ms.  
+
*Thus, the measurement time is TM=4ms in both cases.  
*Es ist offensichtlich, dass bezüglich  y1(t)  die Parameter  α=1  und  τ=0  jeweils zur minimalen Verzerrungsleistung führen.
+
*It is obvious that with respect to y1(t)  the parameters  α=1  and  τ=0  respectively result in the minimum distortion power.
  
  
Das so genannte Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis berechnet sich im allgemeinen Fall zu
+
In general, the so-called signal–to–distortion–power ratio is given by the following formula
 
:ρV=α2PxPV.
 
:ρV=α2PxPV.
  
Hierbei bezeichnet
+
Here,
*Px  die Leistung des Signals  x(t), und
+
*Px  denotes the power of the signal x(t), and
*α2Px  die Leistung von  y(t)=αx(tτ), die sich bei Abwesenheit von Verzerrungen ergeben würde.  
+
*α2Px  denotes the power of y(t)=αx(tτ), that would arise as aresult in the absence of distortion.  
  
  
Meist – so auch in dieser Aufgabe – wird dieses S/N-Verhältnis  ρV  logarithmisch in  dB  angegeben.
+
Usually, – as also in this task– this S/N-ratio  ρV  is given logarithmically in  dB .
  
  
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''Hinweise:''  
+
''Please note:''  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel   [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Klassifizierung_der_Verzerrungen|Klassifizierung der Verzerrungen]].
+
*The exercise belongs to the chapter   [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Classification_of_the_Distortions|Classification of the Distortions]].
*Berücksichtigen Sie insbesondere die Seiten 
+
*In particular, consider the pages 
::[[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Klassifizierung_der_Verzerrungen#Quantitatives_Ma.C3.9F_f.C3.BCr_die_Signalverzerrungen| Quantitatives Maß für die Signalverzerrungen]]  sowie  
+
::[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Classification_of_the_Distortions#Quantitative_measure_for_the_signal_distortions|Quantitative measure for the signal distortions]]  and also  
::[[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Klassifizierung_der_Verzerrungen#Ber.C3.BCcksichtigung_von_D.C3.A4mpfung_und_Laufzeit|Berücksichtigung von Dämpfung und Laufzeit]].
+
::[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Classification_of_the_Distortions#Ber.C3.BCcksichtigung_von_D.C3.A4mpfung_und_Laufzeit|Berücksichtigung von Dämpfung und Laufzeit]].
 
   
 
   
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Ermitteln Sie die Verzerrungsleistung des Systems&nbsp; S1.
+
{Determine the distortion power of the system&nbsp; S1.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
PV1 =   { 5 3% }  103 V2
 
PV1 =   { 5 3% }  103 V2
  
  
{Berechnen Sie das Signal&ndash;zu&ndash;Verzerrungs&ndash;Leistungsverhältnis für System&nbsp; S1.
+
{Compute the signal&ndash;to&ndash;distortion&ndash;power ratio for system&nbsp; S1.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
10lg ρV1 =   { 23.01 3% }  dB
 
10lg ρV1 =   { 23.01 3% }  dB
  
  
{Welche Parameter&nbsp; α&nbsp; und&nbsp; τ&nbsp; sollten zur Berechnung der Verzerrungsleistung des Systems&nbsp; S2&nbsp; herangezogen werden? <br>Begründen Sie Ihr Ergebnis.
+
{What parameters&nbsp; α&nbsp; and&nbsp; τ&nbsp; should be used to calculate the distortion power of the system&nbsp; S2&nbsp;? <br>Justify your result.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
α =   { 0.5 3% }
 
α =   { 0.5 3% }
Line 64: Line 64:
  
  
{Ermitteln Sie die Verzerrungsleistung des Systems&nbsp; S2.
+
{Determine the distortion power of the system&nbsp; S2.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
PV2 =   { 5 3% }  103 V2
 
PV2 =   { 5 3% }  103 V2
  
  
{Berechnen Sie das Signal&ndash;zu&ndash;Verzerrungs&ndash;Leistungsverhältnis für das System&nbsp; S2. <br>Interpretieren Sie die unterschiedlichen Ergebnisse.
+
{Compute the signal&ndash;to&ndash;distortion&ndash;power ratio for the system&nbsp; S2. <br>Interpret the different results.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
10lg ρV2 =  { 16.99 3% }  dB
 
10lg ρV2 =  { 16.99 3% }  dB
Line 77: Line 77:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
[[File:P_ID915__LZI_A_2_2_a.png|right|frame|Resultierende Fehlersignale]]
+
[[File:P_ID915__LZI_A_2_2_a.png|right|frame|Resulting error signals]]
'''(1)'''&nbsp; Mit den gegebenen Parametern &nbsp;α=1&nbsp; und &nbsp;τ=0&nbsp; erhält man das in der Grafik dargestellte Fehlersignal&nbsp; ε1(t). Die Verzerrungsleistung ist somit gleich:
+
'''(1)'''&nbsp; The error signal&nbsp; ε1(t) shown in the graph is obtained with the given parameters&nbsp;α=1&nbsp; and &nbsp;τ=0&nbsp;. The distortion power is thus equal to:
 
:$$P_{\rm V1}  =  \frac{ {1 \, \rm ms}}{4 \, \rm ms} \cdot \big[ ({0.1 \, \rm V})^2  +
 
:$$P_{\rm V1}  =  \frac{ {1 \, \rm ms}}{4 \, \rm ms} \cdot \big[ ({0.1 \, \rm V})^2  +
 
   ({-0.1 \, \rm V})^2\big]\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}P_{\rm V1} \hspace{0.15cm}\underline{ =  5 \cdot 10^{-3} \, \rm  V^2}. $$
 
   ({-0.1 \, \rm V})^2\big]\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}P_{\rm V1} \hspace{0.15cm}\underline{ =  5 \cdot 10^{-3} \, \rm  V^2}. $$
Line 86: Line 86:
  
  
'''(2)'''&nbsp; Die Leistung des Eingangssignals beträgt:
+
'''(2)'''&nbsp; The power of the input signal is:
 
:Px=14ms(1V)24ms=1V2.
 
:Px=14ms(1V)24ms=1V2.
  
*Mit dem Ergebnis aus&nbsp; '''(1)'''&nbsp; erhält man somit für das Signal&ndash;zu&ndash;Verzerrungs&ndash;Leistungsverhältnis:
+
*The following is obtained for the signal&ndash;to&ndash;distortion&ndash;power ratio with the result from&nbsp; '''(1)'''&nbsp;:
 
$$\rho_{\rm V1} = \frac{  P_{x}}{P_{\rm V1}}= \frac{  {1 \, \rm
 
$$\rho_{\rm V1} = \frac{  P_{x}}{P_{\rm V1}}= \frac{  {1 \, \rm
 
   V^2}}{0.005 \,  \rm V^2}\hspace{0.05cm}\rm = 200\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
   V^2}}{0.005 \,  \rm V^2}\hspace{0.05cm}\rm = 200\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
Line 96: Line 96:
  
  
'''(3)'''&nbsp; Die Skizze auf dem Angabenblatt macht deutlich, dass sich auch ohne die auftretenden Verzerrungen &ndash; sondern allein durch Dämpfung und Laufzeit das Signal &nbsp;y(t)&nbsp; von &nbsp;x(t)&nbsp; &ndash; deutlich unterscheiden würde.  
+
'''(3)'''&nbsp; The sketch on the information sheet makes it clear that even without the distortions occuring &ndash; but due to attenuation and runtime alone &ndash; the signal&nbsp;y(t)&nbsp; would differ significantly from&nbsp;x(t)&nbsp;.  
*Es würde sich &nbsp;y(t)=0.5x(t1 ms)&nbsp; ergeben.
+
*The following would arise as a result: &nbsp;y(t)=0.5x(t1 ms)&nbsp;.
  
*Wenn jemand diese Werte nicht sofort aus der Grafik erkennt, so müsste er für sehr (unendlich) viele &nbsp;α&ndash;&nbsp; und &nbsp;τ&ndash;Werte zunächst das Fehlersignal
+
*If someone does not immediately perceive these values from the graph, then first the error signal
 
:ε2(t)=y2(t)αx(tτ)
 
:ε2(t)=y2(t)αx(tτ)
  
:und anschließend den mittleren quadratischen Fehler ermitteln, wobei das Integrationsintervall jeweils an &nbsp;τ&nbsp; anzupassen ist.  
+
:and afterwards the mean squared error for very (infinitely) many&nbsp;α&ndash;&nbsp; and &nbsp;τ&ndash;values would have to be determined, in doing so the integration interval is to be adjusted to&nbsp;τ&nbsp; in each case.  
*Auch dann würde man das kleinstmögliche Ergebnis für &nbsp;α=0.5_&nbsp; und &nbsp;τ=1 ms_&nbsp; erhalten. Für diese Optimierung von &nbsp;α&nbsp; und &nbsp;τ&nbsp; sollte man sich allerdings schon ein Computerprogramm gönnen.
+
*Then, the smallest possible result would also be obtained for&nbsp;α=0.5_&nbsp; and &nbsp;τ=1 ms_&nbsp;. However, for this optimization of&nbsp;α&nbsp; and &nbsp;τ&nbsp; the useage of a computer program should be granted.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Die obige Skizze zeigt, dass &nbsp;ε2(t)&nbsp; bis auf eine Verschiebung um &nbsp;$1 \ \rm ms$&nbsp; gleich dem Fehlersignal &nbsp;$\varepsilon_1(t)$&nbsp; ist. Mit dem Integrationsintervall &nbsp;1 ms ... 5 ms&nbsp; ergibt sich somit auch die gleiche Verzerrungsleistung:
+
'''(4)'''&nbsp; The above sketch shows that&nbsp;ε2(t)&nbsp; is equal to the error signal&nbsp;$\varepsilon_1(t)$&nbsp; except for a shift by&nbsp;$1 \ \rm ms$&nbsp;. Considering the integration interval&nbsp;1 ms ... 5 ms&nbsp; the same distortion power is obtained:
 
:PV2=PV1=5103V2_.
 
:PV2=PV1=5103V2_.
  
  
  
'''(5)'''&nbsp; Entsprechend dem Angabenblatt gilt:
+
'''(5)'''&nbsp; According to the information sheet the following holds:
 
:$$\rho_{\rm V2} = \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V2}}= \frac{ 0.5^2 \cdot {1 \, \rm
 
:$$\rho_{\rm V2} = \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V2}}= \frac{ 0.5^2 \cdot {1 \, \rm
 
   V^2}}{0.005 \,  \rm V^2}\hspace{0.05cm}\rm = 50\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
   V^2}}{0.005 \,  \rm V^2}\hspace{0.05cm}\rm = 50\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
   10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm V2} \hspace{0.15cm}\underline{= {16.99 \, \rm dB}}.$$
 
   10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm V2} \hspace{0.15cm}\underline{= {16.99 \, \rm dB}}.$$
  
*Trotz gleicher Verzerrungsleistung ist &nbsp;10lgρV2&nbsp; gegenüber &nbsp;10lgρV1&nbsp; um etwa &nbsp;6 dB&nbsp; geringer.  
+
*Despite the same distortion power&nbsp;10lgρV2&nbsp; is less than &nbsp;10lgρV1&nbsp; by about&nbsp;6 dB&nbsp;.  
*Das Signal &nbsp;y2(t)&nbsp; ist also hinsichtlich des SNR deutlich ungünstiger als &nbsp;y1(t).
+
*The signal&nbsp;y2(t)&nbsp; is thus significantly less favourable in terms of SNR than&nbsp;y1(t).
* Es ist berücksichtigt, dass nun wegen &nbsp;α=0.5&nbsp; die Leistung des Ausgangssignals nur noch ein Viertel der Eingangsleistung beträgt.
+
*It is considered that now the power of the output signal is only a quarter of the input power due to &nbsp;α=0.5&nbsp;.
*Würde man diese Dämpfung am Ausgang durch eine Verstärkung um 1/α kompensieren, so würde zwar die Verzerrungsleistung um α2 größer.  
+
*If this attenuation at the output was to be compensated by amplifying it by 1/α, the distortion power would indeed increase by α2.  
  
*Das Signal-zu-Verzerrungs-Leistungsverhältnis ρV2 bliebe jedoch erhalten, weil auch das &bdquo;Nutzsignal&rdquo; um den gleichen Betrag angehoben wird.
+
*The signal-to-distortion-power ratio ρV2 would, however, remain the same because the "useful signal" would also be increased by the same value.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Lineare zeitinvariante Systeme|^2.1 Klassifizierung der Verzerrungen^]]
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[[Category:Linear and Time-Invariant Systems: Exercises|^2.1 Classification of the Distortions^]]

Latest revision as of 22:51, 12 September 2021

Input signal and output signals

A rectangular pulse x(t)  with amplitude 1V  and duration 4ms  is applied to the input of a communication system. Then, the pulse y1(t) , whose signal parameters can be taken from the middle sketch, is measured at the system output.

At the output of another system  S2 , the signal y2(t)  shown in the lower sketch is obtained with the same input signal x(t) .

Let the following definition apply to the error signal used in this task:

ε(t)=y(t)αx(tτ).

The parameters α  and  τ  are to be determined such that the distortion power (the mean squared error) is minimal. For this, the following holds:

PV=¯ε2(t)=1TM(TM)ε2(t)dt

These definitions already take into account that a frequency-independent damping just as a runtime which is constant for all frequencies does not contribute to the distortion.

The integration interval has to be chosen appropriately in each case:

  • Use the interval  0 ... 4ms  for y1(t)  and the interval  1ms ... 5ms for   y2(t) .
  • Thus, the measurement time is TM=4ms in both cases.
  • It is obvious that with respect to y1(t)  the parameters  α=1  and  τ=0  respectively result in the minimum distortion power.


In general, the so-called signal–to–distortion–power ratio is given by the following formula

ρV=α2PxPV.

Here,

  • Px  denotes the power of the signal x(t), and
  • α2Px  denotes the power of y(t)=αx(tτ), that would arise as aresult in the absence of distortion.


Usually, – as also in this task– this S/N-ratio  ρV  is given logarithmically in  dB .




Please note:

Quantitative measure for the signal distortions  and also  
Berücksichtigung von Dämpfung und Laufzeit.


Questions

1

Determine the distortion power of the system  S1.

PV1 = 

 103 V2

2

Compute the signal–to–distortion–power ratio for system  S1.

10lg ρV1 = 

 dB

3

What parameters  α  and  τ  should be used to calculate the distortion power of the system  S2 ?
Justify your result.

α = 

τ = 

 ms

4

Determine the distortion power of the system  S2.

PV2 = 

 103 V2

5

Compute the signal–to–distortion–power ratio for the system  S2.
Interpret the different results.

10lg ρV2 = 

 dB


Solution

Resulting error signals

(1)  The error signal  ε1(t) shown in the graph is obtained with the given parameters α=1  and  τ=0 . The distortion power is thus equal to:

PV1=1ms4ms[(0.1V)2+(0.1V)2]PV1=5103V2_.


(2)  The power of the input signal is:

Px=14ms(1V)24ms=1V2.
  • The following is obtained for the signal–to–distortion–power ratio with the result from  (1) :

ρV1=PxPV1=1V20.005V2=20010lgρV1=23.01dB_.


(3)  The sketch on the information sheet makes it clear that even without the distortions occuring – but due to attenuation and runtime alone – the signal y(t)  would differ significantly from x(t) .

  • The following would arise as a result:  y(t)=0.5x(t1 ms) .
  • If someone does not immediately perceive these values from the graph, then first the error signal
ε2(t)=y2(t)αx(tτ)
and afterwards the mean squared error for very (infinitely) many α–  and  τ–values would have to be determined, in doing so the integration interval is to be adjusted to τ  in each case.
  • Then, the smallest possible result would also be obtained for α=0.5_  and  τ=1 ms_ . However, for this optimization of α  and  τ  the useage of a computer program should be granted.


(4)  The above sketch shows that ε2(t)  is equal to the error signal ε1(t)  except for a shift by 1 ms . Considering the integration interval 1 ms ... 5 ms  the same distortion power is obtained:

PV2=PV1=5103V2_.


(5)  According to the information sheet the following holds:

ρV2=α2PxPV2=0.521V20.005V2=5010lgρV2=16.99dB_.
  • Despite the same distortion power 10lgρV2  is less than  10lgρV1  by about 6 dB .
  • The signal y2(t)  is thus significantly less favourable in terms of SNR than y1(t).
  • It is considered that now the power of the output signal is only a quarter of the input power due to  α=0.5 .
  • If this attenuation at the output was to be compensated by amplifying it by 1/α, the distortion power would indeed increase by α2.
  • The signal-to-distortion-power ratio ρV2 would, however, remain the same because the "useful signal" would also be increased by the same value.