Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.14: Phase Progression of the MSK"

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[[File:P_ID1740__Mod_A_4_13.png|right|frame|Source signal and low-pass signals <br>in both branches of the MSK]]
 
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Eine Realisierungsmöglichkeit für&nbsp; ''Minimum Shift Keying''&nbsp; $\rm (MSK)$&nbsp; bietet die&nbsp; $\rm Offset–QPSK$, wie aus dem &nbsp;[[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation#Realizing_MSK_as_Offset.E2.80.93QPSK|block diagram]]&nbsp; im Theorieteil hervorgeht.  
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One possible implementation of&nbsp; ''Minimum Shift Keying''&nbsp; $\rm (MSK)$&nbsp; is offered by &nbsp; $\rm Offset–QPSK$, as shown in the [[Modulation_Methods/Nonlinear_Digital_Modulation#Realizing_MSK_as_Offset.E2.80.93QPSK|block diagram]]&nbsp; in the theory section.  
*Hierzu ist zunächst eine Umcodierung der Quellensymbole &nbsp;$q_k ∈ \{+1, –1\}$&nbsp; in die ebenfalls binären Amplitudenkoeffizienten &nbsp;$a_k ∈ \{+1, –1\}$&nbsp; vorzunehmen.  
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*For this, a recoding of the source symbols &nbsp;$q_k ∈ \{+1, –1\}$&nbsp; into the similarly binary amplitude coefficients &nbsp;$a_k ∈ \{+1, –1\}$&nbsp; must first be undertaken.  
*Diese Umcodierung wird in der &nbsp;[[Aufgaben:Exercise_4.14Z:_Offset_QPSK_vs._MSK|Exercise 4.14Z]]&nbsp; eingehend behandelt.
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*This recoding is discussed in detail in  &nbsp;[[Aufgaben:Exercise_4.14Z:_Offset_QPSK_vs._MSK|Exercise 4.14Z]]&nbsp;.
  
  
Die Grafik zeigt unten die beiden äquivalenten Tiefpass–Signale &nbsp;$s_{\rm I}(t)$&nbsp; und &nbsp;$s_{\rm Q}(t)$&nbsp; in den beiden Zweigen, die sich nach der Umcodierung &nbsp;$a_k = (-1)^{k+1} \cdot a_{k-1} \cdot q_k $&nbsp; aus dem oben skizzierten Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; für den Inphase– und den Quadraturzweig ergeben.&nbsp; Berücksichtigt ist hierbei der MSK–Grundimpuls
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The graph shows the two equivalent low-pass signals &nbsp;$s_{\rm I}(t)$&nbsp; nd &nbsp;$s_{\rm Q}(t)$&nbsp; in the two branches below, which are obtained for the inphase and quadrature branches after recoding &nbsp;$a_k = (-1)^{k+1} \cdot a_{k-1} \cdot q_k $&nbsp;from the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; sketched above.&nbsp; Considered here is the MSK fundamental pulse,
 
:$$ g_{\rm MSK}(t) = \left\{ \begin{array}{l} \cos \big ({\pi \hspace{0.05cm} t}/({2 \hspace{0.05cm} T})\big ) \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} -T \le t \le +T \hspace{0.05cm}, \\ {\rm sonst}\hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$
 
:$$ g_{\rm MSK}(t) = \left\{ \begin{array}{l} \cos \big ({\pi \hspace{0.05cm} t}/({2 \hspace{0.05cm} T})\big ) \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} -T \le t \le +T \hspace{0.05cm}, \\ {\rm sonst}\hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$
Dieser ist ebenso wie die Signale &nbsp;$s_{\rm I}(t)$&nbsp; und &nbsp;$s_{\rm Q}(t)$&nbsp; auf &nbsp;$1$&nbsp; normiert.  
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This is normalized to &nbsp;$1$&nbsp;, as are the signals &nbsp;$s_{\rm I}(t)$&nbsp; and &nbsp;$s_{\rm Q}(t)$&nbsp;.  
  
Für das äquivalente Tiefpass–Signal gilt entsprechend dem  Kapitel &nbsp;[[Signal_Representation/Equivalent_Low_Pass_Signal_and_Its_Spectral_Function|Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function]]&nbsp; im Buch „Signaldarstellung”:
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In keeping with the chapter &nbsp;[[Signal_Representation/Equivalent_Low_Pass_Signal_and_Its_Spectral_Function|Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function]]&nbsp;in the book "Signal Representation", the equivalent low-pass signal is:
 
:$$ s_{\rm TP}(t) = s_{\rm I}(t) + {\rm j} \cdot s_{\rm Q}(t) = |s_{\rm TP}(t)| \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\phi(t)}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ s_{\rm TP}(t) = s_{\rm I}(t) + {\rm j} \cdot s_{\rm Q}(t) = |s_{\rm TP}(t)| \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\phi(t)}\hspace{0.05cm},$$
*mit dem Betrag
+
*with magnitude
 
:$$|s_{\rm TP}(t)| = \sqrt{s_{\rm I}^2(t) + s_{\rm Q}^2(t)} $$
 
:$$|s_{\rm TP}(t)| = \sqrt{s_{\rm I}^2(t) + s_{\rm Q}^2(t)} $$
*und der Phase
+
*and phase
 
:$$ \phi(t) = {\rm arc} \hspace{0.15cm}s_{\rm TP}(t) = {\rm arctan}\hspace{0.1cm} \frac{s_{\rm Q}(t)}{s_{\rm I}(t)} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ \phi(t) = {\rm arc} \hspace{0.15cm}s_{\rm TP}(t) = {\rm arctan}\hspace{0.1cm} \frac{s_{\rm Q}(t)}{s_{\rm I}(t)} \hspace{0.05cm}.$$
Das physikalische MSK–Sendesignal ergibt sich dann zu
+
The physical MSK transmitted signal is then given by
 
:$$ s(t) = |s_{\rm TP}(t)| \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ s(t) = |s_{\rm TP}(t)| \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) \hspace{0.05cm}.$$
  

Revision as of 12:21, 21 March 2022

Source signal and low-pass signals
in both branches of the MSK

One possible implementation of  Minimum Shift Keying  $\rm (MSK)$  is offered by   $\rm Offset–QPSK$, as shown in the block diagram  in the theory section.

  • For this, a recoding of the source symbols  $q_k ∈ \{+1, –1\}$  into the similarly binary amplitude coefficients  $a_k ∈ \{+1, –1\}$  must first be undertaken.
  • This recoding is discussed in detail in  Exercise 4.14Z .


The graph shows the two equivalent low-pass signals  $s_{\rm I}(t)$  nd  $s_{\rm Q}(t)$  in the two branches below, which are obtained for the inphase and quadrature branches after recoding  $a_k = (-1)^{k+1} \cdot a_{k-1} \cdot q_k $ from the source signal  $q(t)$  sketched above.  Considered here is the MSK fundamental pulse,

$$ g_{\rm MSK}(t) = \left\{ \begin{array}{l} \cos \big ({\pi \hspace{0.05cm} t}/({2 \hspace{0.05cm} T})\big ) \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} -T \le t \le +T \hspace{0.05cm}, \\ {\rm sonst}\hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$

This is normalized to  $1$ , as are the signals  $s_{\rm I}(t)$  and  $s_{\rm Q}(t)$ .

In keeping with the chapter  Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function in the book "Signal Representation", the equivalent low-pass signal is:

$$ s_{\rm TP}(t) = s_{\rm I}(t) + {\rm j} \cdot s_{\rm Q}(t) = |s_{\rm TP}(t)| \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\phi(t)}\hspace{0.05cm},$$
  • with magnitude
$$|s_{\rm TP}(t)| = \sqrt{s_{\rm I}^2(t) + s_{\rm Q}^2(t)} $$
  • and phase
$$ \phi(t) = {\rm arc} \hspace{0.15cm}s_{\rm TP}(t) = {\rm arctan}\hspace{0.1cm} \frac{s_{\rm Q}(t)}{s_{\rm I}(t)} \hspace{0.05cm}.$$

The physical MSK transmitted signal is then given by

$$ s(t) = |s_{\rm TP}(t)| \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi(t)) \hspace{0.05cm}.$$





Hints:

  • Assume  $ϕ(t = 0) = ϕ_0 = 0$ .


Questions

1

Welche Aussagen gelten für die Hüllkurve  $|s_{\rm TP}(t)|$  der MSK?

Die Hüllkurve schwankt cosinusförmig.
Die Hüllkurve ist konstant.
Die Hüllkurve ist unabhängig von der gesendeten Folge.

2

Es gelte  $T = 1 \ \rm µs$.  Berechnen Sie den Phasenverlauf im Intervall  $0 ≤ t ≤ T$.
Welche Phasenwerte ergeben sich für  $t = T/2$  und  $t = T$?

$ϕ(t = T/2)\ = \ $

$\ \rm Grad$
$ϕ(t = T) \hspace{0.63cm} = \ $

$\ \rm Grad$

3

Bestimmen Sie die Phasenwerte bei  $t = 2T$,  $t = 3T$  und  $t = 4T$.

$ϕ(t = 2T) \ = \ $

$\ \rm Grad$
$ϕ(t = 3T) \ = \ $

$\ \rm Grad$
$ϕ(t = 4T) \ = \ $

$\ \rm Grad$

4

Skizzieren und interpretieren Sie den Phasenverlauf  $ϕ(t)$  im Bereich von  $0$  bis  $8T$.
Welche Phasenwerte ergeben sich zu den folgenden Zeitpunkten?

$ϕ(t = 5T) \ = \ $

$\ \rm Grad$
$ϕ(t = 6T) \ = \ $

$\ \rm Grad$
$ϕ(t = 7T) \ = \ $

$\ \rm Grad$
$ϕ(t = 8T) \ = \ $

$\ \rm Grad$


Solution

(1)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:

  • Beispielsweise gilt im Bereich  $0 ≤ t ≤ T$, wenn man berücksichtigt, dass  $a_0^2 = a_1^2 = 1$  ist:
$$ |s_{\rm TP}(t)| = \sqrt{a_0^2 \cdot \cos^2 (\frac{\pi \cdot t}{2 \cdot T}) + a_1^2 \cdot \sin^2 (\frac{\pi \cdot t}{2 \cdot T})} = 1 \hspace{0.05cm}.$$
  • Richtig ist damit die Aussage 2, während die Aussage 1 falsch.
  • Dieses Ergebnis gilt für jedes Wertepaar  $a_0 ∈ \{+1, \ –1\}$  und  $a_1 ∈ \{+1, \ –1\}$.
  • Daraus kann weiter geschlossen werden, dass die Hüllkurve unabhängig von der gesendeten Folge ist.



(2)  Mit der angegebenen Gleichung gilt:

$$\phi(t) = {\rm arctan}\hspace{0.1cm} \frac{s_{\rm Q}(t)}{s_{\rm I}(t)} = {\rm arctan}\hspace{0.1cm} \frac{a_1 \cdot \sin (\frac{\pi \cdot t}{2 \cdot T})}{a_0 \cdot \cos (\frac{\pi \cdot t}{2 \cdot T})}= {\rm arctan}\hspace{0.1cm}\left [ \frac{a_1}{a_0}\cdot \tan \hspace{0.1cm}(\frac{\pi \cdot t}{2 \cdot T})\right ] \hspace{0.05cm}.$$
  • Der Quotient  $a_1/a_0$  ist stets  $+1$  oder  $-1$.  Damit kann dieser Quotient vorgezogen werden und man erhält:
$$\phi(t) = \frac{a_1}{a_0}\cdot {\rm arctan}\hspace{0.1cm}\left [ \tan \hspace{0.1cm}(\frac{\pi \cdot t}{2 \cdot T})\right ]= \frac{a_1}{a_0}\cdot \frac{\pi \cdot t}{2 \cdot T} \hspace{0.05cm}.$$
  • Durch die Anfangsphase  $ϕ_0 = 0$  können Mehrdeutigkeiten ausgeschlossen werden.  Insbesondere gilt mit  $a_0 = a_1 = +1$:
$$\phi(t = T/2 = 0.5\,{\rm µ s}) = {\pi}/{4}\hspace{0.15cm}\underline { = +45^\circ},\hspace{0.2cm}\phi(t = T= 1\,{\rm µ s}) = {\pi}/{2}\hspace{0.15cm}\underline {= +90^\circ} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Am einfachsten löst man diese Aufgabe unter Zuhilfenahme des Einheitskreises:

$$ {\rm Re} = s_{\rm I}(2T) = +1, \hspace{0.2cm} {\rm Im} = s_{\rm Q}(2T) = 0 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\phi(t = 2T= 2\,{\rm µ s}) \hspace{0.15cm}\underline {= 0^\circ},$$
$$ {\rm Re} = s_{\rm I}(3T) = 0, \hspace{0.2cm} {\rm Im} = s_{\rm Q}(3T) = -1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\phi(t = 3T= 3\,{\rm µ s}) \hspace{0.15cm}\underline {= -90^\circ},$$
Quellensignal und Phasenverlauf bei MSK
$${\rm Re} = s_{\rm I}(4T) = -1, \hspace{0.2cm} {\rm Im} = s_{\rm Q}(4T) = 0 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}\phi(t = 4T= 4\,{\rm µ s})= \pm 180^\circ \hspace{0.05cm}.$$
  • Aus der unteren Skizze erkennt man, dass  $\phi(t = 4T= 4\,{\rm µ s})\hspace{0.15cm}\underline { = - 180^\circ}\hspace{0.05cm}$  richtig ist.


(4)  Die Grafik zeigt die MSK–Phase  $ϕ(t)$  zusammen mit dem Quellensignal  $q(t)$.  Man erkennt:

  • Beim Symbol  $a_\nu =+1$  steigt die Phase innerhalb der Symboldauer  $T$  linear um  $90^\circ \ (π/2)$  an.
  • Beim Symbol  $a_\nu =-1$  fällt die Phase innerhalb der Symboldauer  $T$  linear um  $90^\circ \ (π/2)$  ab.
  • Die weiteren Phasenwerte sind somit:
$$\phi(5T) \hspace{0.15cm}\underline { = -90^\circ},\hspace{0.2cm}\phi(t = 6T) \hspace{0.15cm}\underline {= 0^\circ} \hspace{0.05cm}.$$
$$ \phi(7T)\hspace{0.15cm}\underline { = -90^\circ},\hspace{0.2cm} \phi(t = 8T) \hspace{0.15cm}\underline {= 0^\circ} \hspace{0.05cm}.$$