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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.8: Asymmetrical Channel"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Hüllkurvendemodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Envelope_Demodulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1038__Mod_A_2_8.png|right|frame|Äquivalentes Tiefpass–Signal in der komplexen Ebene]]
+
[[File:P_ID1038__Mod_A_2_8.png|right|frame|Equivalent low-pass signal  <br>in the complex plane]]
Ein cosinusförmiges Quellensignal q(t) mit der Amplitude AN und der Frequenz fN wird ZSB–amplitudenmoduliert, so dass für das modulierte Signal gilt:
+
A cosine-shaped source signal &nbsp;q(t)&nbsp; with amplitude &nbsp;AN&nbsp; and frequency &nbsp;fN&nbsp; is double-sideband amplitude modulated.&nbsp; The modulated signal is given by:
:s(t)=[q(t)+AT]cos(2πfTt).
+
:$$ s(t) = \big[ q(t) + A_{\rm T}\big] \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
Der Übertragungskanal weist lineare Verzerrungen auf. Während sowohl das untere Seitenband (bei der USB-Frequenz fTfN) als auch der Träger unverfälscht übertragen werden, wird das obere Seitenband (bei der OSB-Frequenz fT+fN) mit dem Dämpfungsfaktor α_{\rm O} = 0.25 gewichtet.
+
The transmission channel exhibits linear distortions:
 +
*While the lower sideband $($LSB frequency: &nbsp; &nbsp;$f_{\rm T} - f_{\rm N})$&nbsp; and the carrier are transmitted undistorted,  
 +
*the upper sideband $($USB frequency: &nbsp; &nbsp;$f_{\rm T} + f_{\rm N})$&nbsp; is weighted with the attenuation factor  &nbsp;α_{\rm O} = 0.25.
  
Die Grafik zeigt die Ortskurve, also die Darstellung des äquivalenten Tiefpass–Signals r_{\rm TP}(t) in der komplexen Ebene.
 
  
Wertet man das Signal r(t) mit einem idealen Hüllkurvendemodulator aus, so erhält man ein Sinkensignal v(t), das wie folgt angenähert werden kann:
+
The graph shows the locus curve, i.e.,&nbsp; the representation of the equivalent low-pass signal &nbsp;r_{\rm TP}(t)&nbsp; in the complex plane.
 +
 
 +
Evaluating the signal &nbsp;r(t)&nbsp; with an ideal envelope demodulator,&nbsp; we obtain a sink signal&nbsp;v(t),&nbsp; which can be approximated as follows:
 
:v(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t ) -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )-\text{ ...}
 
:v(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t ) -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )-\text{ ...}
Für diese Messung wurde die Nachrichtenfrequenz f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz benutzt.
+
For this measurement,&nbsp; the message frequency &nbsp;f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz&nbsp; was used.
  
In der Teilaufgabe (7) soll das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis (SNR) wie folgt berechnet werden:
+
In subtask&nbsp; '''(7)'''&nbsp; the signal-to-noise power ratio &nbsp; $\rm (SNR)$&nbsp; should be calculated as follows:
:$$ \rho_{v } = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ \rho_{v } = P_{v 1}/P_{\varepsilon } \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei bezeichnen P_{v1} = α^2 · P_q und P_ε die „Leistungen” der beiden Signale:
+
Here, &nbsp;P_{v1} = α^2 · P_q&nbsp; and &nbsp;P_ε&nbsp; denote the&nbsp; "powers"&nbsp; of both signals:
 
: v_1(t)  =  2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t )\hspace{0.05cm},
 
: v_1(t)  =  2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t )\hspace{0.05cm},
 
: \varepsilon(t)  =  v(t) - v_1(t) \approx -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.
 
: \varepsilon(t)  =  v(t) - v_1(t) \approx -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.
  
  
''Hinweise:''
+
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Hüllkurvendemodulation|Hüllkurvendemodulation]].
+
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf das Kapitel   [[Modulationsverfahren/Hüllkurvendemodulation#Beschreibung_mit_Hilfe_des_.C3.A4quivalenten_TP.E2.80.93Signals|Beschreibung mit Hilfe des äquivalenten Tiefpass-Signals]].
+
 
 +
Hints:  
 +
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation|Envelope Demodulation]].
 +
*Particular reference is made to the section&nbsp;   [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation#Description_using_the_equivalent_low-pass_signal|Description using the equivalent low-pass signal]].
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Geben Sie das Tiefpass-Signal r_{\rm TP}(t) in analytischer Form an. Welcher Wert ergibt sich für die Zeit  t = 0?
+
{Give the low-pass signal &nbsp;r_{\rm TP}(t)&nbsp; in its analytical form.&nbsp; What value results for time &nbsp;t = 0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
r_{\rm TP}(t=0) \ = \ { 15 3% } \ \rm V
 
r_{\rm TP}(t=0) \ = \ { 15 3% } \ \rm V
  
{Wie lauten die Amplitudenwerte A_{\rm T} und A_{\rm N}?
+
{What are the amplitude values &nbsp;A_{\rm T}&nbsp; and &nbsp;A_{\rm N}?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
A_{\rm T} \ = \ { 10 3% } \ \rm V  
 
A_{\rm T} \ = \ { 10 3% } \ \rm V  
 
A_{\rm N} \ = \ { 8 3% } \ \rm V
 
A_{\rm N} \ = \ { 8 3% } \ \rm V
  
{Es gelte f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz. Zu welcher Zeit t_1 wird der Startpunkt '''(1)''' zum ersten Mal nach t = 0 wieder erreicht?
+
{Let &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.&nbsp; At which time &nbsp;t_1&nbsp; is the starting point &nbsp; '''(1)'''&nbsp; first reached again after &nbsp;t = 0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
t_1 \ = \ { 0.5 3% } \ \rm ms  
 
t_1 \ = \ { 0.5 3% } \ \rm ms  
  
{Zu welchem Zeitpunkt t_2 wird der Ellipsenpunkt '''(2)''' mit dem Wert $j · 3\ \rm V$ zum ersten Mal erreicht?
+
{At which time  &nbsp;t_2&nbsp; is the elliptical point &nbsp; '''(2)'''&nbsp; with value &nbsp;$\rm j · 3\ V$&nbsp;  reached first?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
t_2 \ = \ { 0.375 3% } \ \rm ms  
 
t_2 \ = \ { 0.375 3% } \ \rm ms  
 
   
 
   
{Berechnen Sie die Betragsfunktion (Hüllkurve) a(t) und die Phasenfunktion ϕ für diesen Zeitpunkt t_2.
+
{Calculate the  magnitude function&nbsp; (envelope) &nbsp;a(t)&nbsp; and the phase function &nbsp;(t)$&nbsp; for this time point &nbsp;t_2.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
a(t = t_2) \ = \ { 10.44 3% } \ \rm V
 
a(t = t_2) \ = \ { 10.44 3% } \ \rm V
ϕ(t = t_2)\ = \ { 16.7 3% } $\ \rm Grad$  
+
ϕ(t = t_2)\ = \ { 16.7 3% } $\ \rm degrees$  
  
{Berechnen Sie den Klirrfaktor K für f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz.
+
{Calculate the distortion factor &nbsp;K&nbsp; for &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz\text{:}  &nbsp; &nbsp;  K \ = \ { 6.6 3% } \ \text{%}  
+
K \ = \ { 6.6 3% } \ \text{%}  
  
{Berechnen Sie für f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis (SNR)  gemäß der angegebenen Definition.
+
{Calculate the signal-to-noise power ratio &nbsp;\rm (SNR)&nbsp;for &nbsp;$f_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2 \ \rm kHz}$&nbsp; according to the given definition.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz\text{:}  &nbsp; &nbsp;  ρ_v \ = \ { 230 3% }  
+
ρ_v \ = \ { 230 3% }  
  
{ Welcher Klirrfaktor K ergibt sich bei ansonsten gleichen Bedingungen mit der Nachrichtenfrequenz f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz?
+
{What distortion factor results from otherwise equal conditions for the message frequency &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \rm kHz}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz\text{:}  &nbsp; &nbsp;  K \ = \ { 6.6 3% } \ \text{%}  
+
K \ = \ { 6.6 3% } \ \text{%}  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Bei cosinusförmigem Quellensignal und Dämpfung des oberen Seitenbandes gilt:
+
'''(1)'''&nbsp;  For a cosine-shaped source signal and attenuation of the upper sideband,&nbsp; it holds that:
 
: r_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot \alpha_{\rm O} \cdot{\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot{\rm e}^{-{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t}\hspace{0.05cm}.
 
: r_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot \alpha_{\rm O} \cdot{\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot{\rm e}^{-{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t}\hspace{0.05cm}.
Zum Zeitpunkt t = 0 zeigen alle Vektoren in Richtung der reellen Achse. Somit kann aus der Grafik auf der Angabenseite r_{\rm TP}(t = 0)\hspace{0.15cm}\underline { = 15 \ \rm V} abgelesen werden.
+
*At time &nbsp; t = 0&nbsp; all vectors point in the direction of the real axis.  
 +
*Thus &nbsp; r_{\rm TP}(t = 0)\hspace{0.15cm}\underline { = 15 \ \rm V}&nbsp; can be read from the graph on the exercise page.
  
  
'''(2)'''&nbsp;  Die Trägeramplitude ist durch den Ellipsenmittelpunkt festgelegt: A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline { = 10 \ \rm V}. Aus der in der ersten Teilaufgabe angegebenen Gleichung kann somit auch die Amplitude A_{\rm N} berechnet werden:
+
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp;  The carrier amplitude is defined by the center of the ellipse:
 +
&nbsp; A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline { = 10 \ \rm V}.  
 +
*From the equation given in the first subtask,&nbsp; the amplitude&nbsp; A_{\rm N}&nbsp; can thus also be calculated:
 
: \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1+ \alpha_0) = r_{\rm TP}(t= 0) - A_{\rm T} = 5 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 8 \,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.
 
: \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1+ \alpha_0) = r_{\rm TP}(t= 0) - A_{\rm T} = 5 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 8 \,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.
Zur Kontrolle kann der in der Grafik markierte Punkt '''(2)''' herangezogen werden:
+
*The point marked &nbsp; '''(2)'''&nbsp; can be used as a check:
 
:\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1- \alpha_0) = 3 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} = 8 \,{\rm V} \hspace{0.05cm}.
 
:\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1- \alpha_0) = 3 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} = 8 \,{\rm V} \hspace{0.05cm}.
  
'''(3)'''&nbsp;  Die für einen Umlauf benötigte Zeit t_1 ist gleich der Periodendauer des Quellensignals, also t_1= 1/f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {=0.5 \ \rm ms}.
 
  
  
'''(4)'''&nbsp;  Da das USB größer ist als das OSB, bewegt sich die Spitze des Zeigerverbundes auf der Ellipse im Uhrzeigersinn. Der Punkt '''(2)''' wird zum Zeitpunkt $t_2 = 3/4 · t_1\hspace{0.15cm}\underline { = 0.375 \ \rm ms}$ zum ersten Mal erreicht.
+
'''(3)'''&nbsp;  The necessary time for one cycle &nbsp; t_1&nbsp; is equal to the time period of the source signal:
 +
:$$t_1= 1/f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {=0.5 \ \rm ms}.$$
  
  
[[File:P_ID1039__Mod_A_2_8_e.png|right|frame|Zur Berechnung von <i>t</i><sub>2</sub> und <i>t</i><sub>3</sub>]]
+
 
'''(5)'''&nbsp;  Die Zeigerlänge zur Zeit t_2 kann mit dem [https://de.wikipedia.org/wiki/Satz_des_Pythagoras Satz von Pythagoras] bestimmt werden:
+
'''(4)'''&nbsp;  Since the lower sideband is larger than the upper sideband,&nbsp; the peak of the pointer composite moves clockwise around the ellipse.
 +
*Point&nbsp; '''(2)'''&nbsp; is first reached at time&nbsp; t_2 = 3/4 · t_1\hspace{0.15cm}\underline { = 0.375 \ \rm ms}.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
[[File:P_ID1039__Mod_A_2_8_e.png|right|frame|Calculation of &nbsp; t_2&nbsp; and&nbsp; t_3]]
 +
'''(5)'''&nbsp;  The pointer length at time &nbsp; t_2&nbsp; can be determined with the &nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Pythagorean_theorem Pythagorean Theorem]&nbsp;:
 
: a(t = t_2) = \sqrt{(10 \,{\rm V})^2 + (3 \,{\rm V})^2}\hspace{0.15cm}\underline { = 10.44 \,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.
 
: a(t = t_2) = \sqrt{(10 \,{\rm V})^2 + (3 \,{\rm V})^2}\hspace{0.15cm}\underline { = 10.44 \,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.
Für die Phasenfunktion gilt:
+
*The phase function is:
 
:\phi(t = t_2) = {\rm arctan} \frac{3 \,{\rm V}}{10 \,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 16.7^{\circ}}\hspace{0.05cm}.
 
:\phi(t = t_2) = {\rm arctan} \frac{3 \,{\rm V}}{10 \,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 16.7^{\circ}}\hspace{0.05cm}.
Die maximale Phase ϕ_{\rm max} ist geringfügig größer. Sie tritt (mit positivem Vorzeichen) zum Zeitpunkt t_3 < t_2 dann auf, wenn eine Gerade vom Koordinatenursprung die Ellipse tangiert. Durch Aufstellen der Ellipsengleichung kann dieser Punkt ($x_3, y_3$) analytisch exakt berechnet werden. Daraus würde für die maximale Phase gelten: \phi_{\rm max} = {\rm arctan} \ {y_3}/{x_3} \hspace{0.05cm}.
+
*The maximum phase&nbsp; ϕ_{\rm max}&nbsp; is slightly larger.&nbsp;
 +
*It occurs (with a positive sign) at time &nbsp; t_3 < t_2&nbsp; when a straight line from the origin is tangent to the ellipse.
 +
*By setting up the ellipse equation, this point &nbsp; $(x_3$,&nbsp; $y_3)$&nbsp; can be accurately calculated analytically.  
 +
*From this, the following would hold for the maximum phase:
 +
:$\phi_{\rm max} = {\rm arctan} \ {y_3}/{x_3} \hspace{0.05cm}.$
 +
 
  
  
'''(6)'''&nbsp;  Die Klirrfaktoren zweiter und dritter Ordnung können aus der angegebenen Gleichung für v(t) (gültig für f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz)ermittelt werden und  lauten:
+
'''(6)'''&nbsp;  The distortion factors of second and third order can be obtained from the equation given for&nbsp; $v(t)$&nbsp; $($valid for $f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz)$:
 
: K_2 = \frac{0.148 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.061, \hspace{0.3cm} K_3 = \frac{0.056 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.023 \hspace{0.05cm}.
 
: K_2 = \frac{0.148 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.061, \hspace{0.3cm} K_3 = \frac{0.056 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.023 \hspace{0.05cm}.
Damit erhält man für den Gesamtklirrfaktor:
+
*Thus,&nbsp; for the total distortion factor we get:
 
:K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 }\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}.
 
:K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 }\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}.
  
  
'''(7)'''&nbsp;  Für die Leistungen von Nutz– und Störsignal erhält man:
+
 
 +
'''(7)'''&nbsp;  From the power of the useful signal and the interference signal,&nbsp; we obtain:
 
: P_{v 1} = \frac{(2.424 \,{\rm V})^2}{2} = 2.94 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} P_{\varepsilon} = \frac{(-0.148 \,{\rm V})^2}{2} + \frac{(0.056 \,{\rm V})^2}{2}= 0.0125 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm}
 
: P_{v 1} = \frac{(2.424 \,{\rm V})^2}{2} = 2.94 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} P_{\varepsilon} = \frac{(-0.148 \,{\rm V})^2}{2} + \frac{(0.056 \,{\rm V})^2}{2}= 0.0125 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm}
Damit ergibt sich für das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis (SNR):
+
*This gives the signal-to-noise power ratio &nbsp; $\rm (SNR)$:
 
:\rho_{v} = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }}= \frac{(2.94 \,{\rm V})^2}{0.0125 \,{\rm V}^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 230} = \frac{1}{K^2} \hspace{0.05cm}.
 
:\rho_{v} = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }}= \frac{(2.94 \,{\rm V})^2}{0.0125 \,{\rm V}^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 230} = \frac{1}{K^2} \hspace{0.05cm}.
Würde man dagegen die Amplitudenverfälschung ebenfalls dem Fehlersignal zuweisen, so käme man zu einem deutlich kleineren SNR. Mit P_q = A_{\rm N}^2/2 = 8 \ \rm V^2 und P_{\varepsilon}\hspace{0.02cm}' = \overline{(v(t)-q(t))^2} = {1}/{2}\cdot ( 4 \,{\rm V} - 2.424 \,{\rm V})^2 + P_{\varepsilon}= 1.254 \,{\rm V}^2 würde man dann erhalten:
+
*If,&nbsp; on the other hand,&nbsp; the amplitude distortion were also assigned to the error signal,&nbsp; we would arrive at a much smaller&nbsp; $\rm SNR$.
 +
*When&nbsp; P_q = A_{\rm N}^2/2 = 8 \ \rm V^2&nbsp; and&nbsp; P_{\varepsilon}\hspace{0.02cm}' = \overline{(v(t)-q(t))^2} = {1}/{2}\cdot ( 4 \,{\rm V} - 2.424 \,{\rm V})^2 + P_{\varepsilon}= 1.254 \,{\rm V}^2&nbsp; one would get:
 
:\rho_{v }\hspace{0.02cm}' = \frac{8 \,{\rm V}^2}{1.254 \,{\rm V}^2} \approx 6.4\hspace{0.05cm}.
 
:\rho_{v }\hspace{0.02cm}' = \frac{8 \,{\rm V}^2}{1.254 \,{\rm V}^2} \approx 6.4\hspace{0.05cm}.
  
'''(8)'''&nbsp;  Alle Berechnungen gelten unabhängig von der Nachrichtenfrequenz f_{\rm N}, wenn der Dämpfungsfaktor des OSB weiterhin α_{\rm O} = 0.25 beträgt. Damit erhält man auch für f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz den gleichen Klirrfaktor K\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}.
+
 
 +
'''(8)'''&nbsp;  All calculations are valid regardless of the message frequency &nbsp; f_{\rm N} if the attenuation factor of the upper sideband remains at &nbsp; α_{\rm O} = 0.25&nbsp;.  
 +
*Thus,&nbsp; the same distortion factor &nbsp; K\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}&nbsp; is obtained even for &nbsp; f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz&nbsp;.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^2.3 Hüllkurvendemodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.3 Envelope Demodulation^]]

Latest revision as of 17:30, 31 March 2022

Equivalent low-pass signal
in the complex plane

A cosine-shaped source signal  q(t)  with amplitude  A_{\rm N}  and frequency  f_{\rm N}  is double-sideband amplitude modulated.  The modulated signal is given by:

s(t) = \big[ q(t) + A_{\rm T}\big] \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.

The transmission channel exhibits linear distortions:

  • While the lower sideband (LSB frequency:    f_{\rm T} - f_{\rm N})  and the carrier are transmitted undistorted,
  • the upper sideband (USB frequency:    f_{\rm T} + f_{\rm N})  is weighted with the attenuation factor  α_{\rm O} = 0.25.


The graph shows the locus curve, i.e.,  the representation of the equivalent low-pass signal  r_{\rm TP}(t)  in the complex plane.

Evaluating the signal  r(t)  with an ideal envelope demodulator,  we obtain a sink signal v(t),  which can be approximated as follows:

v(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t ) -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )-\text{ ...}

For this measurement,  the message frequency  f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz  was used.

In subtask  (7)  the signal-to-noise power ratio   \rm (SNR)  should be calculated as follows:

\rho_{v } = P_{v 1}/P_{\varepsilon } \hspace{0.05cm}.

Here,  P_{v1} = α^2 · P_q  and  P_ε  denote the  "powers"  of both signals:

v_1(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t )\hspace{0.05cm},
\varepsilon(t) = v(t) - v_1(t) \approx -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.



Hints:



Questions

1

Give the low-pass signal  r_{\rm TP}(t)  in its analytical form.  What value results for time  t = 0?

r_{\rm TP}(t=0) \ = \

\ \rm V

2

What are the amplitude values  A_{\rm T}  and  A_{\rm N}?

A_{\rm T} \ = \

\ \rm V
A_{\rm N} \ = \

\ \rm V

3

Let  f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}.  At which time  t_1  is the starting point   (1)  first reached again after  t = 0?

t_1 \ = \

\ \rm ms

4

At which time  t_2  is the elliptical point   (2)  with value  \rm j · 3\ V  reached first?

t_2 \ = \

\ \rm ms

5

Calculate the magnitude function  (envelope)  a(t)  and the phase function  ϕ(t)  for this time point  t_2.

a(t = t_2) \ = \

\ \rm V
ϕ(t = t_2)\ = \

\ \rm degrees

6

Calculate the distortion factor  K  for  f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}.

K \ = \

\ \text{%}

7

Calculate the signal-to-noise power ratio  \rm (SNR) for  f_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2 \ \rm kHz}  according to the given definition.

ρ_v \ = \

8

What distortion factor results from otherwise equal conditions for the message frequency  f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \rm kHz}?

K \ = \

\ \text{%}


Solution

(1)  For a cosine-shaped source signal and attenuation of the upper sideband,  it holds that:

r_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot \alpha_{\rm O} \cdot{\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot{\rm e}^{-{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t}\hspace{0.05cm}.
  • At time   t = 0  all vectors point in the direction of the real axis.
  • Thus   r_{\rm TP}(t = 0)\hspace{0.15cm}\underline { = 15 \ \rm V}  can be read from the graph on the exercise page.



(2)  The carrier amplitude is defined by the center of the ellipse:   A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline { = 10 \ \rm V}.

  • From the equation given in the first subtask,  the amplitude  A_{\rm N}  can thus also be calculated:
\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1+ \alpha_0) = r_{\rm TP}(t= 0) - A_{\rm T} = 5 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 8 \,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.
  • The point marked   (2)  can be used as a check:
\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1- \alpha_0) = 3 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} = 8 \,{\rm V} \hspace{0.05cm}.


(3)  The necessary time for one cycle   t_1  is equal to the time period of the source signal:

t_1= 1/f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {=0.5 \ \rm ms}.


(4)  Since the lower sideband is larger than the upper sideband,  the peak of the pointer composite moves clockwise around the ellipse.

  • Point  (2)  is first reached at time  t_2 = 3/4 · t_1\hspace{0.15cm}\underline { = 0.375 \ \rm ms}.


Calculation of   t_2  and  t_3

(5)  The pointer length at time   t_2  can be determined with the   Pythagorean Theorem :

a(t = t_2) = \sqrt{(10 \,{\rm V})^2 + (3 \,{\rm V})^2}\hspace{0.15cm}\underline { = 10.44 \,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.
  • The phase function is:
\phi(t = t_2) = {\rm arctan} \frac{3 \,{\rm V}}{10 \,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 16.7^{\circ}}\hspace{0.05cm}.
  • The maximum phase  ϕ_{\rm max}  is slightly larger. 
  • It occurs (with a positive sign) at time   t_3 < t_2  when a straight line from the origin is tangent to the ellipse.
  • By setting up the ellipse equation, this point   (x_3y_3)  can be accurately calculated analytically.
  • From this, the following would hold for the maximum phase:
\phi_{\rm max} = {\rm arctan} \ {y_3}/{x_3} \hspace{0.05cm}.


(6)  The distortion factors of second and third order can be obtained from the equation given for  v(t)  (valid for f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz):

K_2 = \frac{0.148 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.061, \hspace{0.3cm} K_3 = \frac{0.056 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.023 \hspace{0.05cm}.
  • Thus,  for the total distortion factor we get:
K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 }\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}.


(7)  From the power of the useful signal and the interference signal,  we obtain:

P_{v 1} = \frac{(2.424 \,{\rm V})^2}{2} = 2.94 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} P_{\varepsilon} = \frac{(-0.148 \,{\rm V})^2}{2} + \frac{(0.056 \,{\rm V})^2}{2}= 0.0125 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm}
  • This gives the signal-to-noise power ratio   \rm (SNR):
\rho_{v} = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }}= \frac{(2.94 \,{\rm V})^2}{0.0125 \,{\rm V}^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 230} = \frac{1}{K^2} \hspace{0.05cm}.
  • If,  on the other hand,  the amplitude distortion were also assigned to the error signal,  we would arrive at a much smaller  \rm SNR.
  • When  P_q = A_{\rm N}^2/2 = 8 \ \rm V^2  and  P_{\varepsilon}\hspace{0.02cm}' = \overline{(v(t)-q(t))^2} = {1}/{2}\cdot ( 4 \,{\rm V} - 2.424 \,{\rm V})^2 + P_{\varepsilon}= 1.254 \,{\rm V}^2  one would get:
\rho_{v }\hspace{0.02cm}' = \frac{8 \,{\rm V}^2}{1.254 \,{\rm V}^2} \approx 6.4\hspace{0.05cm}.


(8)  All calculations are valid regardless of the message frequency   f_{\rm N} if the attenuation factor of the upper sideband remains at   α_{\rm O} = 0.25 .

  • Thus,  the same distortion factor   K\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}  is obtained even for   f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz .