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 <br>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 &nbsp;q(t)&nbsp; mit der Amplitude &nbsp;AN&nbsp; und der Frequenz &nbsp;fN&nbsp; 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)=[q(t)+AT]cos(2πfTt).
Der Übertragungskanal weist lineare Verzerrungen auf:  
+
The transmission channel exhibits linear distortions:  
*Während das untere Seitenband (USB-Frequenz: &nbsp; &nbsp;fTfN)&nbsp; und auch der Träger unverfälscht übertragen werden,  
+
*While the lower sideband (LSB frequency: &nbsp; &nbsp;fTfN)&nbsp; and the carrier are transmitted undistorted,  
*wird das obere Seitenband (OSB-Frequenz: &nbsp; &nbsp;fT+fN)&nbsp; mit dem Dämpfungsfaktor &nbsp;αO=0.25&nbsp; gewichtet.
+
*the upper sideband (USB frequency: &nbsp; &nbsp;fT+fN)&nbsp; is weighted with the attenuation factor  &nbsp;αO=0.25.
  
  
Die Grafik zeigt die Ortskurve, also die Darstellung des äquivalenten Tiefpass–Signals &nbsp;rTP(t)&nbsp; in der komplexen Ebene.  
+
The graph shows the locus curve, i.e.,&nbsp; the representation of the equivalent low-pass signal &nbsp;rTP(t)&nbsp; in the complex plane.  
  
Wertet man das Signal &nbsp;r(t)&nbsp; mit einem idealen Hüllkurvendemodulator aus, so erhält man ein Sinkensignal &nbsp;v(t), das wie folgt angenähert werden kann:
+
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)=2.424Vcos(ωNt)0.148Vcos(2ωNt)+0.056Vcos(3ωNt) ...
 
:v(t)=2.424Vcos(ωNt)0.148Vcos(2ωNt)+0.056Vcos(3ωNt) ...
Für diese Messung wurde die Nachrichtenfrequenz &nbsp;fN=2 kHz&nbsp; benutzt.
+
For this measurement,&nbsp; the message frequency &nbsp;fN=2 kHz&nbsp; was used.
  
In der Teilaufgabe&nbsp; '''(7)'''&nbsp; soll das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis&nbsp; (SNR)&nbsp; wie folgt berechnet werden:
+
In subtask&nbsp; '''(7)'''&nbsp; the signal-to-noise power ratio &nbsp; (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 &nbsp;Pv1=α2·Pq&nbsp; und &nbsp;Pε&nbsp; die „Leistungen” der beiden Signale:
+
Here, &nbsp;Pv1=α2·Pq&nbsp; and &nbsp;Pε&nbsp; denote the&nbsp; "powers"&nbsp; of both signals:
 
:v1(t)=2.424Vcos(ωNt),
 
:v1(t)=2.424Vcos(ωNt),
 
:ε(t)=v(t)v1(t)0.148Vcos(2ωNt)+0.056Vcos(3ωNt).
 
:ε(t)=v(t)v1(t)0.148Vcos(2ωNt)+0.056Vcos(3ωNt).
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+
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]].
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation|Hüllkurvendemodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf das Kapitel&nbsp;  [[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation#Beschreibung_mit_Hilfe_des_.C3.A4quivalenten_Tiefpass.E2.80.93Signals|Beschreibung mit Hilfe des äquivalenten Tiefpass-Signals]].
 
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Geben Sie das Tiefpass-Signal &nbsp;rTP(t)&nbsp; in analytischer Form an.&nbsp; Welcher Wert ergibt sich für die Zeit  &nbsp;t=0?
+
{Give the low-pass signal &nbsp;rTP(t)&nbsp; in its analytical form.&nbsp; What value results for time &nbsp;t=0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
rTP(t=0) =  { 15 3% }  V
 
rTP(t=0) =  { 15 3% }  V
  
{Wie lauten die Amplitudenwerte &nbsp;AT&nbsp; und &nbsp;AN?
+
{What are the amplitude values &nbsp;AT&nbsp; and &nbsp;AN?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
AT =  { 10 3% }  V  
 
AT =  { 10 3% }  V  
 
AN =  { 8 3% }  V
 
AN =  { 8 3% }  V
  
{Es gelte &nbsp;fN=2 kHz_.&nbsp; Zu welcher Zeit &nbsp;t1&nbsp; wird der Startpunkt&nbsp; '''(1)'''&nbsp; zum ersten Mal nach &nbsp;t=0&nbsp; wieder erreicht?
+
{Let &nbsp;fN=2 kHz_.&nbsp; At which time &nbsp;t1&nbsp; is the starting point &nbsp; '''(1)'''&nbsp; first reached again after &nbsp;t=0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
t1 =  { 0.5 3% }  ms  
 
t1 =  { 0.5 3% }  ms  
  
{Zu welchem Zeitpunkt &nbsp;t2&nbsp; wird der Ellipsenpunkt&nbsp; '''(2)'''&nbsp; mit dem Wert &nbsp;j·3 V&nbsp; zum ersten Mal erreicht?
+
{At which time  &nbsp;t2&nbsp; is the elliptical point &nbsp; '''(2)'''&nbsp; with value &nbsp;j·3 V&nbsp; reached first?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
t2 =  { 0.375 3% }  ms  
 
t2 =  { 0.375 3% }  ms  
 
   
 
   
{Berechnen Sie die Betragsfunktion (Hüllkurve) &nbsp;a(t)&nbsp; und die Phasenfunktion &nbsp;ϕ(t)&nbsp; für diesen Zeitpunkt &nbsp;t2.
+
{Calculate the  magnitude function&nbsp; (envelope) &nbsp;a(t)&nbsp; and the phase function &nbsp;ϕ(t)&nbsp; for this time point &nbsp;t2.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
a(t=t2) =  { 10.44 3% }  V
 
a(t=t2) =  { 10.44 3% }  V
ϕ(t=t2) =  { 16.7 3% } $\ \rm Grad$  
+
ϕ(t=t2) =  { 16.7 3% } $\ \rm degrees$  
  
{Berechnen Sie den Klirrfaktor &nbsp;K&nbsp; für &nbsp;fN=2 kHz_.
+
{Calculate the distortion factor &nbsp;K&nbsp; for &nbsp;fN=2 kHz_.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
K =  { 6.6 3% }  %  
 
K =  { 6.6 3% }  %  
  
{Berechnen Sie für &nbsp;fN=2 kHz_&nbsp; das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis &nbsp;(SNR)&nbsp;  gemäß der angegebenen Definition.
+
{Calculate the signal-to-noise power ratio &nbsp;(SNR)&nbsp;for &nbsp;fN=2 kHz_&nbsp; according to the given definition.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
ρv =  { 230 3% }  
 
ρv =  { 230 3% }  
  
{ Welcher Klirrfaktor &nbsp;K&nbsp; ergibt sich bei ansonsten gleichen Bedingungen mit der Nachrichtenfrequenz &nbsp;fN=4 kHz_?
+
{What distortion factor results from otherwise equal conditions for the message frequency &nbsp;fN=4 kHz_?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
K =  { 6.6 3% }  %  
 
K =  { 6.6 3% }  %  
 
</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:
 
:rTP(t)=AT+AN2αOejωNt+AN2ejωNt.
 
:rTP(t)=AT+AN2αOejωNt+AN2ejωNt.
*Zum Zeitpunkt&nbsp; t=0&nbsp; zeigen alle Vektoren in Richtung der reellen Achse.  
+
*At time &nbsp; t=0&nbsp; all vectors point in the direction of the real axis.  
*Somit kann aus der Grafik auf der Angabenseite&nbsp; rTP(t=0)=15 V_&nbsp; abgelesen werden.
+
*Thus &nbsp; rTP(t=0)=15 V_&nbsp; can be read from the graph on the exercise page.
  
  
  
  
'''(2)'''&nbsp;  Die Trägeramplitude ist durch den Ellipsenmittelpunkt festgelegt:&nbsp; AT=10 V_.  
+
'''(2)'''&nbsp;  The carrier amplitude is defined by the center of the ellipse:
*Aus der in der ersten Teilaufgabe angegebenen Gleichung kann somit auch die Amplitude&nbsp; AN&nbsp; berechnet werden:
+
&nbsp; AT=10 V_.  
 +
*From the equation given in the first subtask,&nbsp; the amplitude&nbsp; AN&nbsp; can thus also be calculated:
 
:AN2(1+α0)=rTP(t=0)AT=5VAN=8V_.
 
:AN2(1+α0)=rTP(t=0)AT=5VAN=8V_.
*Zur Kontrolle kann der in der Grafik markierte Punkt&nbsp; '''(2)'''&nbsp; herangezogen werden:
+
*The point marked &nbsp; '''(2)'''&nbsp; can be used as a check:
 
:AN2(1α0)=3VAN=8V.
 
:AN2(1α0)=3VAN=8V.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Die für einen Umlauf benötigte Zeit&nbsp; t1&nbsp; ist gleich der Periodendauer des Quellensignals, also
+
'''(3)'''&nbsp;  The necessary time for one cycle &nbsp; t1&nbsp; is equal to the time period of the source signal:
 
:t1=1/fN=0.5 ms_.
 
:t1=1/fN=0.5 ms_.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp;  Da das USB größer ist als das OSB, bewegt sich die Spitze des Zeigerverbundes auf der Ellipse im Uhrzeigersinn.  
+
'''(4)'''&nbsp;  Since the lower sideband is larger than the upper sideband,&nbsp; the peak of the pointer composite moves clockwise around the ellipse.  
*Der Punkt&nbsp; '''(2)'''&nbsp; wird zum Zeitpunkt&nbsp; t2=3/4·t1=0.375 ms_&nbsp; zum ersten Mal erreicht.
+
*Point&nbsp; '''(2)'''&nbsp; is first reached at time&nbsp; t2=3/4·t1=0.375 ms_.
  
  
  
[[File:P_ID1039__Mod_A_2_8_e.png|right|frame|Zur Berechnung von&nbsp; t2&nbsp; und&nbsp; t3]]
+
[[File:P_ID1039__Mod_A_2_8_e.png|right|frame|Calculation of &nbsp; t2&nbsp; and&nbsp; t3]]
'''(5)'''&nbsp;  Die Zeigerlänge zur Zeit&nbsp; t2&nbsp; kann mit dem&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Satz_des_Pythagoras Satz von Pythagoras]&nbsp; bestimmt werden:
+
'''(5)'''&nbsp;  The pointer length at time &nbsp; t2&nbsp; can be determined with the &nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Pythagorean_theorem Pythagorean Theorem]&nbsp;:
 
:a(t=t2)=(10V)2+(3V)2=10.44V_.
 
:a(t=t2)=(10V)2+(3V)2=10.44V_.
*Für die Phasenfunktion gilt:
+
*The phase function is:
 
:ϕ(t=t2)=arctan3V10V=16.7_.
 
:ϕ(t=t2)=arctan3V10V=16.7_.
*Die maximale Phase&nbsp; ϕmax&nbsp; ist geringfügig größer.&nbsp; Sie tritt (mit positivem Vorzeichen) zum Zeitpunkt&nbsp; t3<t2&nbsp; dann auf, wenn eine Gerade vom Koordinatenursprung die Ellipse tangiert.  
+
*The maximum phase&nbsp; ϕmax&nbsp; is slightly larger.&nbsp;  
*Durch Aufstellen der Ellipsengleichung kann dieser Punkt&nbsp; (x3,&nbsp; y3)&nbsp; analytisch exakt berechnet werden.  
+
*It occurs (with a positive sign) at time &nbsp; t3<t2&nbsp; when a straight line from the origin is tangent to the ellipse.  
*Daraus würde für die maximale Phase gelten:&nbsp; ϕmax=arctan y3/x3.
+
*By setting up the ellipse equation, this point &nbsp; (x3,&nbsp; y3)&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&nbsp; v(t)&nbsp; (gültig für fN=2 kHz)&nbsp; 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 fN=2 kHz):
 
:K2=0.148V2.424V=0.061,K3=0.056V2.424V=0.023.
 
:K2=0.148V2.424V=0.061,K3=0.056V2.424V=0.023.
*Damit erhält man für den Gesamtklirrfaktor:
+
*Thus,&nbsp; for the total distortion factor we get:
 
:K=K22+K236.6%_.
 
:K=K22+K236.6%_.
  
  
  
'''(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:
 
:Pv1=(2.424V)22=2.94V2,Pε=(0.148V)22+(0.056V)22=0.0125V2
 
:Pv1=(2.424V)22=2.94V2,Pε=(0.148V)22+(0.056V)22=0.0125V2
*Damit ergibt sich für das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis&nbsp; (SNR):
+
*This gives the signal-to-noise power ratio &nbsp; (SNR):
 
:ρv=Pv1Pε=(2.94V)20.0125V2230_=1K2.
 
:ρv=Pv1Pε=(2.94V)20.0125V2230_=1K2.
*Würde man dagegen die Amplitudenverfälschung ebenfalls dem Fehlersignal zuweisen, so käme man zu einem deutlich kleineren&nbsp; SNR.&nbsp; &nbsp;
+
*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; SNR.
*Mit Pq=A2N/2=8 V2&nbsp; und&nbsp; Pε=¯(v(t)q(t))2=1/2(4V2.424V)2+Pε=1.254V2&nbsp; würde man dann erhalten:
+
*When&nbsp; Pq=A2N/2=8 V2&nbsp; and&nbsp; Pε=¯(v(t)q(t))2=1/2(4V2.424V)2+Pε=1.254V2&nbsp; one would get:
 
:ρv=8V21.254V26.4.
 
:ρv=8V21.254V26.4.
  
  
'''(8)'''&nbsp;  Alle Berechnungen gelten unabhängig von der Nachrichtenfrequenz&nbsp; fN, wenn der Dämpfungsfaktor des OSB weiterhin&nbsp; αO=0.25&nbsp; beträgt.  
+
'''(8)'''&nbsp;  All calculations are valid regardless of the message frequency &nbsp; fN if the attenuation factor of the upper sideband remains at &nbsp; αO=0.25&nbsp;.  
*Damit erhält man auch für&nbsp; fN=4 kHz&nbsp; den gleichen Klirrfaktor&nbsp; K6.6%_.
+
*Thus,&nbsp; the same distortion factor &nbsp; K6.6%_&nbsp; is obtained even for &nbsp; fN=4 kHz&nbsp;.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^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  AN  and frequency  fN  is double-sideband amplitude modulated.  The modulated signal is given by:

s(t)=[q(t)+AT]cos(2πfTt).

The transmission channel exhibits linear distortions:

  • While the lower sideband (LSB frequency:    fTfN)  and the carrier are transmitted undistorted,
  • the upper sideband (USB frequency:    fT+fN)  is weighted with the attenuation factor  αO=0.25.


The graph shows the locus curve, i.e.,  the representation of the equivalent low-pass signal  rTP(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)=2.424Vcos(ωNt)0.148Vcos(2ωNt)+0.056Vcos(3ωNt) ...

For this measurement,  the message frequency  fN=2 kHz  was used.

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

ρv=Pv1/Pε.

Here,  Pv1=α2·Pq  and  Pε  denote the  "powers"  of both signals:

v1(t)=2.424Vcos(ωNt),
ε(t)=v(t)v1(t)0.148Vcos(2ωNt)+0.056Vcos(3ωNt).



Hints:



Questions

1

Give the low-pass signal  rTP(t)  in its analytical form.  What value results for time  t=0?

rTP(t=0) = 

 V

2

What are the amplitude values  AT  and  AN?

AT = 

 V
AN = 

 V

3

Let  fN=2 kHz_.  At which time  t1  is the starting point   (1)  first reached again after  t=0?

t1 = 

 ms

4

At which time  t2  is the elliptical point   (2)  with value  j·3 V  reached first?

t2 = 

 ms

5

Calculate the magnitude function  (envelope)  a(t)  and the phase function  ϕ(t)  for this time point  t2.

a(t=t2) = 

 V
ϕ(t=t2) = 

 degrees

6

Calculate the distortion factor  K  for  fN=2 kHz_.

K = 

 %

7

Calculate the signal-to-noise power ratio  (SNR) for  fN=2 kHz_  according to the given definition.

ρv = 

8

What distortion factor results from otherwise equal conditions for the message frequency  fN=4 kHz_?

K = 

 %


Solution

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

rTP(t)=AT+AN2αOejωNt+AN2ejωNt.
  • At time   t=0  all vectors point in the direction of the real axis.
  • Thus   rTP(t=0)=15 V_  can be read from the graph on the exercise page.



(2)  The carrier amplitude is defined by the center of the ellipse:   AT=10 V_.

  • From the equation given in the first subtask,  the amplitude  AN  can thus also be calculated:
AN2(1+α0)=rTP(t=0)AT=5VAN=8V_.
  • The point marked   (2)  can be used as a check:
AN2(1α0)=3VAN=8V.


(3)  The necessary time for one cycle   t1  is equal to the time period of the source signal:

t1=1/fN=0.5 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  t2=3/4·t1=0.375 ms_.


Calculation of   t2  and  t3

(5)  The pointer length at time   t2  can be determined with the   Pythagorean Theorem :

a(t=t2)=(10V)2+(3V)2=10.44V_.
  • The phase function is:
ϕ(t=t2)=arctan3V10V=16.7_.
  • The maximum phase  ϕmax  is slightly larger. 
  • It occurs (with a positive sign) at time   t3<t2  when a straight line from the origin is tangent to the ellipse.
  • By setting up the ellipse equation, this point   (x3y3)  can be accurately calculated analytically.
  • From this, the following would hold for the maximum phase:
ϕmax=arctan y3/x3.


(6)  The distortion factors of second and third order can be obtained from the equation given for  v(t)  (valid for fN=2 kHz):

K2=0.148V2.424V=0.061,K3=0.056V2.424V=0.023.
  • Thus,  for the total distortion factor we get:
K=K22+K236.6%_.


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

Pv1=(2.424V)22=2.94V2,Pε=(0.148V)22+(0.056V)22=0.0125V2
  • This gives the signal-to-noise power ratio   (SNR):
ρv=Pv1Pε=(2.94V)20.0125V2230_=1K2.
  • If,  on the other hand,  the amplitude distortion were also assigned to the error signal,  we would arrive at a much smaller  SNR.
  • When  Pq=A2N/2=8 V2  and  Pε=¯(v(t)q(t))2=1/2(4V2.424V)2+Pε=1.254V2  one would get:
ρv=8V21.254V26.4.


(8)  All calculations are valid regardless of the message frequency   fN if the attenuation factor of the upper sideband remains at   αO=0.25 .

  • Thus,  the same distortion factor   K6.6%_  is obtained even for   fN=4 kHz .