Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.1: PCM System 30/32"

From LNTwww
 
(14 intermediate revisions by 3 users not shown)
Line 1: Line 1:
  
{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1607__Mod_A_4_1.png|right|frame|Binärdarstellung mit Dualcode]]
+
[[File:EN_Mod_A_4_1.png|right|frame|Binary display with dual code]]
Über viele Jahre wurde in Deutschland das PCM–System 30/32 eingesetzt, das folgende Spezifikationen aufweist:
+
For many years,  the  '''PCM system 30/32'''  was used in Germany,  which has the following specifications:
* Es erlaubt die digitale Übertragung von 30 Sprachkanälen im Zeitmultiplex zusammen mit je einem Sychronisations– und Wählzeichenkanal   ⇒   die Gesamtkanalzahl ist $Z = 32$.
+
* It allows digital transmission of 30 voice channels in time division multiplex together with one channel each of synchronization and dial character   ⇒   the total number of channels is  $Z = 32$.
* Jeder einzelne Sprachkanal ist auf den Frequenzbereich von $300 \ \rm Hz$ bis $3400 \ \rm Hz$ bandbegrenzt.
+
* Each individual voice channel is bandlimited to the frequency range of  $300 \ \rm Hz$  to  $3400 \ \rm Hz$.
* Jeder einzelne Abtastwert wird durch $N = 8$ Bit dargestellt, wobei vom so genannten Dualcode ausgegangen wird.
+
* Each individual sample is represented by  $N = 8$  bits,  assuming the so-called  "dual code".
* Die Gesamtbitrate beträgt $R_{\rm B} = 2.048 \ \rm Mbit/s$.
+
* The total bit rate is  $R_{\rm B} = 2.048\ \rm Mbit/s$.
  
  
Die Grafik zeigt die Binärdarstellung zweier willkürlich ausgewählter Abtastwerte.
+
The graph shows the binary representation of two arbitrarily selected samples.
  
  
  
  
 +
Hints:
 +
*The exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|Pulse Code Modulation]].
 +
*Reference is made in particular to the page  [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#PCM_encoding_and_decoding|PCM encoding and decoding]].
 +
*For the solution of subtask  '''(2)'''  it is to be assumed:  All speech signals are normalized and limited to the amplitude range  $±1$.
  
  
 
+
===Questions===
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite   [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation#PCM.E2.80.93Codierung_und_.E2.80.93Decodierung|PCM-Codierung und -Decodierung]].
 
 
*Für die Lösung der Teilaufgabe '''(2)''' ist vorauszusetzen, dass alle Sprachsignale normiert und auf den Bereich $±1$ amplitudenbegrenzt sind.
 
 
 
 
 
===Fragebogen===
 
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie groß ist die Quantisierungsstufenzahl $M$?
+
{What is the quantization step number&nbsp; $M$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$M \ = \ $ { 256 }  
 
$M \ = \ $ { 256 }  
  
  
{Wie wird der Abtastwert $-0.182$ dargestellt? Mit
+
{How is the sample value&nbsp; "$-0.182$"&nbsp; represented? With
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- der Bitfolge 1,
+
- the bit sequence 1,
+ der Bitfolge 2,
+
+ the bit sequence 2,
- keiner von beiden.
+
- neither of them.
  
{Wie groß ist die Bitdauer $T_{\rm B}$?
+
{What is the bit duration&nbsp; $T_{\rm B}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$T_{\rm B} \ = \ $ { 0.488 3% } $\ \rm &micro; s$  
 
$T_{\rm B} \ = \ $ { 0.488 3% } $\ \rm &micro; s$  
  
{In welchem Abstand $T_{\rm A}$ werden die Sprachsignale abgetastet?
+
{At what distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; are the speech signals sampled?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$T_{\rm A} \ = \ $ { 125 3% } $\ \rm &micro; s$
 
$T_{\rm A} \ = \ $ { 125 3% } $\ \rm &micro; s$
  
{Wie groß ist die Abtastrate $f_{\rm A}$?
+
{What is the sampling rate $f_{\rm A}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $\ \rm kHz$  
 
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $\ \rm kHz$  
  
{Welche der folgenden Aussagen ist richtig?
+
{Which of the following statements is correct?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Das Abtasttheorem wird nicht erfüllt.
+
- The sampling theorem is not satisfied.
- Das Abtasttheorem wird gerade noch erfüllt.
+
- The sampling theorem is just fulfilled.
+ Die Abtastfrequenz ist größer als der kleinstmögliche Wert.
+
+ The sampling frequency is greater than the smallest possible value.
  
  
Line 62: Line 58:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Mit $N = 8$ Bit können insgesamt $2^8$ Quantisierungsintervalle dargestellt werden &nbsp; ⇒ &nbsp; $\underline{M = 256}$.
+
'''(1)'''&nbsp; With&nbsp; $N = 8$&nbsp; bits a total of&nbsp; $2^8$&nbsp; quantization intervals can be represented &nbsp; ⇒ &nbsp; $\underline{M = 256}$.
  
  
'''(2)'''&nbsp; Nummeriert man die Quantisierungsintervalle von $0$ bis $255$, so steht die &bdquo;Bitfolge 1&rdquo; für
+
'''(2)'''&nbsp; Numbering the quantization intervals from&nbsp; $0$&nbsp; to&nbsp; $255$,&nbsp; the&nbsp; "bit sequence 1"&nbsp; represents
 
:$$ \mu_1 = 2^7 + 2^5 +2^4 +2^2 +2^1 +2^0 = 255 -2^6 -2^3 = 183\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ \mu_1 = 2^7 + 2^5 +2^4 +2^2 +2^1 +2^0 = 255 -2^6 -2^3 = 183\hspace{0.05cm},$$
und die &bdquo;Bitfolge 2&rdquo; für
+
and the&nbsp; "bit sequence 2"&nbsp; represents
 
:$$\mu_2 = 2^6 + 2^5 +2^3 = 104\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\mu_2 = 2^6 + 2^5 +2^3 = 104\hspace{0.05cm}.$$
*Mit dem Wertebereich $±1$ hat jedes Quantisierungsintervall die Breite ${\it Δ} = 1/128$.  
+
*With the value range&nbsp; $±1$&nbsp; each quantization interval has width&nbsp; ${\it Δ} = 1/128$.  
*Der Index $μ = 183$ steht somit für das Intervall von $183/128 - 1 = 0.4297$ bis $184/128 - 1 = 0.4375$, während $μ = 104$ das Intervall von $-0.1875$ bis $-0.1797$ kennzeichnet.  
+
*The index&nbsp; $μ = 183$&nbsp; thus represents the interval from&nbsp; $183/128 - 1 = 0.4297$&nbsp; to&nbsp; $184/128 - 1 = 0.4375$.
*Der Abtastwert $–0.182$ wird somit durch die <u>Bitfolge 2</u> dargestellt.
+
* $μ = 104$&nbsp; denotes the interval from&nbsp; "$-0.1875$"&nbsp; to&nbsp; $-0.1797$.  
 +
*The sample $-0.182$ is thus represented by&nbsp; <u>bit sequence 2</u>.
 +
 
  
 +
'''(3)'''&nbsp; The bit duration&nbsp; $T_{\rm B}$&nbsp; is the reciprocal of the bit rate&nbsp; $R_{\rm B}$:
 +
:$$T_{\rm B} = \frac{1}{R_{\rm B} }= \frac{1}{2.048 \cdot 10^6\,{\rm 1/s} } \hspace{0.15cm}\underline {= 0.488\,{\rm &micro; s}} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(3)'''&nbsp;  Die Bitdauer $T_{\rm B}$ ist der Kehrwert der Bitrate $R_{\rm B}$:
 
:$$T_{\rm B} = \frac{1}{R_{\rm B} }= \frac{1}{2.048 \cdot 10^6\,{\rm 1/s} } \hspace{0.15cm}\underline {= 0.488\,{\rm \mu s}} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''(4)'''&nbsp; Während der Zeitdauer $T_{\rm A}$ werden $Z · N$ Binärsymbole übertragen:
+
'''(4)'''&nbsp; During duration&nbsp; $T_{\rm A}$ &nbsp; &rArr;  &nbsp; $Z \cdot N$&nbsp; binary symbols are transmitted:
:$$T_{\rm A} = Z \cdot N \cdot {T_{\rm B} } = 32 \cdot 8 \cdot 0.488\,{\rm \mu s} \hspace{0.15cm}\underline {= 125\,{\rm \mu s}} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$T_{\rm A} = Z \cdot N \cdot {T_{\rm B} } = 32 \cdot 8 \cdot 0.488\,{\rm &micro; s} \hspace{0.15cm}\underline {= 125\,{\rm &micro; s}} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(5)'''&nbsp; Den Kehrwert von $T_{\rm A}$ bezeichnet man als die Abtastrate:
+
 
 +
'''(5)'''&nbsp; The reciprocal of&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; is called the sampling rate:
 
:$$f_{\rm A} = \frac{1}{T_{\rm A} } \hspace{0.15cm}\underline {= 8\,{\rm kHz}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_{\rm A} = \frac{1}{T_{\rm A} } \hspace{0.15cm}\underline {= 8\,{\rm kHz}} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(6)'''&nbsp; Das Abtasttheorem wäre bereits erfüllt, wenn $f_{\rm A} ≥ 2 · f_\text{N,max} = 6.8 \ \rm kHz$ gelten würde. Richtig ist somit der <u>letzte Lösungsvorschlag</u>.
+
 
 +
'''(6)'''&nbsp; The sampling theorem would already be given by&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_\text{N, max} = 6.8 \ \rm kHz$.&nbsp; Thus the <u>last proposed solution</u> is correct.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
Line 91: Line 91:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^4.1 Pulscodemodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.1 Pulse Code Modulation^]]

Latest revision as of 16:23, 7 April 2022

Binary display with dual code

For many years,  the  PCM system 30/32  was used in Germany,  which has the following specifications:

  • It allows digital transmission of 30 voice channels in time division multiplex together with one channel each of synchronization and dial character   ⇒   the total number of channels is  $Z = 32$.
  • Each individual voice channel is bandlimited to the frequency range of  $300 \ \rm Hz$  to  $3400 \ \rm Hz$.
  • Each individual sample is represented by  $N = 8$  bits,  assuming the so-called  "dual code".
  • The total bit rate is  $R_{\rm B} = 2.048\ \rm Mbit/s$.


The graph shows the binary representation of two arbitrarily selected samples.



Hints:

  • The exercise belongs to the chapter  Pulse Code Modulation.
  • Reference is made in particular to the page  PCM encoding and decoding.
  • For the solution of subtask  (2)  it is to be assumed:  All speech signals are normalized and limited to the amplitude range  $±1$.


Questions

1

What is the quantization step number  $M$?

$M \ = \ $

2

How is the sample value  "$-0.182$"  represented? With

the bit sequence 1,
the bit sequence 2,
neither of them.

3

What is the bit duration  $T_{\rm B}$?

$T_{\rm B} \ = \ $

$\ \rm µ s$

4

At what distance  $T_{\rm A}$  are the speech signals sampled?

$T_{\rm A} \ = \ $

$\ \rm µ s$

5

What is the sampling rate $f_{\rm A}$?

$f_{\rm A} \ = \ $

$\ \rm kHz$

6

Which of the following statements is correct?

The sampling theorem is not satisfied.
The sampling theorem is just fulfilled.
The sampling frequency is greater than the smallest possible value.


Solution

(1)  With  $N = 8$  bits a total of  $2^8$  quantization intervals can be represented   ⇒   $\underline{M = 256}$.


(2)  Numbering the quantization intervals from  $0$  to  $255$,  the  "bit sequence 1"  represents

$$ \mu_1 = 2^7 + 2^5 +2^4 +2^2 +2^1 +2^0 = 255 -2^6 -2^3 = 183\hspace{0.05cm},$$

and the  "bit sequence 2"  represents

$$\mu_2 = 2^6 + 2^5 +2^3 = 104\hspace{0.05cm}.$$
  • With the value range  $±1$  each quantization interval has width  ${\it Δ} = 1/128$.
  • The index  $μ = 183$  thus represents the interval from  $183/128 - 1 = 0.4297$  to  $184/128 - 1 = 0.4375$.
  • $μ = 104$  denotes the interval from  "$-0.1875$"  to  $-0.1797$.
  • The sample $-0.182$ is thus represented by  bit sequence 2.


(3)  The bit duration  $T_{\rm B}$  is the reciprocal of the bit rate  $R_{\rm B}$:

$$T_{\rm B} = \frac{1}{R_{\rm B} }= \frac{1}{2.048 \cdot 10^6\,{\rm 1/s} } \hspace{0.15cm}\underline {= 0.488\,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  During duration  $T_{\rm A}$   ⇒   $Z \cdot N$  binary symbols are transmitted:

$$T_{\rm A} = Z \cdot N \cdot {T_{\rm B} } = 32 \cdot 8 \cdot 0.488\,{\rm µ s} \hspace{0.15cm}\underline {= 125\,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  The reciprocal of  $T_{\rm A}$  is called the sampling rate:

$$f_{\rm A} = \frac{1}{T_{\rm A} } \hspace{0.15cm}\underline {= 8\,{\rm kHz}} \hspace{0.05cm}.$$


(6)  The sampling theorem would already be given by  $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_\text{N, max} = 6.8 \ \rm kHz$.  Thus the last proposed solution is correct.