Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.4: Simple Phase Modulator"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Phasenmodulation (PM)
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1086__Mod_A_3_4.png|right|frame|"Näherungsweiser Phasenmodulator"]]
+
[[File:P_ID1086__Mod_A_3_4.png|right|frame|"Approximate phase modulator"]]
Die nebenstehende Schaltung erlaubt die näherungsweise Realisierung eines phasenmodulierten Signals.   
+
The adjacent circuit allows the approximate realization of a phase-modulated signal.   
  
Der  $90^\circ$–Phasenschieber formt aus dem cosinusförmigen Träger  $z(t)$  ein Sinussignal gleicher Frequenz, so dass für das modulierte Signal geschrieben werden kann:
+
From the cosinusoidal carrier,  $z(t)$ , the  $90^\circ$ phase shifter forms a sinusoidal signal of the same frequency, such that the modulated signal can be written as:
 
:$$ s(t) = z(t) + q(t) \cdot \frac{z(t- T_0/4)}{A_{\rm T}}  
 
:$$ s(t) = z(t) + q(t) \cdot \frac{z(t- T_0/4)}{A_{\rm T}}  
 
= A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + q(t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
 
= A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + q(t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
Der zweite Term beschreibt eine "ZSB–AM ohne Träger".  Zusätzlich wird der um  $90^\circ$  phasenverschobene Träger addiert.  Bei cosinusförmigem Quellensignal  $q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)$  ergibt sich somit:
+
The second term describes a "DSB–AM without carrier".  Additionally, the carrier, phase-shifted by $90^\circ$ , is added.  Thus, with a cosine source signal $q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)$ , we get:
 
:$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t)  $$
 
:$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t)  $$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t)  =  A_{\rm T} \cdot \big[\cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \big] \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t)  =  A_{\rm T} \cdot \big[\cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \big] \hspace{0.05cm}.$$
Das Verhältnis  $η = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  bezeichnen wir als den Modulationsindex;  die Trägeramplitude wird im Folgenden zur Vereinfachung zu  $A_{\rm T} = 1$  gesetzt.
+
We refer to the ratio  $η = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  as the modulation index;  in the following, the carrier amplitude is set to   $A_{\rm T} = 1$  for simplicity.
  
*Im Gegensatz zur  [[Modulation_Methods/Phasenmodulation_(PM)#Signalverl.C3.A4ufe_bei_Phasenmodulation|idealen  Phasenmodulation]]  unterscheidet sich bei dieser "näherungsweisen Phasenmodulation" der Modulationsindex  $η$  und der Phasenhub  $ϕ_{\rm max}$.  
+
*In contrast to  [[Modulation_Methods/Phasenmodulation_(PM)#Signalverl.C3.A4ufe_bei_Phasenmodulation|ideal phase modulation]]  the modulation index  $η$  and the phase deviation  $ϕ_{\rm max}$ may differ in this "approximate phase modulation".  
*Außerdem erkennt man, dass die Hüllkurve  $a(t) ≠ 1$  ist.  Das bedeutet, dass hier der Phasenmodulation eine unerwünschte Amplitudenmodulation überlagert ist.
+
*Additionally, we can see that the envelope  $a(t) ≠ 1$ .  This means that an unwanted amplitude modulation is superimposed on the phase modulation.
  
  
Berechnet werden sollen in dieser Aufgabe aus der Darstellung des äquivalenten Tiefpass–Signals  $s_{\rm TP}(t)$  in der komplexen Ebene (Ortskurve)  
+
From the representation of the equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t)$  in the complex plane (locus curve), the following are to be calculated in this task:
*die Hüllkurve  $a(t)$  und
+
*the envelope  $a(t)$  and
*die Phasenfunktion  $ϕ(t)$.  
+
*the phase function $ϕ(t)$.  
  
  
Anschließend sollen die Verfälschungen analysiert werden, die sich ergeben, wenn bei diesem nichtidealen PM-Modulator empfangsseitig ein idealer PM-Demodulator eingesetzt wird, der das Sinkensignal  $v(t)$  proportional zur Phase  $ϕ(t)$  setzt.
+
Then, you are to analyse the distortions arising when an ideal PM demodulator, which sets the sink signal  $v(t)$  proportional to the phase  $ϕ(t)$ , is used on the receiving side of this nonideal PM modulator.
  
  
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''Hinweise:''  
+
''Hints:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Modulation_Methods/Phasenmodulation_(PM)|Phasenmodulation]].
+
*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|Phase Modulation]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Modulation_Methods/Phasenmodulation_(PM)#.C3.84quivalentes_TP.E2.80.93Signal_bei_Phasenmodulation|Äquivalentes Tiefpass-Signal bei Phasenmodulation]].
+
*Particular reference is made to the page [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)#Equivalent_low-pass_signal_in_phase_modulation|Equivalent low-pass signal in phase modulation]].
 
   
 
   
*Zur näherungsweisen Berechnung des Klirrfaktors können Sie folgende Gleichungen benutzen:
+
*You can use the following equations to approximate the distortion factor:
 
:$$\arctan(\gamma) \approx \gamma - {\gamma^3}/{3} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \cos^3(\gamma) ={3}/{4} \cdot \cos(\gamma) +{1}/{4} \cdot \cos(3 \cdot \gamma) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\arctan(\gamma) \approx \gamma - {\gamma^3}/{3} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \cos^3(\gamma) ={3}/{4} \cdot \cos(\gamma) +{1}/{4} \cdot \cos(3 \cdot \gamma) \hspace{0.05cm}.$$
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie das äquivalente Tiefpass–Signal.&nbsp; Welche Aussage trifft zu?
+
{Calculate the equivalent low-pass signal. Which statement is true?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Die Ortskurve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; ist ein Kreisbogen.
+
- The locus curve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is a circular arc.
- Die Ortskurve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; ist eine horizontale Gerade.
+
- The locus curve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is a horizontal straight line.
+ Die Ortskurve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; ist eine vertikale Gerade.
+
+ The locus curve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is a vertical straight line.
  
  
{Berechnen Sie die (normierte) Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; für &nbsp;$A_{\rm T} = 1$.&nbsp; Wie groß sind deren Minimal– und Maximalwert mit &nbsp;$η = 1$?
+
{Calculate the (normalized) envelope&nbsp;$a(t)$&nbsp; for &nbsp;$A_{\rm T} = 1$.&nbsp; What are its minimum and maximum values when &nbsp;$η = 1$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$a_{\rm min} \ = \ $ { 1 3%  }
 
$a_{\rm min} \ = \ $ { 1 3%  }
 
$a_{\rm max} \ = \ $ { 1.414 3%  }
 
$a_{\rm max} \ = \ $ { 1.414 3%  }
  
{Berechnen Sie den Maximalwert der Phase &nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; für &nbsp;$η = 1$&nbsp; und &nbsp;$η = 0.5$.
+
{Calculate the maximum value of the phase&nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; for &nbsp;$η = 1$&nbsp; and &nbsp;$η = 0.5$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$η = 1.0\text{:} \ \ \  ϕ_{\rm max} \ = \ $ { 45 3% } $\ \rm Grad$
 
$η = 1.0\text{:} \ \ \  ϕ_{\rm max} \ = \ $ { 45 3% } $\ \rm Grad$
 
$η = 0.5\text{:} \ \ \  ϕ_{\rm max} \ = \ $ { 26.6 3% } $\ \rm Grad$
 
$η = 0.5\text{:} \ \ \  ϕ_{\rm max} \ = \ $ { 26.6 3% } $\ \rm Grad$
  
{Welche Verzerrungen ergeben sich nach idealer Phasendemodulation von &nbsp;$s(t)$?
+
{What distortions result after ideal phase demodulation of  &nbsp;$s(t)$?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Es treten keine Verzerrungen auf.
+
- No distortions occur.
- Es treten lineare Verzerrungen auf.
+
- Linear distortions occur.
+ Es treten nichtlineare Verzerrungen auf.
+
+ Nonlinear distortions occur.
  
{Berechnen Sie den Klirrfaktor &nbsp;$K$&nbsp; unter Berücksichtigung der auf der Angabenseite genannten trigonometrischen Beziehungen.
+
{Calculate the distortion factor &nbsp;$K$&nbsp; considering the trigonometric relationships given on the exercise page.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$η = 1.0\text{:} \ \ \  K \ = \ $ { 11.1 3% } $\ \text{%}$
 
$η = 1.0\text{:} \ \ \  K \ = \ $ { 11.1 3% } $\ \text{%}$
Line 76: Line 76:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
[[File:P_ID1087__Mod_A_3_4_a.png|right|frame|Konstruktion der "vertikalen" Ortskurve aus den Zeigern]]
+
[[File:P_ID1087__Mod_A_3_4_a.png|right|frame|Construction of the "vertical locus" from the pointers]]
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Answer 3</u> is correct:
*Das äquivalente Tiefpass–Signal lautet:
+
*The equivalent low-pass signal is::$$s_{\rm TP}(t)  =  A_{\rm T} \cdot \left ( 1 + {\rm j}\cdot \frac {\eta}{2}\cdot \left ({\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t} + {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{-\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t}\right) \right)  
:$$s_{\rm TP}(t)  =  A_{\rm T} \cdot \left ( 1 + {\rm j}\cdot \frac {\eta}{2}\cdot \left ({\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t} + {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{-\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t}\right) \right)  
 
 
  =  A_{\rm T} \cdot \big ( 1 + {\rm j}\cdot {\eta}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \big)\hspace{0.05cm}.$$
 
  =  A_{\rm T} \cdot \big ( 1 + {\rm j}\cdot {\eta}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \big)\hspace{0.05cm}.$$
*Die Grafik verdeutlicht, dass die Ortskurve&nbsp; $s_{\rm TP}(t)$&nbsp; nun eine vertikale Gerade ist im Gegensatz zur idealen PM&nbsp; (Kreisbogen)&nbsp; und zur ZSB–AM&nbsp; (horizontale Gerade).&nbsp;  
+
*The graph illustrates that the locus curve&nbsp; $s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is now a a vertical straight line in contrast to the ideal PM (circular arc) and DSB–AM&nbsp; (horizontal straight line).&nbsp;  
*Im Folgenden wird&nbsp; $A_{\rm T} = 1$&nbsp; gesetzt.
+
*In the following, we set &nbsp; $A_{\rm T} = 1$&nbsp;.
  
  
'''(2)'''&nbsp; Die Hüllkurve ergibt sich aus der zeitabhängigen Zeigerlänge zu
+
'''(2)'''&nbsp; The envelope is obtained from the time-dependent pointer length as
 
:$$a(t)  =  \sqrt{1 + \eta^2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm N} \cdot t)} \hspace{0.3cm}
 
:$$a(t)  =  \sqrt{1 + \eta^2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm N} \cdot t)} \hspace{0.3cm}
 
  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}a_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline { = 1}, \hspace{0.3cm}a_{\rm max} = \sqrt{1 + \eta^2 }\hspace{0.05cm}.$$
 
  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}a_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline { = 1}, \hspace{0.3cm}a_{\rm max} = \sqrt{1 + \eta^2 }\hspace{0.05cm}.$$
*Für&nbsp; $η = 1$&nbsp; ergibt sich der Maximalwert zu &nbsp;$a_{\rm max} = \sqrt{2}\hspace{0.15cm}\underline { ≈ 1.414}$.
+
*For&nbsp; $η = 1$&nbsp; the maximum value becomes &nbsp;$a_{\rm max} = \sqrt{2}\hspace{0.15cm}\underline { ≈ 1.414}$.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Für die Phasenfunktion dieses einfachen Phasendemodulators  gilt:
+
'''(3)'''&nbsp; The phase function of this simple phase demodulator is given by:
 
:$$\phi(t) = \arctan \frac{{\rm Im}[s_{\rm TP}(t)]}{{\rm Re}[s_{\rm TP}(t)]} = \arctan (\eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\phi(t) = \arctan \frac{{\rm Im}[s_{\rm TP}(t)]}{{\rm Re}[s_{\rm TP}(t)]} = \arctan (\eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
*Der Maximalwert tritt beispielsweise zur Zeit&nbsp; $t = 0$&nbsp; auf und beträgt&nbsp; $ϕ_{\rm max} = \arctan(η)$.  
+
*The maximum value occurs at time&nbsp; $t = 0$&nbsp;, for example, and is &nbsp; $ϕ_{\rm max} = \arctan(η)$.  
:*Für&nbsp; $η = 1$&nbsp; erhält man&nbsp; $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { = 45^\circ}$&nbsp; $($im Vergleich:&nbsp; Bei idealer PM&nbsp; $57.3^\circ)$,
+
:*When&nbsp; $η = 1$&nbsp;, one obtains &nbsp; $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { = 45^\circ}$&nbsp; $($to compare:&nbsp; for ideal PM&nbsp; $57.3^\circ)$,
:*Für&nbsp; $η = 0.5$&nbsp; ergibt sich&nbsp; $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 26.6^\circ}$&nbsp; $($bei idealer PM&nbsp; $28.7^\circ)$.
+
:*When&nbsp; $η = 0.5$&nbsp; one gets &nbsp; $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 26.6^\circ}$&nbsp; $($for ideal PM&nbsp; $28.7^\circ)$.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(4)'''&nbsp;<u>Answer 3</u> is correct:
*Es gilt&nbsp; '''nicht''':&nbsp; &nbsp; &nbsp; $\arctan\big [η · \cos(γ)\big ] = η · \cos(γ)$.  
+
*It is&nbsp; '''not''' true that:&nbsp; &nbsp; &nbsp; $\arctan\big [η · \cos(γ)\big ] = η · \cos(γ)$.  
*Das heißt, dass das Sinkensignal im Gegensatz zum Quellensignal nicht cosinusförmig verläuft.  
+
*This means that the sink signal is not cosine, in contrast to the source signal.
*Dies weist auf nichtlineare Verzerrungen hin.  
+
*This points to nonlinear distortions.
  
  
  
'''(5)'''&nbsp; Mit&nbsp; $γ = η · \cos(ω_N · t)$&nbsp; und&nbsp; $\arctan(γ) ≈ γ – γ^3/3$&nbsp; erhält man:
+
'''(5)'''&nbsp; Using&nbsp; $γ = η · \cos(ω_N · t)$&nbsp; and&nbsp; $\arctan(γ) ≈ γ – γ^3/3$&nbsp;, we get:
 
:$$ \phi(t) =  \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \cos^3 (\omega_{\rm N} \cdot t))=
 
:$$ \phi(t) =  \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \cos^3 (\omega_{\rm N} \cdot t))=
 
   \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \left [ {3}/{4}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) + {1}/{4}\cdot \cos (3 \omega_{\rm N} \cdot t)\right ] $$  
 
   \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \left [ {3}/{4}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) + {1}/{4}\cdot \cos (3 \omega_{\rm N} \cdot t)\right ] $$  
 
:$$\Rightarrow  \hspace{0.3cm} \phi(t) =  \left(\eta - {\eta^3}/{4} \right) \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - {\eta^3}/{12}\cdot \cos (3\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\Rightarrow  \hspace{0.3cm} \phi(t) =  \left(\eta - {\eta^3}/{4} \right) \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - {\eta^3}/{12}\cdot \cos (3\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
*Das bedeutet:&nbsp; Bei Verwendung der angegebenen Reihenentwicklung&nbsp; (Terme 5. und höherer Ordnung werden vernachlässigt)&nbsp; ist nur der Klirrfaktor dritter Ordnung von Null verschieden.&nbsp; Man erhält:
+
*This means:&nbsp; using the given series expansion (where 5th and higher order terms are ignored), only the third-order harmonic distortion is non-zero. Thus:
 
:$$K = K_3 = \frac{\eta^3/12}{\eta-\eta^3/4}= \frac{1}{12/\eta^2 -3} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$K = K_3 = \frac{\eta^3/12}{\eta-\eta^3/4}= \frac{1}{12/\eta^2 -3} \hspace{0.05cm}.$$
*Für&nbsp; $η = 1$&nbsp; ergibt sich der Zahlenwert&nbsp; $K = 1/9 \hspace{0.15cm}\underline { ≈ 11.1\%}$.  
+
*When&nbsp; $η = 1$&nbsp; the numerical value is&nbsp; $K = 1/9 \hspace{0.15cm}\underline { ≈ 11.1\%}$.  
*Für&nbsp; $η = 0.5$&nbsp; ist der Klirrfaktor&nbsp; $K = 1/45 \hspace{0.15cm}\underline {≈ 2.2\%}$.
+
*When&nbsp; $η = 0.5$&nbsp; the distortion factor is&nbsp; $K = 1/45 \hspace{0.15cm}\underline {≈ 2.2\%}$.
  
  
Eine Simulation zeigt, dass man durch den Abbruch der Reihe nach dem Term dritter Ordnung einen Fehler macht, der den Klirrfaktor als zu hoch erscheinen lässt:  
+
A simulation shows that by stopping the series after the third order term, we have made the error of over-estimating the distortion factor:
*Die per Simulation gewonnenen Werte sind&nbsp; $K ≈ 6%$&nbsp; $($für&nbsp; $η = 1)$&nbsp; und&nbsp; $K ≈ 2%$&nbsp; $($für&nbsp; $η = 0.5)$.  
+
*The values obtained by simulation are &nbsp; $K ≈ 6%$&nbsp; $($for&nbsp; $η = 1)$&nbsp; and&nbsp; $K ≈ 2%$&nbsp; $($for&nbsp; $η = 0.5)$.  
*Der Fehler nimmt also mit wachsendem &nbsp;$η$&nbsp; mehr als proportional zu.
+
*Thus, the error increases more than proportionally with increasing  &nbsp;$η$&nbsp;.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.1 Phasenmodulation (PM)^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.1 Phase Modulation^]]

Latest revision as of 16:04, 9 April 2022

"Approximate phase modulator"

The adjacent circuit allows the approximate realization of a phase-modulated signal. 

From the cosinusoidal carrier,  $z(t)$ , the  $90^\circ$ phase shifter forms a sinusoidal signal of the same frequency, such that the modulated signal can be written as:

$$ s(t) = z(t) + q(t) \cdot \frac{z(t- T_0/4)}{A_{\rm T}} = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + q(t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$

The second term describes a "DSB–AM without carrier".  Additionally, the carrier, phase-shifted by $90^\circ$ , is added.  Thus, with a cosine source signal $q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)$ , we get:

$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t) = A_{\rm T} \cdot \big[\cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \big] \hspace{0.05cm}.$$

We refer to the ratio  $η = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  as the modulation index;  in the following, the carrier amplitude is set to   $A_{\rm T} = 1$  for simplicity.

  • In contrast to  ideal phase modulation  the modulation index  $η$  and the phase deviation  $ϕ_{\rm max}$ may differ in this "approximate phase modulation".
  • Additionally, we can see that the envelope  $a(t) ≠ 1$ .  This means that an unwanted amplitude modulation is superimposed on the phase modulation.


From the representation of the equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t)$  in the complex plane (locus curve), the following are to be calculated in this task:

  • the envelope  $a(t)$  and
  • the phase function $ϕ(t)$.


Then, you are to analyse the distortions arising when an ideal PM demodulator, which sets the sink signal  $v(t)$  proportional to the phase  $ϕ(t)$ , is used on the receiving side of this nonideal PM modulator.





Hints:

  • You can use the following equations to approximate the distortion factor:
$$\arctan(\gamma) \approx \gamma - {\gamma^3}/{3} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \cos^3(\gamma) ={3}/{4} \cdot \cos(\gamma) +{1}/{4} \cdot \cos(3 \cdot \gamma) \hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

Calculate the equivalent low-pass signal. Which statement is true?

The locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is a circular arc.
The locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is a horizontal straight line.
The locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is a vertical straight line.

2

Calculate the (normalized) envelope $a(t)$  for  $A_{\rm T} = 1$.  What are its minimum and maximum values when  $η = 1$?

$a_{\rm min} \ = \ $

$a_{\rm max} \ = \ $

3

Calculate the maximum value of the phase $ϕ(t)$  for  $η = 1$  and  $η = 0.5$.

$η = 1.0\text{:} \ \ \ ϕ_{\rm max} \ = \ $

$\ \rm Grad$
$η = 0.5\text{:} \ \ \ ϕ_{\rm max} \ = \ $

$\ \rm Grad$

4

What distortions result after ideal phase demodulation of  $s(t)$?

No distortions occur.
Linear distortions occur.
Nonlinear distortions occur.

5

Calculate the distortion factor  $K$  considering the trigonometric relationships given on the exercise page.

$η = 1.0\text{:} \ \ \ K \ = \ $

$\ \text{%}$
$η = 0.5\text{:} \ \ \ K \ = \ $

$\ \text{%}$


Solution

Construction of the "vertical locus" from the pointers

(1)  Answer 3 is correct:

  • The equivalent low-pass signal is::$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot \left ( 1 + {\rm j}\cdot \frac {\eta}{2}\cdot \left ({\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t} + {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{-\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t}\right) \right) = A_{\rm T} \cdot \big ( 1 + {\rm j}\cdot {\eta}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \big)\hspace{0.05cm}.$$
  • The graph illustrates that the locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is now a a vertical straight line in contrast to the ideal PM (circular arc) and DSB–AM  (horizontal straight line). 
  • In the following, we set   $A_{\rm T} = 1$ .


(2)  The envelope is obtained from the time-dependent pointer length as

$$a(t) = \sqrt{1 + \eta^2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm N} \cdot t)} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}a_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline { = 1}, \hspace{0.3cm}a_{\rm max} = \sqrt{1 + \eta^2 }\hspace{0.05cm}.$$
  • For  $η = 1$  the maximum value becomes  $a_{\rm max} = \sqrt{2}\hspace{0.15cm}\underline { ≈ 1.414}$.


(3)  The phase function of this simple phase demodulator is given by:

$$\phi(t) = \arctan \frac{{\rm Im}[s_{\rm TP}(t)]}{{\rm Re}[s_{\rm TP}(t)]} = \arctan (\eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
  • The maximum value occurs at time  $t = 0$ , for example, and is   $ϕ_{\rm max} = \arctan(η)$.
  • When  $η = 1$ , one obtains   $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { = 45^\circ}$  $($to compare:  for ideal PM  $57.3^\circ)$,
  • When  $η = 0.5$  one gets   $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 26.6^\circ}$  $($for ideal PM  $28.7^\circ)$.


(4) Answer 3 is correct:

  • It is  not true that:      $\arctan\big [η · \cos(γ)\big ] = η · \cos(γ)$.
  • This means that the sink signal is not cosine, in contrast to the source signal.
  • This points to nonlinear distortions.


(5)  Using  $γ = η · \cos(ω_N · t)$  and  $\arctan(γ) ≈ γ – γ^3/3$ , we get:

$$ \phi(t) = \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \cos^3 (\omega_{\rm N} \cdot t))= \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \left [ {3}/{4}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) + {1}/{4}\cdot \cos (3 \omega_{\rm N} \cdot t)\right ] $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \phi(t) = \left(\eta - {\eta^3}/{4} \right) \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - {\eta^3}/{12}\cdot \cos (3\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
  • This means:  using the given series expansion (where 5th and higher order terms are ignored), only the third-order harmonic distortion is non-zero. Thus:
$$K = K_3 = \frac{\eta^3/12}{\eta-\eta^3/4}= \frac{1}{12/\eta^2 -3} \hspace{0.05cm}.$$
  • When  $η = 1$  the numerical value is  $K = 1/9 \hspace{0.15cm}\underline { ≈ 11.1\%}$.
  • When  $η = 0.5$  the distortion factor is  $K = 1/45 \hspace{0.15cm}\underline {≈ 2.2\%}$.


A simulation shows that by stopping the series after the third order term, we have made the error of over-estimating the distortion factor:

  • The values obtained by simulation are   $K ≈ 6%$  $($for  $η = 1)$  and  $K ≈ 2%$  $($for  $η = 0.5)$.
  • Thus, the error increases more than proportionally with increasing  $η$ .