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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7: Angular Modulation of a Harmonic Oscillation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Frequenzmodulation (FM)
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1103__Mod_Z_3_6.png|right|frame|Möglicher FM–Demodulator]]
+
[[File:P_ID1103__Mod_Z_3_6.png|right|frame|Demodulator <br>for FM]]
Das an einem Empfänger ankommende Signal lautet:
+
The signal arriving at a receiver is:
 
:r(t)=3Vcos[2π1MHzt+3cos(2π10kHzt)].
 
:r(t)=3Vcos[2π1MHzt+3cos(2π10kHzt)].
Bei &nbsp;r(t)&nbsp; handelt es sich um ein winkelmoduliertes Signal, das bei der Übertragung weder verzerrt noch durch Rauschen beaufschlagt wurde. Die Signale &nbsp;vPM(t)&nbsp; und &nbsp;vFM(t)&nbsp; ergeben sich nach idealer Demodulation mittels
+
&nbsp;r(t)&nbsp; is an angle-modulated signal that was neither distorted nor influenced by noise during transmission.
* Phasendemodulator, gegeben durch die Gleichung
+
 
 +
The signals &nbsp;vPM(t)&nbsp; and &nbsp;vFM(t)&nbsp; result after ideal demodulation by means of
 +
* a phase demodulator, given by the equation
 
:vPM(t)=1KPMϕr(t),KPM=2V1,
 
:vPM(t)=1KPMϕr(t),KPM=2V1,
* Frequenzdemodulator, bestehend aus PM–Demodulator, Differenzierer und einer Konstanten K.  
+
* a frequency demodulator, consisting of a PM demodulator, a differentiator and a constant K.  
  
  
Damit alle Signale gleiche Einheiten besitzen, ist diese Konstante K dimensionsbehaftet.
+
In order for all signals to have equal units, this constant K is dimensionally constrained.  
  
  
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''Hinweise:''
+
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM)|Frequenzmodulation]].
+
 
*Bezug genommen wird aber auch auf das Kapitel&nbsp;  [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)|Phasenmodulation]]&nbsp; und auf den Abschnitt &nbsp;[[Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM)#Signalverl.C3.A4ufe_bei_Frequenzmodulation|Signalverläufe bei Frequenzmodulation]].
+
 
 +
''Hints:''
 +
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)|Frequency Modulation]].
 +
*Reference is also made to the chapter&nbsp;  [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|Phase Modulation]]&nbsp; and particularly to the section &nbsp;[[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)#Signal_characteristics_with_frequency_modulation|Signal characteristics with frequency modulation]].
 
   
 
   
 
 
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen treffen mit Sicherheit zu?
+
{Which statements are definitely true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es könnte eine PM–Modulation vorliegen.
+
+ There could be a PM modulation.
+ Es könnte eine FM–Modulation vorliegen.
+
+ There could be a FM modulation.
- Die Nachrichtenphase ist sicher &nbsp;ϕ_{\rm N} = 0.
+
- The message phase is definitely &nbsp;ϕ_{\rm N} = 0.
+ Die Nachrichtenfrequenz ist sicher &nbsp;f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz.
+
+ The message phase is definitely &nbsp;f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz.
  
  
{Berechnen Sie das Signal &nbsp;v_{\rm PM}(t)&nbsp; nach dem Phasendemodulator. Wie groß ist der Signalwert zum Zeitpunkt &nbsp;t = 0?
+
{Calculate the signal&nbsp;v_{\rm PM}(t)&nbsp; after the phase demodulator.&nbsp; What is the signal value at time &nbsp;t = 0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
v_{\rm PM}(t = 0) \ = \ { 1.5 3% } \ \rm V  
 
v_{\rm PM}(t = 0) \ = \ { 1.5 3% } \ \rm V  
  
{Berechnen Sie das Signal &nbsp;v_{\rm FM}(t). Wie groß ist die Nachrichtenphase &nbsp;ϕ_{\rm N}?
+
{Calculate the signal&nbsp;v_{\rm FM}(t). What is the message phase &nbsp;ϕ_{\rm N}?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
ϕ_{\rm N} \ = \ { 90 3% } \ \rm Grad  
 
ϕ_{\rm N} \ = \ { 90 3% } \ \rm Grad  
  
{Wie groß ist &nbsp;K&nbsp; zu wählen, damit die Amplitude von &nbsp;v_{\rm FM}(t)&nbsp; gleich &nbsp;1.5 \ \rm  V&nbsp; ist?
+
{How should &nbsp;K&nbsp; be chosen so that the amplitude of &nbsp;v_{\rm FM}(t)&nbsp; is equal to &nbsp;1.5 \ \rm  V&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
K\ = \ { 6.28 3% } \ \rm \cdot 10^4 \ 1/s
 
K\ = \ { 6.28 3% } \ \rm \cdot 10^4 \ 1/s
  
{Welche der folgenden Aussagen treffen für das FM–modulierte Signal zu?
+
{Which of the following statements is true for the FM-modulated signal?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Phasenhub beträgt &nbsp;ϕ_{\rm max} = 3.
+
+ The phase deviation is &nbsp;ϕ_{\rm max} = 3.
+ Der Frequenzhub beträgt &nbsp;Δf_{\rm A} = 30 \ \rm  kHz.
+
+ The frequency deviation is &nbsp;Δf_{\rm A} = 30 \ \rm  kHz.
+ Es treten Augenblicksfrequenzen zwischen &nbsp;0.97\ \rm  MHz&nbsp; und &nbsp;1.03 \ \rm  MHz&nbsp; auf.
+
+ The instantaneous frequencies are between &nbsp;0.97\ \rm  MHz&nbsp; and &nbsp;1.03 \ \rm  MHz&nbsp;.
- Mit &nbsp;f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz&nbsp; würde sich am Phasenhub nichts ändern.
+
- If &nbsp;f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz&nbsp;, the phase deviation would be unchanged.
+ Mit &nbsp;f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz&nbsp; würde sich am Frequenzhub nichts ändern.
+
+ If &nbsp;f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz&nbsp; the frequency deviation would be unchanged.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 4</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Answers 1, 2 and 4</u> are correct:
*Aus der Gleichung für r(t) kann lediglich abgelesen werden, dass es sich um eine Winkelmodulation handelt, nicht jedoch, ob eine Phasenmodulation (PM) oder eine Frequenzmodulation (FM) vorliegt.  
+
*From the equation for&nbsp; r(t)&nbsp; it can only be ascertained that it is an angle modulation,
*Aufgrund der Gleichung steht fest, dass die Nachrichtenfrequenz f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz beträgt.  
+
*but not whether it is a phase modulation (PM) or a frequency modulation (FM).  
*Die Phase ϕ_{\rm N} = 0 des Quellensignals würde dagegen nur zutreffen, wenn eine Phasenmodulation vorläge.  
+
*Based on the equation, it is clear that the message frequency is&nbsp; f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz&nbsp;.  
 +
*The phase&nbsp; ϕ_{\rm N} = 0&nbsp; of the source signal would then only apply, if phase modulation were present.  
  
  
'''(2)'''&nbsp;  Mit der Modulatorkonstanten K_{\rm PM} = 2 \ \rm V^{–1} erhält man hierfür:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp;  With the modulator constant&nbsp; K_{\rm PM} = 2 \ \rm V^{–1}&nbsp; this is given by:
 
:v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.
 
:v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.
Für den Zeitpunkt t = 0 gilt deshalb:
+
*At time &nbsp; t = 0&nbsp; it therefore holds that:
 
:v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.
 
:v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Für das Ausgangssignal v_{\rm FM}(t) des FM–Demodulators bestehend aus PM–Demodulator und Differenzierer kann man schreiben:
+
 
 +
'''(3)'''&nbsp;  The output signal &nbsp; v_{\rm FM}(t)&nbsp; of the FM demodulator consisting of a PM–demodulator and differentiator can be written as:
 
:v_{\rm FM}(t)  =  \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))=  \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.
 
:v_{\rm FM}(t)  =  \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))=  \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.
Die Nachrichtenphase ist somit ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 90^\circ}.
+
*The message phase is thus &nbsp; ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 90^\circ}.
 +
 
 +
 
  
 +
'''(4)'''&nbsp;  In this case, it must hold that: &nbsp;
 +
: K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.
  
'''(4)'''&nbsp;  In diesem Fall muss gelten: &nbsp; K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2, 3 und 5</u>:
+
'''(5)'''&nbsp;<u>Answers 1, 2, 3 and 5</u> are correct:
*Der Phasenhub ist identisch mit dem Modulationsindex, der aus der angegebenen Gleichung abgelesen werden kann:
+
*The phase deviation is identical to the modulation index, which can be discerned from the equation given:
 
:\phi_{\rm max} = \eta = 3 = \frac{\Delta f_{\rm A}}{ f_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.
 
:\phi_{\rm max} = \eta = 3 = \frac{\Delta f_{\rm A}}{ f_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.
*Damit erhält man den Frequenzhub Δf_{\rm A} = 3 · f_{\rm N} = 30 \ \rm kHz.  
+
*This leads to the frequency deviation&nbsp; Δf_{\rm A} = 3 · f_{\rm N} = 30 \ \rm kHz.  
*Mit der Trägerfrequenz f_{\rm T} = 1 \ \rm MHz kann somit die Augenblicksfrequenz f_{\rm T}(t) nur Werte zwischen 1±0.03 MHz annehmen.
+
*With a carrier frequency of &nbsp; f_{\rm T} = 1 \ \rm MHz&nbsp;, the instantaneous frequency&nbsp; f_{\rm T}(t)&nbsp; can only take values between&nbsp; $1±0.03 \ \rm  MHz$&nbsp;.
 +
 
  
 +
'''Thus, the following statement is also valid:''':
  
Es gilt also auch folgende Aussage:
+
At half the message frequency, the phase deviation&nbsp; η doubles, while the frequency deviation&nbsp; Δf_{\rm A}&nbsp;is unaffected:
Bei halber Nachrichtenfrequenz verdoppelt sich der Phasenhub η, während der Frequenzhub Δf_{\rm A} davon nicht beeinflusst wird:
 
 
:\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.
 
:\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.
  
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^3.2 Frequenzmodulation (FM)^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.2 Frequency Modulation^]]

Latest revision as of 17:14, 9 April 2022

Demodulator
for FM

The signal arriving at a receiver is:

r(t) = 3\,{\rm V} \cdot \cos \hspace{-0.05cm} \big[2 \pi \cdot 1\,{\rm MHz} \cdot t + 3 \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\big]\hspace{0.05cm}.

 r(t)  is an angle-modulated signal that was neither distorted nor influenced by noise during transmission.

The signals  v_{\rm PM}(t)  and  v_{\rm FM}(t)  result after ideal demodulation by means of

  • a phase demodulator, given by the equation
v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} {K_{\rm PM}} = 2\,{\rm V}^{-1}\hspace{0.05cm},
  • a frequency demodulator, consisting of a PM demodulator, a differentiator and a constant K.


In order for all signals to have equal units, this constant K is dimensionally constrained.





Hints:



Questions

1

Which statements are definitely true?

There could be a PM modulation.
There could be a FM modulation.
The message phase is definitely  ϕ_{\rm N} = 0.
The message phase is definitely  f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz.

2

Calculate the signal v_{\rm PM}(t)  after the phase demodulator.  What is the signal value at time  t = 0?

v_{\rm PM}(t = 0) \ = \

\ \rm V

3

Calculate the signal v_{\rm FM}(t). What is the message phase  ϕ_{\rm N}?

ϕ_{\rm N} \ = \

\ \rm Grad

4

How should  K  be chosen so that the amplitude of  v_{\rm FM}(t)  is equal to  1.5 \ \rm V ?

K\ = \

\ \rm \cdot 10^4 \ 1/s

5

Which of the following statements is true for the FM-modulated signal?

The phase deviation is  ϕ_{\rm max} = 3.
The frequency deviation is  Δf_{\rm A} = 30 \ \rm kHz.
The instantaneous frequencies are between  0.97\ \rm MHz  and  1.03 \ \rm MHz .
If  f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz , the phase deviation would be unchanged.
If  f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz  the frequency deviation would be unchanged.


Solution

(1)  Answers 1, 2 and 4 are correct:

  • From the equation for  r(t)  it can only be ascertained that it is an angle modulation,
  • but not whether it is a phase modulation (PM) or a frequency modulation (FM).
  • Based on the equation, it is clear that the message frequency is  f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz .
  • The phase  ϕ_{\rm N} = 0  of the source signal would then only apply, if phase modulation were present.


(2)  With the modulator constant  K_{\rm PM} = 2 \ \rm V^{–1}  this is given by:

v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.
  • At time   t = 0  it therefore holds that:
v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.


(3)  The output signal   v_{\rm FM}(t)  of the FM demodulator – consisting of a PM–demodulator and differentiator – can be written as:

v_{\rm FM}(t) = \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))= \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.
  • The message phase is thus   ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 90^\circ}.


(4)  In this case, it must hold that:  

K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.


(5) Answers 1, 2, 3 and 5 are correct:

  • The phase deviation is identical to the modulation index, which can be discerned from the equation given:
\phi_{\rm max} = \eta = 3 = \frac{\Delta f_{\rm A}}{ f_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.
  • This leads to the frequency deviation  Δf_{\rm A} = 3 · f_{\rm N} = 30 \ \rm kHz.
  • With a carrier frequency of   f_{\rm T} = 1 \ \rm MHz , the instantaneous frequency  f_{\rm T}(t)  can only take values between  1±0.03 \ \rm MHz .


Thus, the following statement is also valid::

At half the message frequency, the phase deviation  η doubles, while the frequency deviation  Δf_{\rm A} is unaffected:

\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.