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|]]
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[[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:
$$ r(t) = 3\,{\rm V} \cdot \cos\left[2 \pi \cdot 1\,{\rm MHz} \cdot t + 3 \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\right]\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ r(t) = 3\,{\rm V} \cdot \cos \hspace{-0.05cm} \big[2 \pi \cdot 1\,{\rm MHz} \cdot t + 3 \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\big]\hspace{0.05cm}.$$
Bei $r(t)$ handelt es sich um ein winkelmoduliertes Signal, das bei der Übertragung weder verzerrt noch durch Rauschen beaufschlagt wurde. Die Signale $υ_{PM}(t)$ und $υ_{FM}(t)$ 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
 
$$ v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} {K_{\rm PM}} = 2\,{\rm V}^{-1}\hspace{0.05cm},$$
 
:* Frequenzdemodulator, bestehend aus PM–Demodulator, Differenzierer und einer Konstanten K. Damit alle Signale gleiche Einheiten besitzen, ist diese Konstante dimensionsbehaftet.
 
  
'''Hinweis:''' Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM) Kapitel 3.1] und [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM) Kapitel 3.2].  
+
The signals &nbsp;$v_{\rm PM}(t)$&nbsp; and &nbsp;$v_{\rm FM}(t)$&nbsp; 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 $K$.
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In order for all signals to have equal units, this constant $K$ is dimensionally constrained.
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)|Frequency Modulation]].
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*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 $ϕ_N = 0$.
+
- The message phase is definitely &nbsp;$ϕ_{\rm N} = 0$.
+ Die Nachrichtenfrequenz ist sicher $f_N = 10 kHz$.
+
+ The message phase is definitely &nbsp;$f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz$.
  
  
{Berechnen Sie das Signal $υ_{PM}(t)$ nach dem Phasendemodulator. Wie groß ist der Signalwert zum Zeitpunkt 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="{}"}
$υ_{PM}(t = 0)$ = { 1.5 3% } $V$  
+
$v_{\rm PM}(t = 0) \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \rm V$  
  
{Berechnen Sie das Signal $υ_{FM}(t)$. Wie groß ist die Nachrichtenphase $ϕ_N$?
+
{Calculate the signal&nbsp;$v_{\rm FM}(t)$. What is the message phase &nbsp;$ϕ_{\rm N}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$ϕ_N$ = { 90 3% } $Grad$  
+
$ϕ_{\rm N} \ = \ $ { 90 3% } $\ \rm Grad$  
  
{Wie groß ist K zu wählen, damit die Amplitude von $υ_{FM}(t)$ gleich 1.5 V 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% } $10^4$  $1/s$
+
$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 $ϕ_{max} = 3$.
+
+ The phase deviation is &nbsp;$ϕ_{\rm max} = 3$.
+ Der Frequenzhub beträgt $Δf_A = 30 kHz$.
+
+ The frequency deviation is &nbsp;$Δf_{\rm A} = 30 \ \rm  kHz$.
+ Es treten Augenblicksfrequenzen zwischen $0.97$ und $1.03 MHz$ auf.
+
+ The instantaneous frequencies are between &nbsp;$0.97\ \rm  MHz$&nbsp; and &nbsp;$1.03 \ \rm  MHz$&nbsp;.
- Mit $f_N = 5 kHz$ würde sich am Phasenhub nichts ändern.
+
- If &nbsp;$f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz$&nbsp;, the phase deviation would be unchanged.
+ Mit $f_N = 5 kHz$ 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.''' a)  Aus der Gleichung für $r(t)$ kann lediglich abgelesen werden, dass es sich um eine Winkelmodulation handelt, nicht jedoch, ob eine PM oder eine FM vorliegt. Aufgrund der Gleichung steht fest, dass die Nachrichtenfrequenz $f_N = 10 kHz$ beträgt. Die Phase $ϕ_N = 0$ des Quellensignals würde dagegen nur zutreffen, wenn eine Phasenmodulation vorliegt. Richtig sind also die Lösungsvorschläge 1, 2 und 4.
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Answers 1, 2 and 4</u> are correct:
 +
*From the equation for&nbsp; $r(t)$&nbsp; 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&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.  
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 +
 
 +
 
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'''(2)'''&nbsp;  With the modulator constant&nbsp; $K_{\rm PM} = 2 \ \rm V^{–1}$&nbsp; this is given by:
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:$$v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
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*At time &nbsp; $t = 0$&nbsp; it therefore holds that:
 +
:$$v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
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'''(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:
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:$$v_{\rm FM}(t)  =  \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))=  \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.$$
 +
*The message phase is thus &nbsp; $ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 90^\circ}$.
 +
 
  
  
'''2.''' Mit der Modulatorkonstanten $K_{PM} = 2 V^{–1}$ erhält man hierfür:
+
'''(4)'''&nbsp;  In this case, it must hold that: &nbsp;
$$v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.$$
Für den Zeitpunkt $t = 0$ gilt deshalb:
 
$$v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
  
'''3.'''  Für das Ausgangssignal $υ_{FM}(t)$ des FM–Demodulators – bestehend aus PM–Demodulator und Differenzierer – kann geschrieben werden:
 
$$v_{\rm FM}(t)  =  \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))=$$
 
$$ =  \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.$$
 
Die Nachrichtenphase ist somit $ϕ_N = 90°$.
 
  
 +
'''(5)'''&nbsp;<u>Answers 1, 2, 3 and 5</u> 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&nbsp; $Δf_{\rm A} = 3 · f_{\rm N} = 30 \ \rm kHz$.
 +
*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;.
  
'''4.''' In diesem Fall muss gelten:
 
$$ K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.$$
 
'''5.''' Alle Lösungsvorschläge sind richtig bis auf den vorletzten: Der Phasenhub ist identisch mit dem Modulationsindex, der aus der angegebenen Gleichung abgelesen werden kann:
 
$$\phi_{\rm max} = \eta = 3 = \frac{\Delta f_{\rm A}}{ f_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.$$
 
Damit erhält man den Frequenzhub $Δf_A = 3 · f_N = 30 kHz$. Mit der Trägerfrequenz $f_T = 1 MHz$ kann somit die Augenblicksfrequenz $f_A(t)$ nur Werte zwischen $1±0.03 MHz$ annehmen.
 
  
 +
'''Thus, the following statement is also valid:''':
  
Bei halber Nachrichtenfrequenz verdoppelt sich der Phasenhub $η$, während der Frequenzhub $Δf_A$ davon nicht beeinflusst wird:
+
At half the message frequency, the phase deviation&nbsp; $η$ doubles, while the frequency deviation&nbsp; $Δf_{\rm A}$&nbsp;is unaffected:
$$\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^3.2 Frequenzmodulation (FM)^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.2 Frequency Modulation^]]

Latest revision as of 16:14, 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:

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