Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.3Z: Optimization of a Coaxial Cable System"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Ber%C3%BCcksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization
 
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[[File:P_ID1409__Dig_Z_3_3.png|right|frame]]
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[[File:P_ID1409__Dig_Z_3_3.png|right|frame|Normalized system parameters for different cutoff frequencies]]
Wir betrachten ein redundanzfreies binäres Übertragungssystem mit folgenden Spezifikationen:
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We consider a redundancy-free binary transmission system with the following specifications:
* Die Sendeimpulse sind NRZ–rechteckförmig und besitzen die Energie $E_B = s_0^2 \cdot T$.  
+
* The transmission pulses are NRZ rectangular and have energy  $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$.
* Der Kanal ist ein Koaxialkabel mit der charakteristischen Kabeldämpfung $a_* = 40 \, {\rm dB}$.
+
* Es liegt AWGN–Rauschen mit der Rauschleistungsdichte $N_0 = 0.0001 \cdot E_B$ vor.
+
* The channel is a coaxial cable with characteristic cable attenuation  $a_* = 40 \, {\rm dB}$.
* Der Empfängerfrequenzgang $H_E(f)$ beinhaltet einen idealen Kanalentzerrer $H_K^{\rm -1}(f)$ und einen Gaußtiefpass $H_G(f)$ mit Grenzfrequenz $f_G$ zur Rauschleistungsbegrenzung.
 
  
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* AWGN noise with (one-sided) noise power density  $N_0 = 0.0001 \cdot E_{\rm B}$  is present.
  
Die Tabelle zeigt die Augenöffnung $\ddot{o}(T_D)$ sowie den Detektionsrauscheffektivwert $\sigma_d$ – jeweils normiert auf die Sendeamplitude $s_0$ – für verschiedene Grenzfrequenzen $f_G$. Die Grenzfrequenz ist so zu wählen, dass die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit
+
* The receiver frequency response  $H_{\rm E}(f)$  includes an ideal channel equalizer  $H_{\rm K}^{\rm -1}(f)$  and a Gaussian low-pass filter  $H_{\rm G}(f)$  with cutoff frequency  $f_{\rm G}$  for noise power limitation.
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The table shows the eye opening   $\ddot{o}(T_{\rm D})$   as well as the detection noise rms value   $\sigma_{\rm d}$   – each normalized to the transmitted amplitude  $s_0$  – for different cutoff frequencies  $f_{\rm G}$.  The cutoff frequency is to be chosen such that the worst-case error probability is as small as possible,  with the following definition:
 
:$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d}
 
:$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d}
 
   \right) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}\right)$$
 
   \right) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}\right)$$
  
möglichst klein ist. Die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit stellt eine obere Schranke für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit $p_S$ dar. Für $f_G \cdot T ≥ 0.4$ kann auch eine untere Schranke angegeben werden:
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*This quantity represents an upper bound for the mean error probability    $p_{\rm S} \le p_{\rm U}$.
:$${1}/{4} \cdot p_{\rm U}\le p_{\rm S}\le p_{\rm U}
+
\hspace{0.05cm}.$$
+
*For  $f_{\rm G} \cdot T ≥ 0.4$,  a lower bound can also be given:    $p_{\rm S} \ge p_{\rm U}/4$.
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''Hinweis:'' Die Aufgabe gehört zum Themengebit von [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Ber%C3%BCcksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung|Kapitel 3.3]]. Zur numerischen Auswertung der Q–Funktion können Sie das folgende Interaktionsmodul nutzen:
 
[https://intern.lntwww.de/cgi-bin/extern/uni.pl?uno=hyperlink&due=block&b_id=1706&hyperlink_typ=block_verweis&hyperlink_fenstergroesse=blockverweis_gross|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion]
 
  
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Notes:
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*The exercise belongs to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization|"Consideration of Channel Distortion and Equalization"]].
  
===Fragebogen===
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* Use the interaction module  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]]  for numerical evaluation of the Q-function.
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===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Bestimmen Sie innerhalb des vorgegebenen Rasters die optimale Grenzfrequenz hinsichtlich des Kriteriums "ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit".
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{Within the given grid,&nbsp; determine the optimal cutoff frequency with respect to the&nbsp; "worst-case error probability"&nbsp; criterion.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$f_{\rm G, opt} \cdot T$ = { 0.4 3% }
+
$f_\text{G, opt} \cdot T \  = \ $ { 0.4 3% }
  
{Welche Werte ergeben sich damit für den ungünstigsten Störabstand und die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit?
+
{What values does this give for the&nbsp; "worst-case signal-to-noise ratio"&nbsp; and the worst-case error probability?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$f_{\rm G, opt}: 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_U$ = { 5.41 3% } ${\rm dB}$
+
$f_\text{G} = \text{G, opt:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U}  \  = \ $ { 5.41 3% } ${\ \rm dB}$
$f_{\rm G, opt}: p_U$ = { 3.1 3% } $10^{\rm -2}$
+
$\hspace{4.07cm}p_{\rm U} \  = \ $ { 3.1 3% } $\ \rm \%$
  
{Wie müsste man die Rauschleistungsdichte $N_0$ (bezogen auf die Signalenergie) verringern, damit $p_U$ nicht größer ist als $10^{\rm -6}$?
+
{To what value would we need to reduce the noise power density &nbsp;$N_0$&nbsp; (with respect to signal energy)&nbsp; so that &nbsp;$p_{\rm U}$&nbsp; is not greater than &nbsp;$10^{\rm -6}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$N_0/E_B$ = { 1.53 3% } $10^{\rm -5}$
+
$N_0/E_{\rm B} \  = \ $ { 1.53 3% } $\ \cdot 10^{\rm -5}$
  
{Geben Sie für den unter c) getroffenen Annahmen eine untere und eine obere Schranke für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit $p_S$ an.
+
{For the assumptions made in&nbsp; '''(3)''',&nbsp; give a lower  and an upper bound for the&nbsp; "average error probability" &nbsp; $p_{\rm S}$.&nbsp;
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$p_{\rm S, min}$ = { 0.25 3% } $10^{\rm -6}$
+
$p_\text{ S, min}\hspace{0.02cm} \  = \ $ { 0.25 3% } $\ \cdot 10^{\rm -6}$
$p_{\rm S, max}$ = { 1 3% } $10^{\rm -6}$
+
$p_\text{ S, max} \  = \ $ { 1 3% } $\ \cdot 10^{\rm -6}$
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)''' Für die Optimierung genügt es , den Quotienten $\ddot{o}(T_D)/\sigma_d$ zu maximieren. Dieser ist von den in der Tabelle gegebenen Werten für die Grenzfrequenz $f_{\rm G, opt} \cdot T = \underline {= 0.4}$ mit $0.735/0.197 \approx 3.73$ maximal. Zum Vergleich: Für $f_G \cdot T = 0.3$ ergibt sich aufgrund der kleineren Augenöffnung $0.192/0.094 \approx 2.04$ und für $f_G \cdot T = 0.5$ ist der Quotient ebenfalls kleiner als beim Optimum: $1.159/0.379 \approx 3.05$.
+
'''(1)'''&nbsp; For the optimization it is sufficient to maximize the quotient&nbsp; $\ddot{o}(T_{\rm D})/\sigma_d$:
Eine noch größere Grenzfrequenz führt zu einem sehr großen Störeffektivwert, ohne dass gleichzeitig die vertikale Augenöffnung in gleicher Weise vergrößert wird.
+
*This is maximized from the values given in the table for the cutoff frequency &nbsp;$f_{\rm G, opt} \cdot T \underline {= 0.4}$&nbsp; with&nbsp; $0.735/0.197 \approx 3.73$.  
 +
*As a comparison: &nbsp; For &nbsp;$f_{\rm G} \cdot T = 0.3$&nbsp; the result is&nbsp; $0.192/0.094 \approx 2.04$&nbsp; due to the smaller eye opening.
 +
*For &nbsp;$f_{\rm G} \cdot T = 0.5$&nbsp; the quotient is also smaller than for the optimum:&nbsp; $1.159/0.379 \approx 3.05$.
 +
*An even larger cutoff frequency leads to a very large noise rms value without simultaneously increasing the vertical eye opening in the same way.
 +
 
  
  
'''(2)''' Mit dem Ergebnis aus a) erhält man weiter:
+
'''(2)'''&nbsp; Using the result from&nbsp; '''(1)''',&nbsp; we further obtain:
 
:$$\rho_{\rm U} = \left ( {3.73}/{2} \right )^2 \approx 3.48 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$\rho_{\rm U} = \left ( {3.73}/{2} \right )^2 \approx 3.48 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  10 \cdot {\rm
 
  10 \cdot {\rm
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} \hspace{0.15cm}\underline { = 5.41\,{\rm dB}}$$
+
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} \hspace{0.15cm}\underline { = 5.41\,{\rm dB}}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q}\left (
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q}\left (
 
 
{3.73}/{2} \right) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.031} \hspace{0.05cm}.$$
 
{3.73}/{2} \right) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.031} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(3)''' Mit dem gegebenen $10 \cdot {\rm lg} \, E_B/N_0 = 10^4$ hat sich der ungünstigste Störabstand zu $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_U \approx 5.41 \, {\rm dB}$ ergeben. Für die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit $p_U = 10^{\rm -6}$ muss aber $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_U > 13.55 \, {\rm dB}$ sein. Dies erreicht man, indem man den Quotienten $E_B/N0$ entsprechend erhöht:
+
'''(3)'''&nbsp; With the given&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 40 \ \rm dB$,&nbsp; i.e. $E_{\rm B}/N_0 = 10^4$,&nbsp; the worst-case signal-to-noise ratio has been found to be&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} \approx 5.41 \, {\rm dB}$.  
 +
*However,&nbsp; for the worst-case error probability&nbsp; $p_{\rm U} = 10^{\rm -6}$ &nbsp; &rArr; &nbsp;  $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} > 13.55 \, {\rm dB}$&nbsp; must be obtained.
 +
*This is achieved by increasing the quotient&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; accordingly:
 
:$$10 \cdot {\rm
 
:$$10 \cdot {\rm
 
lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} = 40\,{\rm dB}
 
lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} = 40\,{\rm dB}
 
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}13.55\,{\rm dB}
 
\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}13.55\,{\rm dB}
\hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}5.41\,{\rm dB}= 48.14\,{\rm dB}$$
+
\hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}5.41\,{\rm dB}= 48.14\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}
:$$\Rightarrow
+
\Rightarrow
 
\hspace{0.3cm} {E_{\rm B}}/{N_0} = 10^{4.814}\approx 65163
 
\hspace{0.3cm} {E_{\rm B}}/{N_0} = 10^{4.814}\approx 65163
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  {N_0}/{E_{\rm B}}\hspace{0.15cm}\underline {  =
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  {N_0}/{E_{\rm B}}\hspace{0.15cm}\underline {  =
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'''(4)''' Die obere Schranke für $p_S$ ist gleich der ungünstigsten Fehlerwahrscheinlichkeit $p_U = \underline {10^{\rm -6}}$. Die untere Schranke liegt bei $\underline {0.25 \cdot 10^{\rm -6}}$, ist also um den Faktor 4 kleiner.
+
'''(4)'''&nbsp;
 +
*The upper bound&nbsp; for $p_{\rm S}$&nbsp; is equal to the worst-case error probability&nbsp; $p_{\rm U} = \underline {10^{\rm -6}}$.
 +
 +
*The lower bound is&nbsp; $\underline {0.25 \cdot 10^{\rm -6}}$,&nbsp; which is smaller by a factor of&nbsp; $4$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^3.3 Kanalverzerrungen und Entzerrung^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^3.3 Channel Distortion and Equalization^]]

Latest revision as of 14:06, 28 June 2022

Normalized system parameters for different cutoff frequencies

We consider a redundancy-free binary transmission system with the following specifications:

  • The transmission pulses are NRZ rectangular and have energy  $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$.
  • The channel is a coaxial cable with characteristic cable attenuation  $a_* = 40 \, {\rm dB}$.
  • AWGN noise with (one-sided) noise power density  $N_0 = 0.0001 \cdot E_{\rm B}$  is present.
  • The receiver frequency response  $H_{\rm E}(f)$  includes an ideal channel equalizer  $H_{\rm K}^{\rm -1}(f)$  and a Gaussian low-pass filter  $H_{\rm G}(f)$  with cutoff frequency  $f_{\rm G}$  for noise power limitation.


The table shows the eye opening   $\ddot{o}(T_{\rm D})$   as well as the detection noise rms value   $\sigma_{\rm d}$   – each normalized to the transmitted amplitude  $s_0$  – for different cutoff frequencies  $f_{\rm G}$.  The cutoff frequency is to be chosen such that the worst-case error probability is as small as possible,  with the following definition:

$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d} \right) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}\right)$$
  • This quantity represents an upper bound for the mean error probability   $p_{\rm S} \le p_{\rm U}$.
  • For  $f_{\rm G} \cdot T ≥ 0.4$,  a lower bound can also be given:   $p_{\rm S} \ge p_{\rm U}/4$.


Notes:



Questions

1

Within the given grid,  determine the optimal cutoff frequency with respect to the  "worst-case error probability"  criterion.

$f_\text{G, opt} \cdot T \ = \ $

2

What values does this give for the  "worst-case signal-to-noise ratio"  and the worst-case error probability?

$f_\text{G} = \text{G, opt:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} \ = \ $

${\ \rm dB}$
$\hspace{4.07cm}p_{\rm U} \ = \ $

$\ \rm \%$

3

To what value would we need to reduce the noise power density  $N_0$  (with respect to signal energy)  so that  $p_{\rm U}$  is not greater than  $10^{\rm -6}$?

$N_0/E_{\rm B} \ = \ $

$\ \cdot 10^{\rm -5}$

4

For the assumptions made in  (3),  give a lower and an upper bound for the  "average error probability"   $p_{\rm S}$. 

$p_\text{ S, min}\hspace{0.02cm} \ = \ $

$\ \cdot 10^{\rm -6}$
$p_\text{ S, max} \ = \ $

$\ \cdot 10^{\rm -6}$


Solution

(1)  For the optimization it is sufficient to maximize the quotient  $\ddot{o}(T_{\rm D})/\sigma_d$:

  • This is maximized from the values given in the table for the cutoff frequency  $f_{\rm G, opt} \cdot T \underline {= 0.4}$  with  $0.735/0.197 \approx 3.73$.
  • As a comparison:   For  $f_{\rm G} \cdot T = 0.3$  the result is  $0.192/0.094 \approx 2.04$  due to the smaller eye opening.
  • For  $f_{\rm G} \cdot T = 0.5$  the quotient is also smaller than for the optimum:  $1.159/0.379 \approx 3.05$.
  • An even larger cutoff frequency leads to a very large noise rms value without simultaneously increasing the vertical eye opening in the same way.


(2)  Using the result from  (1),  we further obtain:

$$\rho_{\rm U} = \left ( {3.73}/{2} \right )^2 \approx 3.48 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} \hspace{0.15cm}\underline { = 5.41\,{\rm dB}}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q}\left ( {3.73}/{2} \right) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.031} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  With the given  $10 \cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 40 \ \rm dB$,  i.e. $E_{\rm B}/N_0 = 10^4$,  the worst-case signal-to-noise ratio has been found to be  $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} \approx 5.41 \, {\rm dB}$.

  • However,  for the worst-case error probability  $p_{\rm U} = 10^{\rm -6}$   ⇒   $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} > 13.55 \, {\rm dB}$  must be obtained.
  • This is achieved by increasing the quotient  $E_{\rm B}/N_0$  accordingly:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} = 40\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}13.55\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}5.41\,{\rm dB}= 48.14\,{\rm dB}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {E_{\rm B}}/{N_0} = 10^{4.814}\approx 65163 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {N_0}/{E_{\rm B}}\hspace{0.15cm}\underline { = 1.53 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$


(4) 

  • The upper bound  for $p_{\rm S}$  is equal to the worst-case error probability  $p_{\rm U} = \underline {10^{\rm -6}}$.
  • The lower bound is  $\underline {0.25 \cdot 10^{\rm -6}}$,  which is smaller by a factor of  $4$.