Difference between revisions of "Mobile Communications/Statistical Bindings within the Rayleigh Process"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Zeitvariante Übertragungskanäle
+
|Untermenü=Time variant transmission channels
|Vorherige Seite=Wahrscheinlichkeitsdichte des Rayleigh–Fadings
+
|Vorherige Seite=Probability Density of Rayleigh Fading
|Nächste Seite=Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente
+
|Nächste Seite=Non-Frequency Selective Fading With Direct Component
 
}}
 
}}
  
== Einige allgemeine Bemerkungen zu AKF und LDS ==
+
== Some general remarks on ACF and PSD ==
 
<br>
 
<br>
Zur Beschreibung der inneren statistischen Bindungen zwischen den benachbarten Signalwerten <i>r</i>(<i>t</i>) und <i>r</i>(<i>t</i> + &Delta;<i>t</i>) eignet sich die [http://en.lntwww.de/Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Autokorrelationsfunktion_bei_ergodischen_Prozessen_.282.29 Autokorrelationsfunktion] (AKF):
+
The correlation between&nbsp; $r(t)$&nbsp; and&nbsp; $r(t+ \Delta t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Auto-correlation_function_for_stationary_and_ergodic_processes|$\text{auto-correlation function}$]] &nbsp; $\rm (ACF)$ is suitable for describing the inner statistical dependencies between the neighboring signal values:
  
:<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\left [ r(t) \cdot r^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\right ]
+
::<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ r(t) \cdot r^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Gegenüber der Definition unter obigem Link sind folgende Unterschiede zu erkennen:
+
Compared to the definition under the link above, the following differences can be seen:
*Die AKF&ndash;Variable ist hier mit &Delta;<i>t</i> anstelle von <i>&tau;</i> bezeichnet, da wir in diesem Buch das &bdquo;<i>&tau;</i>&rdquo; noch für die 2D&ndash;Impulsantwort <i>h</i>(<i>t</i>, <i>&tau;</i>) benötigen.<br>
+
*The ACF variable is here marked with&nbsp; $\Delta t$&nbsp; instead of&nbsp; $\tau$&nbsp; because in this book we need $\tau$ still for the 2D impulse response&nbsp; $h(t, \hspace{0.05cm}\tau)$&nbsp;.<br>
  
*Das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal <i>r</i>(<i>t</i>) ist komplex. Durch den Faktor 1/2 bezieht sich aber die AKF <i>&phi;<sub>r</sub></i>(&Delta;<i>t</i>) und insbesondere die Leistung <i>&phi;<sub>r</sub></i>(&Delta;<i>t</i> = 0) auf das Bandpass&ndash;Signal <i>r</i><sub>BP</sub>(<i>t</i>).<br><br>
+
*The equivalent low-pass signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; is complex. &nbsp; By the factor&nbsp; $1/2$&nbsp; however, the ACF&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t)$&nbsp; and especially the power&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t = 0)$&nbsp; refer to the (real) band-pass signal&nbsp; $r_{\rm BP}(t)$.<br><br>
  
Beim <i>Rayleigh&ndash;Fading</i>&ndash;Kanalmodell gilt <i>r</i>(<i>t</i>) = <i>s</i>(<i>t</i>)&nbsp;·&nbsp;<i>z</i>(<i>t</i>). Damit ergibt sich für dessen AKF:
+
Applying the Rayleigh fading channel model &nbsp; &rArr; &nbsp; $r(t) = s(t) \cdot z(t)$&nbsp; results for its ACF:
  
:<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\left [ s(t) \cdot z(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\right ] = \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm}.</math>
+
::<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot z(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] = \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm}.</math>
  
Für die AKF von Sendesignal  <i>s</i>(<i>t</i>) und multiplikativem Faktor  <i>z</i>(<i>t</i>) gelten folgende Definitionen:
+
For the ACF of the transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; and the multiplicative factor&nbsp; $z(t)$&nbsp; the following definitions apply:
  
:<math> \varphi_s ({\rm \Delta}t) \hspace{-0.1cm}  = \hspace{-0.1cm} {1}/{2} \cdot {\rm E}\left [ s(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\right ]
+
::<math> \varphi_s ({\rm \Delta}t)= {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
 
  \hspace{0.05cm},</math>
 
  \hspace{0.05cm},</math>
:<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) \hspace{-0.1cm}  = \hspace{-0.1cm}   {\rm E}\left [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\right ]\hspace{0.05cm}.</math>
+
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]\hspace{0.05cm}.</math>
  
Der Faktor 1/2 ist nur bei der AKF&ndash;Berechnung von BP&ndash;Signalen im äquivalenten TP&ndash;Bereich zu berücksichtigen, nicht jedoch bei <i>&phi;<sub>z</sub></i>(Δ<i>t</i>). Ansonsten würde sich <i>&phi;<sub>r</sub></i>(&Delta;<i>t</i>) &ne; <i>&phi;<sub>s</sub></i>(&Delta;<i>t</i>) · <i>&phi;<sub>z</sub></i>(&Delta;<i>t</i>) ergeben.<br>
+
The factor&nbsp; $1/2$&nbsp; is only to be considered for the ACF calculation of band-pass signals in the equivalent low-pass range, but not for&nbsp; $\varphi_z ({\rm \Delta}t)$. &nbsp; Otherwise&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t) \ne \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)$&nbsp; would result.<br>
  
Aufgrund der Definition <i>&phi;<sub>z</sub></i>(&Delta;<i>t</i>) = E[<i>z</i>(<i>t</i>) · <i>z</i>*(<i>t</i> + &Delta;<i>t</i>)] ist die AKF auch bei einer komplexen Zeitfunktion <i>z</i>(<i>t</i>) stets reell und zudem bezüglich &Delta;<i>t</i> gerade. Berücksichtigen wir weiterhin, dass
+
Based on the definition of&nbsp; $\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]$&nbsp; the ACF is always real even with a complex time function&nbsp; $z(t)$&nbsp; and also with respect to&nbsp; $ {\rm \Delta}t$&nbsp; even. &nbsp; Let us further consider that
*<i>z</i>(<i>t</i>) = <i>x</i>(<i>t</i>) + j &middot; <i>y</i>(<i>t</i>) ist,<br>
+
*$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $&nbsp;,<br>
  
*<i>x</i>(<i>t</i>) und <i>y</i>(<i>t</i>) gleiche statistische Eigenschaften aufweisen, und<br>
+
*$x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; have the same statistical properties, and<br>
  
*es zwischen <i>x</i>(<i>t</i>) und <i>y</i>(<i>t</i>) keine statistischen Bindungen gibt,<br><br>
+
*that no statistical dependencies exist between&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; ,<br><br>
  
so lässt sich für die AKF des komplexen Faktors  <i>z</i>(<i>t</i>) schreiben:
+
so the ACF of the complex factor&nbsp; $z(t)$&nbsp; can be written as:
 
+
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_x ({\rm \Delta}t) + \varphi_y ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)  
:<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_x ({\rm \Delta}t) + \varphi_y ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)  
 
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Daraus ergibt sich folgende Vereinfachung:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
*Zur Ermittlung der statistischen Bindungen der komplexen Größe <i>z</i>(<i>t</i>) muss nur einer der beiden Gaußschen Zufallsprozesse betrachtet werden. Im Folgenden sei dies <i>x</i>(<i>t</i>).<br>
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; This results in the following simplification:
 +
*To determine the statistical dependencies of the complex variable&nbsp; $z(t)$&nbsp; only one of the two Gaussian processes must be considered.&nbsp; In the following, this is&nbsp; $x(t)$.
  
*Wir berechnen zuerst die Autokorrelationsfunktion <i>&phi;<sub>x</sub></i>(&Delta;<i>t</i>) = E[<i>x</i>(<i>t</i>) · <i>x</i>(<i>t</i> + &Delta;<i>t</i>)] des Realteils und anschließend auch dessen Leistungsdichtespektrum (LDS)
+
*We first calculate the auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$&nbsp; $\varphi_x ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big[x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\big]$&nbsp; of the real part and then its power-spectral density&nbsp; $\rm (PSD)$&nbsp;
  
 
::<math>{\it \Phi}_x (f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty}  \varphi_x ({\rm \Delta}t) \cdot  
 
::<math>{\it \Phi}_x (f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty}  \varphi_x ({\rm \Delta}t) \cdot  
  {\rm exp} [ -{\rm j} \cdot 2 \pi \cdot f_{\rm D} \cdot {\rm \Delta}t] \hspace{0.15cm}{\rm d}({\rm \Delta}t)
+
  {\rm e}^{ -- {\rm j \cdot 2 \pi} \cdot f_{\rm D} \cdot {\rm \Delta}t } \hspace{0.15cm}{\rm d}( {\rm \Delta}t)
  \hspace{0.3cm}  \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \hspace{0.3cm} \varphi_x ({\rm \Delta}t)   
+
  \hspace{0.3cm}  \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \hspace{0.3cm} \varphi_x ({\rm \Delta}t)   
  \hspace{0.05cm}.</math>
+
  \hspace{0.05cm}.
 +
</math>
  
*Für die entsprechenden Kenngrößen des komplexen Zufallsprozesses <i>z</i>(<i>t</i>) gilt dann:
+
*For the corresponding parameters of the complex random process&nbsp; $z(t)$&nbsp; we have:
  
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
Line 58: Line 58:
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Die LDS&ndash;Variable ist die Dopplerfrequenz <i>f</i><sub>D</sub>, da beim Mobilfunk der <i>Dopplereffekt</i> die Ursache der statistischen Bindungen ist. Dieser Effekt wird auf der nächsten Seite erläutert.
+
*The&nbsp; $\rm PSD$&nbsp;  variable is the&nbsp; [[Mobile_Communications/Statistical_Bindings_within_the_Rayleigh_Process#Doppler_frequency_and_its_distribution|$\text{Doppler frequency}$]]&nbsp; $f_{\rm D}$, because in mobile radio the so-called&nbsp; "Doppler effect"&nbsp; is the cause of the statistical dependencies. }}
  
== Phänomenologische Beschreibung des Dopplereffektes (1) ==
 
<br>
 
Die statistischen Bindungen innerhalb der reellen &bdquo;Signale&rdquo; <i>x</i>(<i>t</i>) und  <i>y</i>(<i>t</i>) bzw. innerhalb der komplexen Größe <i>z</i>(<i>t</i>) sind auf den Dopplereffekt zurückzuführen. Dieser wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von dem österreichischen Mathematiker, Physiker und Astronomen Christian Andreas Doppler theoretisch vorhergesagt und nach ihm benannt.<br>
 
  
{{Definition}}''':''' Als Dopplereffekt bezeichnet man die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz von Wellen jeder Art, die sich dann ergibt, wenn sich Quelle (Sender) und Beobachter (Empfänger) relativ zueinander bewegen.{{end}}<br>
+
This effect is explained in the next section.
  
Qualitativ lässt sich der Dopplerreffekt wie folgt beschreiben:
+
== Phenomenological description of the Doppler effect==
*Nähern sich Beobachter und Quelle einander an, so erhöht sich aus Sicht des Beobachters die Frequenz, egal, ob sich der Beobachter bewegt oder die Quelle oder beide.<br>
+
<br>
 +
The statistical dependencies within the real signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; or within the complex quantity&nbsp; $z(t)$&nbsp; are due to the Doppler effect.&nbsp; This was predicted theoretically in the middle of the 19th century by the Austrian mathematician, physicist and astronomer&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Christian_Doppler $\text{Christian Andreas Doppler}$]&nbsp; and named after him.<br>
  
*Entfernt sich die Quelle vom Beobachter oder der Beobachter von der Quelle, so nimmt der Beobachter eine niedrigere Frequenz wahr, als tatsächlich gesendet wurde.<br><br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; The&nbsp; &raquo;'''Doppler effect'''&laquo;&nbsp; refers to the change in the perceived frequency of waves of any kind that occurs when the source (transmitter) and observer (receiver) move relative to each other.}}<br>
  
{{Beispiel}}''':''' Wir betrachten die Tonhöhenänderung des <i>Martinhorns</i> eines Rettungswagens. Solange sich das Fahrzeug nähert, hört der Beobachter einen höheren Ton als bei stehendem Wagen. Entfernt sich der Rettungswagen, so wird ein tieferer Ton wahrgenommen.<br>
+
Qualitatively, the Doppler effect can be described as follows:
 +
*If the observer and source approach each other, the frequency increases from the observer's point of view, regardless of whether the observer is moving or the source or both.
  
Den gleichen Effekt stellt man auch bei einem <i>Autorennen</i> fest. Die Frequenzänderungen und der &bdquo;Sound&rdquo; sind dabei um so deutlicher, je schneller die Autos fahren.{{end}}<br>
+
*If the source moves away from the observer or the observer moves away from the source, the observer perceives a lower frequency than that actually transmitted.<br><br>
  
Den Sachverhalt kann man sich in diesem Lerntutorial mit dem Interaktionsmodul [[Dopplereffekt Please add file and don't upload flash videos.]] verdeutlichen. Einige Eigenschaften dieses noch aus dem Physikunterricht bekannten Effekts sollen nun anhand von Bildschirmabzügen aus dieser Flash&ndash;Animation dargestellt werden, wobei natürlich die dynamischen Programmeigenschaften verloren gehen.<br>
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; We look at the pitch change of the&nbsp; "Martinhorn"&nbsp; of an ambulance.&nbsp; As long as the vehicle approaches, the observer hears a higher tone than when the car is stationary.&nbsp; When the ambulance moves away, a lower tone is perceived.<br>
  
[[File:P ID2113 Mob T 1 3 S2a v1.png|Zum Dopplereffekt: Ruhender Sender und ruhender Empfänger|class=fit]]<br>
+
The same effect can be seen with a&nbsp; car racing&nbsp; note.&nbsp; The frequency changes and the sound are the more obvious the faster the cars are going.}}<br>
  
Die Grafik zeigt die Ausgangssituation. Der ruhende Sender (S) gibt eine konstante Frequenz <i>f</i><sub>S</sub> ab. Die Wellenausbreitung ist in der Grafik durch konzentrische Kreise um (S) veranschaulicht. Beim ebenfalls ruhenden Empfänger (E) kommt dann natürlich die Frequenz <i>f</i><sub>E</sub> = <i>f</i><sub>S</sub> an.<br>
+
In this learning tutorial you can illustrate the subject matter with the interactive applet&nbsp; [[Applets:The_Doppler_Effect|"The Doppler Effect"]]&nbsp;.
  
Die phänomenologische Erklärung des Dopplereffektes wird auf der nächsten Seite fortgesetzt.<br>
+
[[File:P ID2113 Mob T 1 3 S2a v1.png|right|frame|Initial situation:&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; and&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; are not moving|class=fit]]
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
Some properties of this effect, which is still known from physics lessons, will now be shown by means of snapshots of an earlier version of the above mentioned animation, where the dynamic program properties are of course lost.<br>
  
== Phänomenologische Beschreibung des Dopplereffektes (2) ==
+
The first diagram shows the initial situation:
 +
*The stationary station&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; outputs the constant frequency&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp;.
 +
*The wave propagation is illustrated in the diagram by concentric circles around&nbsp; $\rm (S)$&nbsp;.
 +
*If the receiver&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; is also at rest, the frequency&nbsp; $f_{\rm E} = f_{\rm S}$&nbsp; is then perceived.}}
 
<br>
 
<br>
[[File:P ID2114 Mob T 1 3 S2b v2.png|rahmenlos|rechts|Zum Dopplereffekt: Sender bewegt sich auf den ruhenden Empfänger zu]]
 
  
Der nächste Schnappschuss zeigt den Fall, dass sich der Sender (S) mit konstanter Geschwindigkeit <i>&upsilon;</i> von seinem Startpunkt <i>S</i><sub>0</sub> auf den Empfänger (E) zu bewegt hat.<br>
+
[[File:P ID2114 Mob T 1 3 S2b v2.png|right|frame|Doppler effect: $\rm (S)$ moves towards resting $\rm (E)$]]
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp; The next snapshot shows the case where the transmitter&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; has moved at constant speed&nbsp; $v$&nbsp; from its starting point&nbsp; $\rm (S_0)$&nbsp; towards the receiver&nbsp; $\rm (E)$.&nbsp; <br>
 +
*The right diagram shows that the frequency&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; (blue oscillation) perceived by the receiver is larger by about&nbsp; $20\%$&nbsp; than the frequency&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; at the transmitter (red oscillation).
 +
*Due to the movement of the transmitter, the circles are no longer concentric.
  
Das Diagramm zeigt, dass die vom Empfänger wahrgenommene Frequenz <i>f</i><sub>E</sub> (blaue Schwingung) um etwa 20% größer ist als die Frequenz <i>f</i><sub>S</sub> am Sender (rote Schwingung). Aufgrund der Bewegung des Senders sind nun die Kreise nicht mehr konzentrisch.<br><br><br><br>
+
[[File:P ID2115 Mob T 1 3 S2c v2.png|left|frame|Doppler effect: $\rm (S)$ moves away from resting $\rm (E)$ ]]
 
+
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
[[File:P ID2115 Mob T 1 3 S2c v2.png|rahmenlos|links|Zum Dopplereffekt: Sender entfernt sich vom ruhenden Empfänger ]]
+
* The scenario shown on the left results when the transmitter&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; moves away from the receiver&nbsp; $\rm (E)$.&nbsp; &nbsp; Then the received frequency&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; (blue oscillation) is about&nbsp; $20\%$&nbsp; smaller than the transmitted frequency&nbsp; $f_{\rm S}$.<br>}}
 
+
<br clear=all>
<br>Die zweite Szenerie ergibt sich, wenn sich der Sender (S) vom Empfänger entfernt. Dann ist die Empfangsfrequenz <i>f</i><sub>E</sub> (blaue Schwingung) um etwa 20% kleiner als die gesendete Frequenz <i>f</i><sub>S</sub>.<br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 
+
$\text{However, the following must be taken into account:}$&nbsp;
Diese Angaben gelten für unrealistisch große Geschwindigkeit (<i>&upsilon;</i> = <i>c</i>/5). Beim Mobilfunk sind die Abweichungen zwischen <i>f</i><sub>S</sub> und <i>f</i><sub>E</sub> meist nur ein Bruchteil der Sendefrequenz.
+
*All these figures apply to unrealistically high speed&nbsp; $(v = c/5)$, where&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$&nbsp; indicates the speed of light.&nbsp; In mobile radio, the deviations between&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; are usually only a fraction of the transmission frequency.
 
+
*The exact equation for the receiving frequency&nbsp; $f_{\rm E}$,&nbsp; including an angle&nbsp; $\alpha$&nbsp; between the direction of movement and the connecting line transmitter&ndash;receiver, is
<br>Die exakte Gleichung für die Empfangsfrequenz <i>f</i><sub>E</sub> unter Einbeziehung eines Winkels <i>&alpha;</i> zwischen der Bewegungsrichtung und der Verbindungslinie Sender&ndash;Empfänger lautet:
+
::<math>f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}  
 
 
:<math>f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2}}{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}  \hspace{0.3cm}{\rm mit }\hspace{0.3cm} c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}{\rm Lichtgeschwindigkeit}
 
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 +
*As the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_1.4Z:_On_the_Doppler_Effect|"Exercise 1.4Z"]]&nbsp; will show:&nbsp; One can assume at realistic speeds&nbsp; $(v \ll c)$&nbsp; the following approximation, in which the effects described by the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_relativity $\text{Theory of Relativity}$]&nbsp; are disregarded:
 +
::<math>f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.05cm}.</math>}}
  
Wie in Aufgabe Z1.4 gezeigt werden soll, kann man bei realistischen Geschwindigkeiten (<i>&upsilon;</i> << <i>c</i>) von der folgenden Näherung ausgehen, bei der die durch die Relativitätstheorie beschriebenen Effekte unberücksichtigt bleiben:
+
== Doppler frequency and its distribution==
 
 
:<math>f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \left [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \right ] \hspace{0.05cm}.</math>
 
 
 
Wir weisen Sie noch auf das folgende Interaktionsmodul hin:<br>
 
[[Zur Verdeutlichung des Dopplereffekts. Please add link and do not upload flash videos]]<br>
 
 
 
== Dopplerfrequenz und deren Verteilung (1) ==
 
 
<br>
 
<br>
Wir fassen die Aussagen der letzten Seite nochmals kurz zusammen, wobei wir von der zweiten, also der nichtrelativistischen Gleichung ausgehen:
+
We summarize the statements of the last section briefly, whereby we start from the second, i.e. the non&ndash;relativistic equation:
*Bei einer Relativbewegung zwischen Sender (Quelle) und Empfänger (Beobachter) kommt es zu einer Frequenzverschiebung um die Dopplerfrequenz <i>f</i><sub>D</sub> = <i>f</i><sub>E</sub> &ndash; <i>f</i><sub>S</sub>.<br>
+
*A relative movement between transmitter (source) and receiver (observer) results in a shift by the Doppler frequency&nbsp; $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S}$.  
  
*Eine positive Dopplerfrequenz (<i>f</i><sub>E</sub> > <i>f</i><sub>S</sub>) ergibt sich dann, wenn sich Sender und Empfänger (relativ) aufeinander zu bewegen. Eine negative Dopplerfrequenz (<i>f</i><sub>E</sub> < <i>f</i><sub>S</sub>) bedeutet, dass sich Sender und Empfänger (direkt oder unter einem Winkel) voneinander entfernen.<br>
+
*A positive Doppler frequency&nbsp; $(f_{\rm E} > f_{\rm S})$&nbsp; results when transmitter and receiver&nbsp; move (relative)&nbsp; towards each other.&nbsp; A negative Doppler frequency&nbsp; $(f_{\rm E} < f_{\rm S})$&nbsp; means that transmitter and receiver&nbsp; move away from each other&nbsp;  (directly or at an angle).<br>
  
*Die maximale Frequenzverschiebung tritt auf, wenn sich Sender und Empfänger direkt aufeinander zu bewegen (&#8658; Winkel <i>&alpha;</i> = 0°). Dieser Maximalwert hängt in erster Näherung von der Sendefrequenz <i>f</i><sub>S</sub> und der Geschwindigkeit <i>&upsilon;</i> ab (<i>c</i> ist die Lichtgeschwindigkeit):
+
*The maximum frequency shift occurs when transmitter and receiver move directly towards each other &nbsp; &#8658; &nbsp; angle&nbsp; $\alpha = 0^\circ$. &nbsp; This maximum value depends&nbsp; (first approximation)&nbsp; on the transmission frequency&nbsp; $ f_{\rm S}$&nbsp; and the speed&nbsp; $v$ &nbsp; $(c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$&nbsp; indicates the speed of light$)$:
  
 
::<math>f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = f_{\rm S} \cdot  {v}/{c}  \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = f_{\rm S} \cdot  {v}/{c}  \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Erfolgt die Relativbewegung unter einem beliebigen Winkel <i>&alpha;</i> zu der Verbindungslinie Sender&ndash;Empfänger, so entsteht eine Dopplerverschiebung um
+
*If the relative movement takes place at any angle&nbsp; $\alpha$&nbsp; to the connecting line transmitter&ndash;receiver, then the Doppler shift is
  
 
::<math>f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha)   
 
::<math>f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha)   
Line 127: Line 129:
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Unter der Annahme gleichwahrscheinlicher Bewegungsrichtungen (Gleichverteilung für den Winkel <i>&alpha;</i> im Bereich &ndash;&pi; &#8804; <i>&alpha;</i> &#8804; +&pi;) ergibt sich für die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Dopplerfrequenz im Bereich –<i>f</i><sub>D,&nbsp;max</sub> &#8804; <i>f</i><sub>D</sub> &#8804; +<i>f</i><sub>D,&nbsp;max</sub>:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; Assuming equal probable directions of motion&nbsp; $($equal distribution for the angle&nbsp; $\alpha$&nbsp; in the range&nbsp; $- \pi \le \alpha \le +\pi)$&nbsp; the probability density function&nbsp; $($here denoted with $\rm wdf$&nbsp; (from the german '''W'''ahrscheinlichkeits'''D'''ichte'''F'''unktion$)$&nbsp; the Doppler frequency in the range&nbsp; $- f_\text{D, max} \le f_{\rm D} \le + f_\text{D, max}$:
  
:<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt {1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
+
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt {1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Außerhalb des Bereichs |<i>f</i><sub>D</sub>|  > <i>f</i><sub>D,&nbsp;max</sub> ist die Wahrscheinlichkeitsdichte identisch 0.<br>
+
Outside the range between&nbsp; $-f_\text{D, max}$&nbsp; and&nbsp; $+f_\text{D, max}$&nbsp; the probability density function always has the value zero.}}
 +
 
  
<br><b>Herleitung:</b>  Die entstehende Dopplerfrequenz in Abhängigkeit des Bewegungswinkels <i>&alpha;</i>  lautet:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Derivation:}$&nbsp; The resulting Doppler frequency depending on the angle of movement&nbsp; $\alpha$&nbsp; is
  
:<math>f_{\rm D} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha) = g(\alpha)  
+
[[File:P ID3103 Mob T 1 3 S3 v2.png|right|frame|To calculate the probability density function&nbsp; $\rm (PDF)$&nbsp; of the Doppler frequency|class=fit]]
 +
::<math>f_{\rm D} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha) = g(\alpha)  
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Wir bezeichnen diese Funktion mit <i>g</i>(<i>&alpha;</i>) und gehen davon aus, dass <i>&alpha;</i> alle Winkelwerte zwischen &plusmn;&pi; mit gleicher Wahrscheinlichkeit annimmt. Dann ergibt sich für die Wahrscheinlichkeit der Dopplerfrequenz entsprechend dem [http://en.lntwww.de/Stochastische_Signaltheorie/Exponentialverteilte_Zufallsgr%C3%B6%C3%9Fen#Transformation_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen Kapitel 3.7] im Buch &bdquo;Stochastische Signaltheorie&rdquo;
+
We refer to this function as&nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; and assume that
 +
*$\alpha$&nbsp; takes all angle values between&nbsp; $\pm \pi$&nbsp;  
 +
*with equal probability &nbsp; &rArr; &nbsp; equal distribution.
 +
 
  
:<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{{\rm wdf}(\alpha)}{\mid g'(\alpha)\mid}\Bigg |_{\hspace{0.1cm} \alpha=h(f_{\rm D})}  
+
Then for the probability of the Doppler frequency according to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables#Transformation_of_random_variables|"Transformation of Random Variables"]]&nbsp; in the book "Stochastic Signal Theory":
 +
 
 +
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{ {\rm wdf}(\alpha)}{\vert g\hspace{0.08cm}'(\alpha)\vert}\Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=h(f_{\rm D})}  
 
  \hspace{0.05cm}</math>
 
  \hspace{0.05cm}</math>
  
mit der Ableitung <i>g</i>'(<i>&alpha;</i>) = &ndash;<i>f</i><sub>D, max</sub> &middot; sin(<i>&alpha;</i>) und der Umkehrfunktion <i>&alpha;</i> = <i>h</i>(<i>f</i><sub>D</sub>). Im betrachteten Beispiel lautet die Umkehrfunktion: <i>&alpha;</i> = arccos(<i>f</i><sub>D</sub>/<i>f</i><sub>D,&nbsp;max</sub>).<br>
+
*with the derivative&nbsp; $g\hspace{0.08cm}'(\alpha)= - f_\text{D, max} \cdot \sin(\alpha)$, and
 +
*the inverse function&nbsp; $ \alpha = h(f_{\rm D})$.  
  
Die  Herleitung wird auf der nächsten Seite fortgesetzt. Diese überspringen?
 
  
== Dopplerfrequenz und deren Verteilung (2) ==
+
In the example the inverse function is
<br>
+
:$$ \alpha = \arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}).$$
Die Grafik veranschaulicht den Rechengang zur Bestimmung der Dopplerfrequenz&ndash;WDF:<br>
 
  
[[File:P ID3103 Mob T 1 3 S3 v2.png|Zur Berechnung der WDF der Dopplerfrequenz|class=fit]]<br>
+
The diagram illustrates the calculation procedure for determining the Doppler frequency's PDF:  
  
*Da die Kennlinie <i>g</i>(<i>&alpha;</i>) = <i>f</i><sub>D,&nbsp;max</sub> &middot cos(<i>&alpha;</i>) zwischen der Dopplerfrequenz <i>f</i><sub>D</sub> und dem Winkel <i>&alpha;</i> auf &plusmn;<i>f</i><sub>D,&nbsp;max</sub> begrenzt ist, ist für <i>f</i><sub>D</sub> kein Wert außerhalb dieses Bereichs möglich.<br>
+
*Since the characteristic curve between the Doppler frequency&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; and the angle&nbsp; $\alpha$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $ g(\alpha) = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \cos(\alpha)$&nbsp; is limited by the value&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$&nbsp; there is for&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; no value  possible outside this range.<br>
  
*Bei der Transformation von Zufallsgrößen muss zwischen Bereichen mit positiver und negativer Steigung der Transformationskennlinie unterschieden werden. Die <i>&alpha;</i>&ndash;Werte zwischen &ndash;&pi; und 0 (positive Steigung der Transformationskennlinie) liefern das Ergebnis
+
*When transforming random variables, a distinction must be made between areas with positive and negative slopes of the transformation's characteristic curve. &nbsp; The&nbsp; $\alpha$&ndash;values between&nbsp; $-\pi$&nbsp; and&nbsp; $0$ &nbsp; $($positive gradient of the transformation characteristic$)$&nbsp; provide the result
  
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})\hspace{-0.1cm}  = \hspace{-0.1cm}\frac{1/(2\pi)}{f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \sin(\alpha)}\Bigg |_{\hspace{0.1cm} \alpha=\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})} = \frac{(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  )^{-1}}{  \sin(\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}))} = </math>
+
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{1/(2\pi)}{f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \sin(\alpha)} \Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})} = \frac{(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  )^{-1} }{  \sin(\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}))} = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
::<math> \hspace{1.5cm}  =  \hspace{-0.1cm}
 
  \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
+
*For reasons of symmetry, the positive&nbsp; $\alpha$&ndash;area contributes in the same way, so that the inner total area is given by
*Aus Symmetriegründen trägt der positive <i>&alpha;</i>&ndash;Bereich in gleicher Weise bei, so dass im inneren Bereich insgesamt gilt:
 
  
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Winkel im Bereich um <i>&alpha;</i> = &plusmn;&pi;/2 führen zu einer kleinen Dopplerfrequenz &nbsp;&#8658;&nbsp; <i>f</i><sub>D</sub> &asymp; 0 (violette Markierung). Aufgrund der relativ großen Steigung der cosinusförmigen Kennlinie <i>g</i>(<i>&alpha;</i>) bei <i>&alpha;</i> = &plusmn;&pi;/2 ist der WDF&ndash;Wert bei <i>f</i><sub>D</sub> &asymp; 0 allerdings sehr klein.<br>
+
*If &nbsp; $\alpha$&nbsp; takes values around&nbsp; $\pm \pi/2$&nbsp; it results in a small Doppler frequency &nbsp; &#8658; &nbsp; $f_{\rm D} \approx 0$ &nbsp; $($violet marking$)$.&nbsp; But, because of the relatively large gradient of the cosine curve &nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; at&nbsp; $\alpha = \pm \pi/2$ &nbsp; the PDF&ndash;value at&nbsp; $f_{\rm D} \approx 0$&nbsp; ist very small. <br>
  
*Kleine Winkel (um <i>&alpha;</i> &asymp; 0) führen dagegen zur maximalen Dopplerfrequenz &nbsp;&#8658;&nbsp; <i>f</i><sub>D</sub> &asymp; <i>f</i><sub>D, max</sub> (rote Markierung). Aufgrund der nahezu horizontalen Kennlinie <i>g</i>(<i>&alpha;</i>) ist hier die <i>f</i><sub>D</sub>&ndash;WDF deutlich größer. Für <i>f</i><sub>D</sub> = <i>f</i><sub>D, max</sub> ergibt sich sogar ein unendlich großer Wert.<br>
+
*Small angles&nbsp; $($around&nbsp; $\alpha \approx 0)$, &nbsp; however, lead to the maximum Doppler frequency &nbsp; &#8658; &nbsp; $f_{\rm D} \approx f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$ &nbsp; $($red marker$)$.&nbsp; Because of the nearly horizontal characteristic curve&nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; here the&nbsp; $f_{\rm D}$&ndash;PDF is clearly larger.&nbsp; For&nbsp; $f_{\rm D} \equiv f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$&nbsp; this even results in an infinitely large value.<br>
  
*Winkel um <i>&alpha;</i> = &plusmn;&pi; führen zur Dopplerfrequenz &nbsp;&#8658;&nbsp; <i>f</i><sub>D</sub> &asymp; &ndash;<i>f</i><sub>D,&nbsp;max</sub> (grüne Markierung). Auch hier ist die Kennlinie nahezu horizontal und es ergibt sich wiederum ein großer WDF&ndash;Wert.<br><br>
+
*On the other hand, if &nbsp; $\alpha$&nbsp; takes values around&nbsp; $\pm \pi$&nbsp; it leads to the Doppler frequency&nbsp; $f_{\rm D} \approx -f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$ &nbsp; $($green marker$)$.&nbsp; Again the characteristic curve is nearly horizontal and this results in a large PDF&ndash;value.}}<br><br>
  
== AKF und LDS bei Rayleigh–Fading ==
+
== ACF and PSD with Rayleigh–Fading ==
 
<br>
 
<br>
Wir setzen nun eine in alle Richtungen gleich abstrahlende Antenne voraus. Dann ist das Doppler&ndash;LDS formgleich mit der WDF der Dopplerfrequenzen. Für <i>&Phi;<sub>x</sub></i>(<i>f</i><sub>D</sub>) muss die WDF noch mit der Leistung <i>&sigma;</i><sup>2</sup> des Gaußprozesses multipliziert werden, und für das resultierende LDS <i>&Phi;<sub>z</sub></i>(<i>f</i><sub>D</sub>) des komplexen Faktors <i>z</i>(<i>t</i>) = <i>x</i>(<i>t</i>) + j &middot; <i>y</i>(<i>t</i>) gilt nach Verdoppelung:
+
We now assume an antenna with the same radiation in all directions; then the Doppler power-spectral density  is identical in shape to the PDF of the Doppler frequencies.  
  
:<math>{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) =
+
For&nbsp; ${\it \Phi}_x(f_{\rm D})$&nbsp; the PDF must still be multiplied by the power&nbsp; $\sigma^2$&nbsp; of the Gaussian process, and the resulting PSD &nbsp; ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$&nbsp; of the complex factor&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $&nbsp; can be written after doubling as:
 +
 
 +
::<math>{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) =
 
\left\{ \begin{array}{c} (2\sigma^2)/( \pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}) \cdot \left [  1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 \right ]^{-0.5} \\
 
\left\{ \begin{array}{c} (2\sigma^2)/( \pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}) \cdot \left [  1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 \right ]^{-0.5} \\
 
0  \end{array} \right.\quad
 
0  \end{array} \right.\quad
Line 185: Line 194:
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Man bezeichnet diesen Verlauf nach W.C. Jakes als das Jakes&ndash;Spektrum. Die Verdoppelung ist notwendig, da wir bisher nur den Beitrag des Realteils <i>x</i>(<i>t</i>) betrachtet haben. Die Verdoppelung ist notwendig, da wir bisher nur den Beitrag des Realteils <i>x</i>(<i>t</i>) betrachtet haben.<br>
+
This process is named after&nbsp; [http://ethw.org/William_C._Jakes,_Jr. $\text{William C. Jakes Jr.}$]&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''Jakes spectrum'''&laquo;.&nbsp; The doubling is necessary, because up to now only the contribution of the real part&nbsp; $x(t)$&nbsp; was considered. <br>
  
Die zugehörige Autokorrelationsfunktion (AKF) erhält man nach [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-r%C3%BCcktransformation#Das_zweite_Fourierintegral Fourierrücktransformation:]
+
The corresponding auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$ is obtained after a&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_second_Fourier_integral|$\text{inverse Fourier transformation}$]]:
  
:<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot {\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},</math>
+
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot {\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},</math>
  
mit der <i>Besselfunktion erster Art und nullter Ordnung</i> (Definition und Reihenentwicklung):
+
with the&nbsp; Bessel function of first kind and zero order&nbsp; $($first equation:&nbsp; definition,&nbsp; second equation:&nbsp; series expansion$)$:
  
:<math>{\rm J }_0 (u) = \frac{1}{ 2\pi} \cdot  \int_{0}^{2\pi} {\rm e }^{- {\rm j }\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}u \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\cos(\alpha)} \,{\rm d} \alpha \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}
+
::<math>{\rm J }_0 (u) = \frac{1}{ 2\pi} \cdot  \int_{0}^{2\pi} {\rm e }^{- {\rm j }\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}u \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\cos(\alpha)} \,{\rm d} \alpha \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}
 
  \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{(-1)^k \cdot (u/2)^{2k}}{k! \cdot \Gamma (k+1)}
 
  \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{(-1)^k \cdot (u/2)^{2k}}{k! \cdot \Gamma (k+1)}
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
[[Besselfunktion erster Art und nullter Ordnung Please add link and do not upload flash videos]] (Interaktionsmodul)<br>
+
The numerical values of this function can be obtained with the&nbsp; [[Applets:Bessel functions of the first kind|"applet of the same name"]]. <br>
 +
 
 +
[[File:P_ID2117__Mob_T_1_3_S4_v2.png|right|frame|Doppler power-spectral density and time function (magnitude in dB) for Rayleigh fading with Doppler effect]]
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp; Shown on the left is the Jakes spectrum 
 +
*for&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 50 \ \ \rm Hz$&nbsp; (blue curve) as well as
 +
*for&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 100 \ \rm Hz$&nbsp; (red curve).
 +
 +
 
 +
For&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM#Emergence_and_history_of_GSM|$\text{GSM 900}$]]&nbsp; $(f_{\rm S} = 900 \ \rm MHz)$&nbsp; these values correspond to the speeds&nbsp; $v = 60 \ \rm  km/h$&nbsp; and&nbsp; $v = 120 \ \rm  km/h$,&nbsp; respectively.
  
{{Beispiel}}''':''' Die Grafik zeigt links das Jakes&ndash;Spektrum für die maximale Dopplerfrequenz  50 Hz (blaue Kurve) bzw. für <i>f</i><sub>D, max</sub> = 100 Hz (rote Kurve). Beim GSM&ndash;D&ndash;Netz (<i>f</i><sub>S</sub> = 900 MHz) entspricht dies den Fahrzeuggeschwindigkeiten <i>&upsilon;</i> = 60 km/h bzw. <i>&upsilon;</i> = 120 km/h. Beim E&ndash;Netz (<i>f</i><sub>S</sub> = 1800 MHz) sind die entsprechenden Geschwindigkeiten nur halb so groß.<br>
+
For&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM#Emergence_and_history_of_GSM|$\text{GSM 1800}$]]&nbsp; $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz)$&nbsp; these values apply to half as high speeds: &nbsp; $v = 30 \ \ \rm km/h$&nbsp; and&nbsp; $v = 60 \ \rm km/h$,&nbsp; resp.  
  
[[File:P ID2117 Mob T 1 3 S4 v2.png|Doppler–LDS und Zeitfunktion (Betrag in dB) bei Rayleigh-Fading mit Dopplereffekt|class=fit]]<br>
+
The right diagram shows the logarithmic absolute value of&nbsp; $z(t)$:  
 +
*For example you can see the twice as fast fading of the red curve.  
 +
*The Rayleigh PDF (amplitude distribution) is independent of&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max}$&nbsp; and therefore the same for both cases.}}<br>
  
Das rechte Bild zeigt den logarithmierten Betrag von <i>z</i>(<i>t</i>). Man erkennt das doppelt so schnelle Fading des roten Kurvenverlaufs. Die Rayleigh&ndash;WDF ist in beiden Fällen gleich.{{end}}<br>
 
  
==Aufgaben==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:1.4 Rayleigh–WDF, Jakes–LDS|A1.4 Rayleigh–WDF, Jakes–LDS]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.4: Rayleigh PDF and Jakes PDS]]
  
[[Zusatzaufgaben:1.4 Zum Dopplereffekt]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.4Z: On the Doppler Effect]]
  
[[Aufgaben:1.5 Nachbildung des Jakes–Spektrums|A1.5 Nachbildung des Jakes–Spektrums]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.5: Reconstruction of the Jakes Spectrum]]
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 14:31, 29 January 2023

Some general remarks on ACF and PSD


The correlation between  $r(t)$  and  $r(t+ \Delta t)$   ⇒   $\text{auto-correlation function}$   $\rm (ACF)$ is suitable for describing the inner statistical dependencies between the neighboring signal values:

\[\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ r(t) \cdot r^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] \hspace{0.05cm}.\]

Compared to the definition under the link above, the following differences can be seen:

  • The ACF variable is here marked with  $\Delta t$  instead of  $\tau$  because in this book we need $\tau$ still for the 2D impulse response  $h(t, \hspace{0.05cm}\tau)$ .
  • The equivalent low-pass signal  $r(t)$  is complex.   By the factor  $1/2$  however, the ACF  $\varphi_r ({\rm \Delta}t)$  and especially the power  $\varphi_r ({\rm \Delta}t = 0)$  refer to the (real) band-pass signal  $r_{\rm BP}(t)$.

Applying the Rayleigh fading channel model   ⇒   $r(t) = s(t) \cdot z(t)$  results for its ACF:

\[\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot z(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] = \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm}.\]

For the ACF of the transmitted signal  $s(t)$  and the multiplicative factor  $z(t)$  the following definitions apply:

\[ \varphi_s ({\rm \Delta}t)= {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] \hspace{0.05cm},\]
\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]\hspace{0.05cm}.\]

The factor  $1/2$  is only to be considered for the ACF calculation of band-pass signals in the equivalent low-pass range, but not for  $\varphi_z ({\rm \Delta}t)$.   Otherwise  $\varphi_r ({\rm \Delta}t) \ne \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)$  would result.

Based on the definition of  $\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]$  the ACF is always real even with a complex time function  $z(t)$  and also with respect to  $ {\rm \Delta}t$  even.   Let us further consider that

  • $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $ ,
  • $x(t)$  and  $y(t)$  have the same statistical properties, and
  • that no statistical dependencies exist between  $x(t)$  and  $y(t)$  ,

so the ACF of the complex factor  $z(t)$  can be written as:

\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_x ({\rm \Delta}t) + \varphi_y ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t) \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Conclusion:}$  This results in the following simplification:

  • To determine the statistical dependencies of the complex variable  $z(t)$  only one of the two Gaussian processes must be considered.  In the following, this is  $x(t)$.
  • We first calculate the auto-correlation function  $\rm (ACF)$  $\varphi_x ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big[x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\big]$  of the real part and then its power-spectral density  $\rm (PSD)$ 
\[{\it \Phi}_x (f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} \varphi_x ({\rm \Delta}t) \cdot {\rm e}^{ -- {\rm j \cdot 2 \pi} \cdot f_{\rm D} \cdot {\rm \Delta}t } \hspace{0.15cm}{\rm d}( {\rm \Delta}t) \hspace{0.3cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \hspace{0.3cm} \varphi_x ({\rm \Delta}t) \hspace{0.05cm}. \]
  • For the corresponding parameters of the complex random process  $z(t)$  we have:
\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\it \Phi}_z (f_{\rm D}) = 2 \cdot {\it \Phi}_x (f_{\rm D}) \hspace{0.05cm}.\]
  • The  $\rm PSD$  variable is the  $\text{Doppler frequency}$  $f_{\rm D}$, because in mobile radio the so-called  "Doppler effect"  is the cause of the statistical dependencies.


This effect is explained in the next section.

Phenomenological description of the Doppler effect


The statistical dependencies within the real signals  $x(t)$  and  $y(t)$  or within the complex quantity  $z(t)$  are due to the Doppler effect.  This was predicted theoretically in the middle of the 19th century by the Austrian mathematician, physicist and astronomer  $\text{Christian Andreas Doppler}$  and named after him.

$\text{Definition:}$  The  »Doppler effect«  refers to the change in the perceived frequency of waves of any kind that occurs when the source (transmitter) and observer (receiver) move relative to each other.


Qualitatively, the Doppler effect can be described as follows:

  • If the observer and source approach each other, the frequency increases from the observer's point of view, regardless of whether the observer is moving or the source or both.
  • If the source moves away from the observer or the observer moves away from the source, the observer perceives a lower frequency than that actually transmitted.

$\text{Example 1:}$  We look at the pitch change of the  "Martinhorn"  of an ambulance.  As long as the vehicle approaches, the observer hears a higher tone than when the car is stationary.  When the ambulance moves away, a lower tone is perceived.

The same effect can be seen with a  car racing  note.  The frequency changes and the sound are the more obvious the faster the cars are going.


In this learning tutorial you can illustrate the subject matter with the interactive applet  "The Doppler Effect" .

Initial situation:  $\rm (S)$  and  $\rm (E)$  are not moving

$\text{Example 2:}$  Some properties of this effect, which is still known from physics lessons, will now be shown by means of snapshots of an earlier version of the above mentioned animation, where the dynamic program properties are of course lost.

The first diagram shows the initial situation:

  • The stationary station  $\rm (S)$  outputs the constant frequency  $f_{\rm S}$ .
  • The wave propagation is illustrated in the diagram by concentric circles around  $\rm (S)$ .
  • If the receiver  $\rm (E)$  is also at rest, the frequency  $f_{\rm E} = f_{\rm S}$  is then perceived.


Doppler effect: $\rm (S)$ moves towards resting $\rm (E)$

$\text{Example 3:}$  The next snapshot shows the case where the transmitter  $\rm (S)$  has moved at constant speed  $v$  from its starting point  $\rm (S_0)$  towards the receiver  $\rm (E)$. 

  • The right diagram shows that the frequency  $f_{\rm E}$  (blue oscillation) perceived by the receiver is larger by about  $20\%$  than the frequency  $f_{\rm S}$  at the transmitter (red oscillation).
  • Due to the movement of the transmitter, the circles are no longer concentric.
Doppler effect: $\rm (S)$ moves away from resting $\rm (E)$













  • The scenario shown on the left results when the transmitter  $\rm (S)$  moves away from the receiver  $\rm (E)$.    Then the received frequency  $f_{\rm E}$  (blue oscillation) is about  $20\%$  smaller than the transmitted frequency  $f_{\rm S}$.


$\text{However, the following must be taken into account:}$ 

  • All these figures apply to unrealistically high speed  $(v = c/5)$, where  $c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$  indicates the speed of light.  In mobile radio, the deviations between  $f_{\rm S}$  and  $f_{\rm E}$  are usually only a fraction of the transmission frequency.
  • The exact equation for the receiving frequency  $f_{\rm E}$,  including an angle  $\alpha$  between the direction of movement and the connecting line transmitter–receiver, is
\[f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)} \hspace{0.05cm}.\]
\[f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.05cm}.\]

Doppler frequency and its distribution


We summarize the statements of the last section briefly, whereby we start from the second, i.e. the non–relativistic equation:

  • A relative movement between transmitter (source) and receiver (observer) results in a shift by the Doppler frequency  $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S}$.
  • A positive Doppler frequency  $(f_{\rm E} > f_{\rm S})$  results when transmitter and receiver  move (relative)  towards each other.  A negative Doppler frequency  $(f_{\rm E} < f_{\rm S})$  means that transmitter and receiver  move away from each other  (directly or at an angle).
  • The maximum frequency shift occurs when transmitter and receiver move directly towards each other   ⇒   angle  $\alpha = 0^\circ$.   This maximum value depends  (first approximation)  on the transmission frequency  $ f_{\rm S}$  and the speed  $v$   $(c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$  indicates the speed of light$)$:
\[f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = f_{\rm S} \cdot {v}/{c} \hspace{0.05cm}.\]
  • If the relative movement takes place at any angle  $\alpha$  to the connecting line transmitter–receiver, then the Doppler shift is
\[f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \cos(\alpha) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} - \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \le f_{\rm D} \le + \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Conclusion:}$  Assuming equal probable directions of motion  $($equal distribution for the angle  $\alpha$  in the range  $- \pi \le \alpha \le +\pi)$  the probability density function  $($here denoted with $\rm wdf$  (from the german WahrscheinlichkeitsDichteFunktion$)$  the Doppler frequency in the range  $- f_\text{D, max} \le f_{\rm D} \le + f_\text{D, max}$:

\[{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sqrt {1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 } } \hspace{0.05cm}.\]

Outside the range between  $-f_\text{D, max}$  and  $+f_\text{D, max}$  the probability density function always has the value zero.


$\text{Derivation:}$  The resulting Doppler frequency depending on the angle of movement  $\alpha$  is

To calculate the probability density function  $\rm (PDF)$  of the Doppler frequency
\[f_{\rm D} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \cos(\alpha) = g(\alpha) \hspace{0.05cm}.\]

We refer to this function as  $g(\alpha)$  and assume that

  • $\alpha$  takes all angle values between  $\pm \pi$ 
  • with equal probability   ⇒   equal distribution.


Then for the probability of the Doppler frequency according to the chapter  "Transformation of Random Variables"  in the book "Stochastic Signal Theory":

\[{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{ {\rm wdf}(\alpha)}{\vert g\hspace{0.08cm}'(\alpha)\vert}\Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=h(f_{\rm D})} \hspace{0.05cm}\]
  • with the derivative  $g\hspace{0.08cm}'(\alpha)= - f_\text{D, max} \cdot \sin(\alpha)$, and
  • the inverse function  $ \alpha = h(f_{\rm D})$.


In the example the inverse function is

$$ \alpha = \arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}).$$

The diagram illustrates the calculation procedure for determining the Doppler frequency's PDF:

  • Since the characteristic curve between the Doppler frequency  $f_{\rm D}$  and the angle  $\alpha$   ⇒   $ g(\alpha) = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \cos(\alpha)$  is limited by the value  $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$  there is for  $f_{\rm D}$  no value possible outside this range.
  • When transforming random variables, a distinction must be made between areas with positive and negative slopes of the transformation's characteristic curve.   The  $\alpha$–values between  $-\pi$  and  $0$   $($positive gradient of the transformation characteristic$)$  provide the result
\[{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{1/(2\pi)}{f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sin(\alpha)} \Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})} = \frac{(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} )^{-1} }{ \sin(\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}))} = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 } } \hspace{0.05cm}.\]
  • For reasons of symmetry, the positive  $\alpha$–area contributes in the same way, so that the inner total area is given by
\[{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 } } \hspace{0.05cm}.\]
  • If   $\alpha$  takes values around  $\pm \pi/2$  it results in a small Doppler frequency   ⇒   $f_{\rm D} \approx 0$   $($violet marking$)$.  But, because of the relatively large gradient of the cosine curve   $g(\alpha)$  at  $\alpha = \pm \pi/2$   the PDF–value at  $f_{\rm D} \approx 0$  ist very small.
  • Small angles  $($around  $\alpha \approx 0)$,   however, lead to the maximum Doppler frequency   ⇒   $f_{\rm D} \approx f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$   $($red marker$)$.  Because of the nearly horizontal characteristic curve  $g(\alpha)$  here the  $f_{\rm D}$–PDF is clearly larger.  For  $f_{\rm D} \equiv f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$  this even results in an infinitely large value.
  • On the other hand, if   $\alpha$  takes values around  $\pm \pi$  it leads to the Doppler frequency  $f_{\rm D} \approx -f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$   $($green marker$)$.  Again the characteristic curve is nearly horizontal and this results in a large PDF–value.



ACF and PSD with Rayleigh–Fading


We now assume an antenna with the same radiation in all directions; then the Doppler power-spectral density is identical in shape to the PDF of the Doppler frequencies.

For  ${\it \Phi}_x(f_{\rm D})$  the PDF must still be multiplied by the power  $\sigma^2$  of the Gaussian process, and the resulting PSD   ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$  of the complex factor  $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $  can be written after doubling as:

\[{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) = \left\{ \begin{array}{c} (2\sigma^2)/( \pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}) \cdot \left [ 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 \right ]^{-0.5} \\ 0 \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} |f_{\rm D}| \le f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \\ {\rm sonst} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.\]

This process is named after  $\text{William C. Jakes Jr.}$  the  »Jakes spectrum«.  The doubling is necessary, because up to now only the contribution of the real part  $x(t)$  was considered.

The corresponding auto-correlation function  $\rm (ACF)$ is obtained after a  $\text{inverse Fourier transformation}$:

\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = 2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot {\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\]

with the  Bessel function of first kind and zero order  $($first equation:  definition,  second equation:  series expansion$)$:

\[{\rm J }_0 (u) = \frac{1}{ 2\pi} \cdot \int_{0}^{2\pi} {\rm e }^{- {\rm j }\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}u \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\cos(\alpha)} \,{\rm d} \alpha \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm} \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{(-1)^k \cdot (u/2)^{2k}}{k! \cdot \Gamma (k+1)} \hspace{0.05cm}.\]

The numerical values of this function can be obtained with the  "applet of the same name".

Doppler power-spectral density and time function (magnitude in dB) for Rayleigh fading with Doppler effect

$\text{Example 4:}$  Shown on the left is the Jakes spectrum

  • for  $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 50 \ \ \rm Hz$  (blue curve) as well as
  • for  $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 100 \ \rm Hz$  (red curve).


For  $\text{GSM 900}$  $(f_{\rm S} = 900 \ \rm MHz)$  these values correspond to the speeds  $v = 60 \ \rm km/h$  and  $v = 120 \ \rm km/h$,  respectively.

For  $\text{GSM 1800}$  $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz)$  these values apply to half as high speeds:   $v = 30 \ \ \rm km/h$  and  $v = 60 \ \rm km/h$,  resp.

The right diagram shows the logarithmic absolute value of  $z(t)$:

  • For example you can see the twice as fast fading of the red curve.
  • The Rayleigh PDF (amplitude distribution) is independent of  $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max}$  and therefore the same for both cases.



Exercises for the chapter


Exercise 1.4: Rayleigh PDF and Jakes PDS

Exercise 1.4Z: On the Doppler Effect

Exercise 1.5: Reconstruction of the Jakes Spectrum