Difference between revisions of "Exercise 2.6: Cyclic Prefix"

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{{quiz-Header|Buchseite=Beispiele von Nachrichtensystemen/Verfahren zur Senkung der Bitfehlerrate bei DSL
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[[File:P_ID1982__Bei_A_2_6.png|right|frame|DSL/DMT mit zyklischem Präfix]]
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[[File:EN_Bei_A_2_6.png|right|frame|$\rm DSL/DMT$  realization with cyclic prefix]]
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A major advantage of  $\rm DSL/DMT$  is the simple equalization of channel distortion by inserting a guard interval and a cyclic prefix. The diagram shows a simplified block diagram, where the prefix used for equalization of the channel frequency response
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:$$H_{\rm K}(f) \hspace{0.2cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm} h_{\rm K}(t)$$
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required components are highlighted in red.
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For the  $\rm ADSL/DMT$ downstream the following parameters apply:
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*With each frame, the subchannels  $k = 64$, ... , $255$  at the carrier frequencies  $f_k = k \cdot f_0$  occupied with the QAM symbols  $D_k$ . Because of the reservation of the lowest frequencies for ISDN and for upstream  $D_0 =$ ... $= D_{63} = 0$.
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*The fundamental frequency is chosen to  $f_0 = 4.3125 \ \rm kHz$  and the frame duration is  $T = 1/f_0 \approx 232 \ {\rm µ s}$. These values result from the requirement that $4000$ frames should be transmitted per second and a synchronization frame is inserted after every $68$–th frame.
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*After occupying the upper coefficients  $(k = 257$, ... , $448)$  according to  $D_k = D_{512-k}^{\ast}$  the entire block  $D_0$, ... , $D_{511}$  is fed to an ''Inverse Discrete Fourier Transform''  $\rm (IDFT)$  . The time coefficients are then  $s_0$, ... , $s_{511}$.
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*To avoid impulse interference - also called ''inter-symbol interference''  $\rm (ISI)$  - between adjacent frames, a guard interval of duration  $T_{\rm G}$  is inserted between two frames. The frame spacing must be at least as large as the "length"  $T_{\rm K}$  of the impulse response.
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*In addition, the IDFT output values  $(s_{480}$, ... , $s_{511})$  are duplicated, prefixed as  $(s_{-32}$, ... , $s_{-1})$  to the output vector  $(s_0$, ... , $s_{511})$  and transmitted in the guard interval. This is called the "cyclic prefix". Thus, the subcarriers of a frame do not interfere with each other either, which means that there is not only no  $\rm ISI$, but also no inter-carrier interference  $\rm (ICI)$.
  
  
Ein wesentlicher Vorteil von DSL/DMT ist die einfache Entzerrung von Kanalverzerrungen durch die Einfügung eines Guard–Intervalls und eines zyklischen Präfix. Die Grafik zeigt ein vereinfachendes Blockschaltbild, wobei die zur Entzerrung des Kanalfrequenzgangs
 
:$$H_{\rm K}(f) \hspace{0.2cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm} h_{\rm K}(t)$$
 
  
erforderlichen Komponenten rot hervorgehoben sind.
 
  
Für den ADSL/DMT–Downstream gelten folgende Parameter:
 
  
*Mit jedem Rahmen werden die Subkanäle $k = 64, ... , 255$  bei den Trägerfrequenzen $f_k = k \cdot f_0$ mit den QAM–Symbolen $D_k$ belegt. Wegen der Reservierung der untersten Frequenzen für ISDN und Upstream gilt $D_0 = ... D_{63} = 0$.
 
  
*Die Grundfrequenz ist zu $f_0 = 4.3125 \ \rm kHz$ gewählt und die Rahmendauer beträgt $T = 1/f_0 \approx 232 \ {\rm\mu s}$. Diese Werte ergeben sich aus der Forderung, dass pro Sekunde $4000$ Rahmen übertragen werden sollen und nach jedem $68$. Rahmen ein Synchronisationsrahmen eingefügt wird.
 
  
*Nach Belegung der oberen Koeffizienten $(k = 257, ... , 448)$ gemäß $D_k = D_{512–k}^{\ast}$ wird der gesamte Block $D_0, ... , D_{511}$ einer ''Inversen Diskreten Fouriertransformation'' (IDFT) zugeführt. Die Zeitkoeffizienten sind dann $s_0, ... , s_{511}$.
 
  
*Um Impulsinterferenzen – auch Inter–Symbol–Interferenzen (ISI) genannt – zwischen benachbarten Rahmen zu vermeiden, wird zwischen zwei Rahmen ein Schutzabstand („Guard–Intervall”) der Dauer $T_{\rm G}$ eingefügt. Der Rahmenabstand muss dabei mindestens so groß sein wie die Länge $T_{\rm K}$der Impulsantwort.
 
  
*Zudem werden die IDFT–Ausgangswerte $(s_{480}, ... , s_{511})$ dupliziert, als $(s_{–32}, ..., s_{–1})$ dem Ausgangsvektor $(s_0, ... , s_{511})$ vorangestellt und im Guard–Intervall übertragen. Man nennt dies das „zyklische Präfix”. Somit stören sich auch die Subträger eines Rahmens nicht, das heißt, es gibt nicht nur keine ISI, sondern auch keine Inter–Carrier–Interferenzen (ICI).
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Hints:
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*This exercise belongs to the chapter  [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL|"Methods to Reduce the Bit Error Rate in DSL"]].
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*Reference is made in particular to the page  [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL#Inserting_guard_interval_and_cyclic_prefix|"Inserting guard interval and cyclic prefix"]].
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*In the questions  $s_k(t)$ denotes the  (continuous-time) waveform when only the coefficient  $D_k$  of the carrier at  $f_k = k \cdot f_0$  is different from zero.
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''Hinweis:''
 
  
Die Aufgabe bezeiht sich auf die [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Verfahren_zur_Senkung_der_Bitfehlerrate_bei_DSL#Einf.C3.BCgen_von_Guard.E2.80.93Intervall_und_zyklischem_Pr.C3.A4fix|letzte Seite]] von Kapitel 2.4. Im Fragebogen bezeichnet $s_k(t)$ den (zeitkontinuierlichen) Signalverlauf, wenn allein der Koeffizient $D_k$ des Trägers bei $f_k = k \cdot f_0$ von $0$ verschieden ist.
 
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Wie groß ist die Dauer des Guard–Intervalls zu wählen?
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{What should be the duration&nbsp; $T_{\rm G}$&nbsp; of the guard interval?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$T_{\rm G} \ = \ ${ 14.5 3% } $ \ \rm \mu s$
+
$T_{\rm G} \ = \ ${ 14.5 3% } $ \ \rm &micro; s$
  
  
{Welche Ausdehnung darf die Kanalimpulsantwort $h_{\rm K}(t)$ haben, damit es keine Intersymbolinterferenzen gibt?
+
{What extent&nbsp; $(T_{\rm K, \ max} )$&nbsp; may the channel impulse response&nbsp; $h_{\rm K}(t)$&nbsp; have so that there is no intersymbol interference?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$T_{\rm K, \ max} \ = \ ${ 14.5 3% } $ \ \rm \mu s$
+
$T_{\rm K, \ max} \ = \ ${ 14.5 3% } $ \ \rm &micro; s$
  
{Welche Eigenschaften besitzt das DMT–System mit zyklischem Präfix? Der Einfluss des Rauschens soll hier unberücksichtigt bleiben.
+
{What are the properties of the DMT system with cyclic prefix? The influence of the noise shall be disregarded here.
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Alle Spektralkoeffizienten nach der DFT $(D_k')$ sind gleich $D_k$.
+
- All spectral coefficients after DFT&nbsp; $(D_k\hspace{0.01cm}')$&nbsp; are equal&nbsp; $D_k$.
+ Die Koeffizienten nach Entzerrung ($D_k$ mit ^) sind gleich $D_k$.
+
+ The coefficients after equalization&nbsp; $(\hat{D}_k)$&nbsp; are equal&nbsp; $D_k$.
- Das Guard–Intervall hat keine Auswirkung auf die Datenrate.
+
- The guard interval has no effect on the data rate.
  
  
{Was wäre, wenn man das Guard–Intervall unbelegt lässt?
+
{What if the guard interval is left unassigned?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Das würde nichts verbessern.
+
- This would not improve anything.
+ Daten verschiedener Rahmen stören sich nicht gegenseitig.
+
+ Data of different frames do not interfere with each other.
- Daten innerhalb eines Rahmens stören sich nicht gegenseitig.
+
- Data within a frame does not interfere with each other.
  
  
  
{Auf welchem Prinzip beruht das zyklische Präfix?
+
{On what principle is the cyclic prefix based?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Einfluss von $h_K(t)$ wird auf $t < 0$ begrenzt.
+
+ The influence of&nbsp; $h_K(t)$&nbsp; is limited to the range&nbsp; $t < 0$&nbsp; .
+ Für $0 ≤ t ≤ T$ stellt $s_k(t)$ eine harmonische Schwingung dar.
+
+ For&nbsp; $0 ≤ t ≤ T$&nbsp; represents&nbsp; $s_k(t)$&nbsp; a harmonic oscillation.
- $h_{\rm K}(t)$ hat keinen Einfluss auf Betrag und Phase von $s_k(t)$.
+
- $h_{\rm K}(t)$&nbsp; has no influence on magnitude and phase of&nbsp; $s_k(t)$.
  
  
Line 68: Line 79:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Innerhalb des Guard–Intervalls müssen beim Sender $32$ zusätzliche Abtastwerte $s_{–32}, ... , s_{–1}$ eingefügt werden. Damit gilt:
+
'''(1)'''&nbsp; Within the guard interval, additional samples $s_{-32}$, ... must be inserted at sender $32$. , $s_{-1}$ must be inserted. Thus:
:$$T_{\rm G} = \frac{32}{512} \cdot T = \frac{232\,{\rm \mu s}}{16} \hspace{0.15cm}\underline{= 14.5\,{\rm \mu s} }\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$T_{\rm G} = \frac{32}{512} \cdot T = \frac{232\,{\rm &micro; s}}{16} \hspace{0.15cm}\underline{= 14.5\,{\rm &micro; s} }\hspace{0.05cm}.$$
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 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; Intersymbol interference (ISI) and intercarrier interference (ICI) are avoided as long as the length $T_{\rm K}$ of the channel impulse response is not greater than the length $T_{\rm G}$ of the guard interval:
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:$$T_{\rm K,\hspace{0.08cm} max} \le T_{\rm G} \hspace{0.15cm}\underline{= 14.5\,{\rm &micro; s}} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; ntersymbolinterferenzen (ISI) und Intercarrierinterferenzen (ICI) werden vermieden, so lange die Länge $T_{\rm K}$ der Kanalimpulsantwort nicht größer ist als die Länge des Guard–Intervalls:
 
:$$T_{\rm K,\hspace{0.08cm} max} \ge T_{\rm G} \hspace{0.15cm}\underline{= 14.5\,{\rm \mu s}} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist <u>der Lösungsvorschlag 2</u>. Für die Ausgangskoeffizienten der DFT gilt im rauschfreien Fall:
+
'''(3)'''&nbsp; The correct solution is <u>proposed solution 2</u>.  
:$$D_k' = D_k \cdot H_{\rm K} ( f = f_k), \hspace{0.2cm} f_k = k \cdot f_0 \hspace{0.05cm}.$$
+
*For the output coefficients of the DFT, in the noise-free case:
Die einzelnen Subkanäle können einzeln durch Multiplikation mit $H_{\rm K}^{–1}(f = f_k)$ entzerrt werden. Damit gilt für alle $k = 1, ... , K$:
+
:$$D_k\hspace{0.01cm}' = D_k \cdot H_{\rm K} ( f = f_k), \hspace{0.2cm} f_k = k \cdot f_0 \hspace{0.05cm}.$$
 +
*The individual bins can be equalized individually by multiplying by $H_{\rm K}^{-1}(f = f_k)$. Thus, for all $k = 1$, ... , $K$:
 
:$$\hat{D}_k = D_k \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\hat{D}_k = D_k \hspace{0.05cm}.$$
 +
*Statement 3 is false: rather, the rate is lower by a factor of $T/(T + T_{\rm G}) = 16/17$ than without guard interval and cyclic prefix.
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*However, this small loss is readily accepted, since the ease of equalization more than compensates for this disadvantage.
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 +
  
Die letzte Aussage ist falsch. Die Rate ist vielmehr um den Faktor $T/(T + T_{\rm G}) = 16/17$ geringer als ohne Guard–Intervall und zyklischem Präfix. Dieser geringe Verlust wird aber gerne in Kauf genommen, da die einfache Entzerrung diesen Nachteil mehr als ausgleicht.
+
'''(4)'''&nbsp; Correct here is only the <u>proposed solution 2</u>:
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*This would not prevent so-called intercarrier interference, that is, the subcarriers of a frame would then no longer be orthogonal to each other, since the convolution of the harmonic oscillation limited in time to $T$ with the impulse response does not yield an si function, as is the case with [[Examples_of_Communication_Systems/xDSL_as_Transmission_Technology#Basics_of_DMT_-_Discrete_Multitone_Transmission|"ideal channel"]].
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*Thus, the coefficient $D_k$ at $k \cdot f_0$ also affects the spectral values at $\kappa \cdot f_0$ in the neighborhood $(\kappa \neq k)$.
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist hier nur <u>der zweite Lösungsvorschlag</u>. Nicht verhindert würden dadurch so genannte Intercarrierinterferenzen, das heißt, die Subträger eines Rahmens wären dann nicht mehr orthogonal zueinander, da die Faltung der zeitlich auf $T$ begrenzten harmonischen Schwingung mit der Impulsantwort keine si–Funktion ergibt, wie dies bei [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/xDSL_als_Übertragungstechnik#Grundlagen_von_DMT_.E2.80.93_Discrete_Multitone_Transmission|idealem Kanal]] der Fall ist. Damit beeinflusst der Koeffizient $D_k$ bei $k \cdot f_0$ auch die Spektralwerte bei $\kappa \cdot f_0$ in der Umgebung $(\kappa \neq k)$.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind <u>die beiden ersten Lösungsvorschläge</u>. Betrag und Phase von $s_k(t)$ wird sehr wohl durch $h_{\rm K}(t)$ verändert, und zwar entsprechend dem Wert $H_{\rm K}(f = f_k)$ des Frequenzgangs. Durch den Entzerrer auf der Empfängerseite lässt sich dieser Fehler aber in einfacher Weise (und unabhängig von den anderen Subkanälen) korrigieren.
+
'''(5)'''&nbsp; The correct <u>solutions 1 and 2</u> are:
 +
*The magnitude and phase of $s_k(t)$ is very well changed by $h_{\rm K}(t)$, corresponding to the value $H_{\rm K}(f = f_k)$ of the frequency response.  
 +
*However, this error can be corrected in a simple way (and independently of the other bins) by the equalizer on the receiver side.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^2.4 Verfahren zur Senkung der Bitfehlerrate bei DSL
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[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^2.4 BER Lowering at DSL
  
  
 
^]]
 
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Latest revision as of 18:37, 25 March 2023

$\rm DSL/DMT$  realization with cyclic prefix

A major advantage of  $\rm DSL/DMT$  is the simple equalization of channel distortion by inserting a guard interval and a cyclic prefix. The diagram shows a simplified block diagram, where the prefix used for equalization of the channel frequency response

$$H_{\rm K}(f) \hspace{0.2cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm} h_{\rm K}(t)$$

required components are highlighted in red.

For the  $\rm ADSL/DMT$ downstream the following parameters apply:

  • With each frame, the subchannels  $k = 64$, ... , $255$  at the carrier frequencies  $f_k = k \cdot f_0$  occupied with the QAM symbols  $D_k$ . Because of the reservation of the lowest frequencies for ISDN and for upstream  $D_0 =$ ... $= D_{63} = 0$.
  • The fundamental frequency is chosen to  $f_0 = 4.3125 \ \rm kHz$  and the frame duration is  $T = 1/f_0 \approx 232 \ {\rm µ s}$. These values result from the requirement that $4000$ frames should be transmitted per second and a synchronization frame is inserted after every $68$–th frame.
  • After occupying the upper coefficients  $(k = 257$, ... , $448)$  according to  $D_k = D_{512-k}^{\ast}$  the entire block  $D_0$, ... , $D_{511}$  is fed to an Inverse Discrete Fourier Transform  $\rm (IDFT)$  . The time coefficients are then  $s_0$, ... , $s_{511}$.
  • To avoid impulse interference - also called inter-symbol interference  $\rm (ISI)$  - between adjacent frames, a guard interval of duration  $T_{\rm G}$  is inserted between two frames. The frame spacing must be at least as large as the "length"  $T_{\rm K}$  of the impulse response.
  • In addition, the IDFT output values  $(s_{480}$, ... , $s_{511})$  are duplicated, prefixed as  $(s_{-32}$, ... , $s_{-1})$  to the output vector  $(s_0$, ... , $s_{511})$  and transmitted in the guard interval. This is called the "cyclic prefix". Thus, the subcarriers of a frame do not interfere with each other either, which means that there is not only no  $\rm ISI$, but also no inter-carrier interference  $\rm (ICI)$.





Hints:



Questions

1

What should be the duration  $T_{\rm G}$  of the guard interval?

$T_{\rm G} \ = \ $

$ \ \rm µ s$

2

What extent  $(T_{\rm K, \ max} )$  may the channel impulse response  $h_{\rm K}(t)$  have so that there is no intersymbol interference?

$T_{\rm K, \ max} \ = \ $

$ \ \rm µ s$

3

What are the properties of the DMT system with cyclic prefix? The influence of the noise shall be disregarded here.

All spectral coefficients after DFT  $(D_k\hspace{0.01cm}')$  are equal  $D_k$.
The coefficients after equalization  $(\hat{D}_k)$  are equal  $D_k$.
The guard interval has no effect on the data rate.

4

What if the guard interval is left unassigned?

This would not improve anything.
Data of different frames do not interfere with each other.
Data within a frame does not interfere with each other.

5

On what principle is the cyclic prefix based?

The influence of  $h_K(t)$  is limited to the range  $t < 0$  .
For  $0 ≤ t ≤ T$  represents  $s_k(t)$  a harmonic oscillation.
$h_{\rm K}(t)$  has no influence on magnitude and phase of  $s_k(t)$.


Solution

(1)  Within the guard interval, additional samples $s_{-32}$, ... must be inserted at sender $32$. , $s_{-1}$ must be inserted. Thus:

$$T_{\rm G} = \frac{32}{512} \cdot T = \frac{232\,{\rm µ s}}{16} \hspace{0.15cm}\underline{= 14.5\,{\rm µ s} }\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Intersymbol interference (ISI) and intercarrier interference (ICI) are avoided as long as the length $T_{\rm K}$ of the channel impulse response is not greater than the length $T_{\rm G}$ of the guard interval:

$$T_{\rm K,\hspace{0.08cm} max} \le T_{\rm G} \hspace{0.15cm}\underline{= 14.5\,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  The correct solution is proposed solution 2.

  • For the output coefficients of the DFT, in the noise-free case:
$$D_k\hspace{0.01cm}' = D_k \cdot H_{\rm K} ( f = f_k), \hspace{0.2cm} f_k = k \cdot f_0 \hspace{0.05cm}.$$
  • The individual bins can be equalized individually by multiplying by $H_{\rm K}^{-1}(f = f_k)$. Thus, for all $k = 1$, ... , $K$:
$$\hat{D}_k = D_k \hspace{0.05cm}.$$
  • Statement 3 is false: rather, the rate is lower by a factor of $T/(T + T_{\rm G}) = 16/17$ than without guard interval and cyclic prefix.
  • However, this small loss is readily accepted, since the ease of equalization more than compensates for this disadvantage.


(4)  Correct here is only the proposed solution 2:

  • This would not prevent so-called intercarrier interference, that is, the subcarriers of a frame would then no longer be orthogonal to each other, since the convolution of the harmonic oscillation limited in time to $T$ with the impulse response does not yield an si function, as is the case with "ideal channel".
  • Thus, the coefficient $D_k$ at $k \cdot f_0$ also affects the spectral values at $\kappa \cdot f_0$ in the neighborhood $(\kappa \neq k)$.


(5)  The correct solutions 1 and 2 are:

  • The magnitude and phase of $s_k(t)$ is very well changed by $h_{\rm K}(t)$, corresponding to the value $H_{\rm K}(f = f_k)$ of the frequency response.
  • However, this error can be corrected in a simple way (and independently of the other bins) by the equalizer on the receiver side.