Aufgaben:Exercise 1.2: ISDN and PCM: Difference between revisions

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[[File:P_ID1578__Bei_A_1_2.png|right|frame|Komponenten des PCM-Senders]]
[[File:EN_Bei_A_1_2.png|right|frame|Components of PCM transmitter]]
Die Umwandlung des analogen Sprachsignals  $q(t)$  in das Binärsignal  $q_{\rm C}(t)$  geschieht bei ISDN  (''Integrated Services Digital Network'')  entsprechend den Richtlinien der Pulscodemodulation (PCM) durch
The conversion of the analog speech signal  $q(t)$  into the binary signal  $q_{\rm C}(t)$  is done at   $\rm ISDN$  ("Integrated Services Digital Network")  according to the guidelines of  "pulse code modulation"  $\rm (PCM)$  by
*Abtastung im Abstand  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
*sampling in the interval  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
*Quantisierung auf  $M = 256$  diskrete Werte,
*binäre PCM–Codierung mit  $N$  Bit pro Quantisierungswert.


*quantization to  $M = 256$  discrete values,


Die Netto–Datenrate eines so genannten  $\rm B$–Kanals  (''Bearer Channel'') ist  $64 \ \rm kbit/s$  und entspricht der Bitrate des redundanzfreien Binärsignals  $q_{\rm C}(t)$. Wegen der anschließenden redundanten Kanalcodierung und der eingefügten Signalisierungsbits ist allerdings die Brutto–Datenrate – also die Übertragungsrate des Sendesignals  $s(t)$  – größer.
*binary PCM encoding with  $N$  bits per quantization value.




Ein Maß für die Qualität des gesamten (ISDN–)Übertragungssystems ist das Sinken–SNR
The net data rate of a  $\rm B$ channel  ("Bearer Channel") is  $64 \ \rm kbit/s$  and corresponds to the bit rate of the redundancy-free binary signal  $q_{\rm C}(t)$. 
 
However,  because of the subsequent redundant channel coding and the inserted signaling bits,  the gross data rate – i.e.,  the transmission rate of the transmitted signal  $s(t)$  – is greater.
 
A measure for the quality of the entire ISDN transmission system is the sink SNR
:$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$
:$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$


als das Verhältnis der Leistungen des auf den Bereich  $300 \ {\rm Hz}\  \text{...}\  3400 \ {\rm Hz}$  bandbegrenzten Analogsignals  $q(t)$  und des Fehlersignals  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.
as the ratio of the powers
*of the analog signal  $q(t)$  bandlimited to the range  $300 \ {\rm Hz}\  \text{...}\  3400 \ {\rm Hz}$   


Für das Sinkensignal  $v (t)$  wird hierbei eine ideale Signalrekonstruktion mit einem idealen rechteckförmigen Tiefpass vorausgesetzt.
*and the error signal  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.  




An ideal signal reconstruction with an ideal rectangular low-pass filter is assumed here for the sink signal  $v (t)$. 








<u>Notes:</u>
*The exercise refers to the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN|"General Description of ISDN"]] of this book.


''Hinweis:''
*Reference is also made to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]]&nbsp; of the book&nbsp; "Modulation Methods".
*Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|Allgemeine Beschreibung von ISDN]] dieses Buches.
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel&nbsp; [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]]&nbsp; des Buches „Modulationsverfahren”.






===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>


{Mit wievielen Bit&nbsp; $(N)$&nbsp; wird jeder (quantisierte) Abtastwert repräsentiert?
{With how many bits&nbsp; $(N)$&nbsp; is each quantized sample represented?
|type="{}"}
|type="{}"}
$N \ = \ $ { 8 3% }  
$N \ = \ $ { 8 3% }  


{Wie groß ist die Abtastrate&nbsp; $f_{\rm A} $?
{What is the sampling rate&nbsp; $f_{\rm A} $?
|type="{}"}
|type="{}"}
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $ \ \rm kHz $
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $ \ \rm kHz $


{Ist damit das Abtasttheorem erfüllt?
{Does this satisfy the sampling theorem?
|type="()"}
|type="()"}
+ Ja,
+ Yes,
- nein.
- no.


{Ist das Sinken–SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; bei ISDN durch folgende Effekte begrenzt?
{Is the sink SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; at ISDN limited by the following effects?
|type="[]"}
|type="[]"}
- Abtastung (falls Abtasttheorem erfüllt),
- Sampling&nbsp; (if sampling theorem is satisfied),
+ AWGN–Rauschen (Übertragungsfehler).
+ AWGN noise&nbsp; (transmission error).




</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}


'''(1)'''&nbsp; Die Quantisierungsstufenzahl&nbsp; $M$&nbsp; wird meist als Zweierpotenz gewählt und für die Bitanzahl&nbsp; $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.  
'''(1)'''&nbsp; The quantization level number&nbsp; $M$&nbsp; is usually chosen as a power of two and for the number of bits&nbsp; $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.  
*Aus&nbsp; $M = 2^{8} = 256$&nbsp; folgt&nbsp; $\underline{N = 8}$.
*From&nbsp; $M = 2^{8} = 256$&nbsp; follows&nbsp; $\underline{N = 8}$.






'''(2)'''&nbsp;  Für die Bitrate gilt&nbsp; $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.  
'''(2)'''&nbsp;  For the bit rate,&nbsp; $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.  
*Aus&nbsp; $R_{\rm B} = 64 \ \rm  kbit/s$&nbsp; und&nbsp; $N = 8$&nbsp; erhält man somit&nbsp; $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.
*Thus,&nbsp; from&nbsp; $R_{\rm B} = 64 \ \rm  kbit/s$&nbsp; and&nbsp; $N = 8$,&nbsp; we get&nbsp; $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.






'''(3)'''&nbsp;  Durch die Bandbegrenzung ist die höchste im Signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; enthaltene Frequenz gleich&nbsp; $3.4 \ \rm kHz$.  
'''(3)'''&nbsp;  Due to the bandwidth limitation,&nbsp; the highest frequency contained in the signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is equal to&nbsp; $3.4 \ \rm kHz$.
*Nach dem Abtasttheorem müsste deshalb&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$&nbsp; gelten.  
*Mit&nbsp;  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$&nbsp; ist die Bedingung erfüllt &nbsp; &rArr; &nbsp; $\underline {\rm JA}$.
*Therefore,&nbsp; according to the sampling theorem,&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$&nbsp; should hold.
*With&nbsp;  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$&nbsp; the condition is fulfilled &nbsp; &rArr; &nbsp; $\underline {\rm YES}$.




'''(4)'''&nbsp;  Richtig ist die <u>letzte Aussage</u>:
'''(4)'''&nbsp;  The&nbsp; <u>last statement</u>&nbsp; is correct:
*Auch wenn der Einfluss des AWGN–Rauschens gering ist $($kleine Rauschleistungsdichte&nbsp; $N_{0})$, kann das Sinken–SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; einen durch das Quantisierungsrauschen gegebenen Grenzwert nicht unterschreiten:
*Even if the influence of the AWGN noise is small&nbsp; $($small noise power density&nbsp; $N_{0})$,&nbsp; the sink SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; cannot fall below a limit given by the quantization noise:
:$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
:$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$


*Bei größerer Rauschstörung wird&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; durch die dann vorhandenen Übertragungsfehler weiter (signifikant) verringert.  
*With larger noise interference,&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; can further&nbsp; (significantly)&nbsp; be reduced by the transmission errors.
*Dagegen führt die Abtastung zu keinem Qualitätsverlust, wenn das Abtasttheorem eingehalten wird.  
 
*Die Abtastung kann dann vollständig rückgängig gemacht werden, wenn das Quellensignal&nbsp; $q(t)$&nbsp; bandbegrenzt ist und die Signalrekonstruktion richtig dimensioniert ist:&nbsp;   idealer Tiefpass.  
*In contrast,&nbsp; sampling results in no loss of quality if the sampling theorem is obeyed.
*Sampling can then be completely undone if the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is bandlimited and the signal reconstruction is correctly dimensioned &nbsp;  &rArr;  &nbsp; ideal low-pass.


{{ML-Fuß}}
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[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^1.1 Allgemeine Beschreibung von ISDN^]]
[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^1.1 General Description of ISDN^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 1.2: ISDN und PCM]]

Latest revision as of 17:53, 16 March 2026

Components of PCM transmitter

The conversion of the analog speech signal  $q(t)$  into the binary signal  $q_{\rm C}(t)$  is done at  $\rm ISDN$  ("Integrated Services Digital Network")  according to the guidelines of  "pulse code modulation"  $\rm (PCM)$  by

  • sampling in the interval  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
  • quantization to  $M = 256$  discrete values,
  • binary PCM encoding with  $N$  bits per quantization value.


The net data rate of a  $\rm B$ channel  ("Bearer Channel") is  $64 \ \rm kbit/s$  and corresponds to the bit rate of the redundancy-free binary signal  $q_{\rm C}(t)$. 

However,  because of the subsequent redundant channel coding and the inserted signaling bits,  the gross data rate – i.e.,  the transmission rate of the transmitted signal  $s(t)$  – is greater.

A measure for the quality of the entire ISDN transmission system is the sink SNR

$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$

as the ratio of the powers

  • of the analog signal  $q(t)$  bandlimited to the range  $300 \ {\rm Hz}\ \text{...}\ 3400 \ {\rm Hz}$ 
  • and the error signal  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.


An ideal signal reconstruction with an ideal rectangular low-pass filter is assumed here for the sink signal  $v (t)$. 



Notes:


Questions

1 With how many bits  $(N)$  is each quantized sample represented?

$N \ = \ $

2 What is the sampling rate  $f_{\rm A} $?

$f_{\rm A} \ = \ $ $ \ \rm kHz $

3 Does this satisfy the sampling theorem?

Yes,
no.

4 Is the sink SNR  $\rho_{v}$  at ISDN limited by the following effects?

Sampling  (if sampling theorem is satisfied),
AWGN noise  (transmission error).


Solution

(1)  The quantization level number  $M$  is usually chosen as a power of two and for the number of bits  $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.

  • From  $M = 2^{8} = 256$  follows  $\underline{N = 8}$.


(2)  For the bit rate,  $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.

  • Thus,  from  $R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s$  and  $N = 8$,  we get  $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.


(3)  Due to the bandwidth limitation,  the highest frequency contained in the signal  $q(t)$  is equal to  $3.4 \ \rm kHz$.

  • Therefore,  according to the sampling theorem,  $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$  should hold.
  • With  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$  the condition is fulfilled   ⇒   $\underline {\rm YES}$.


(4)  The  last statement  is correct:

  • Even if the influence of the AWGN noise is small  $($small noise power density  $N_{0})$,  the sink SNR  $\rho_{v}$  cannot fall below a limit given by the quantization noise:
$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • With larger noise interference,  $\rho_{v}$  can further  (significantly)  be reduced by the transmission errors.
  • In contrast,  sampling results in no loss of quality if the sampling theorem is obeyed.
  • Sampling can then be completely undone if the source signal  $q(t)$  is bandlimited and the signal reconstruction is correctly dimensioned   ⇒   ideal low-pass.