Aufgaben:Exercise 4.6Z: Locality Curve for Phase Modulation: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function
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}}


[[File:P_ID768__Sig_Z_4_6.png|right|Eine mögliche Ortskurve bei Phasenmodulation]]
[[File:P_ID768__Sig_Z_4_6.png|right|frame|A possible locality curve with phase modulation]]
Wir gehen hier von einem Nachrichtensignal $q(t)$ aus, das normiert (dimensionslos) betrachtet wird. Der Maximalwert dieses Signal ist $q_{\rm max} = 1$ und der minimale Signalwert beträgt $q_{\rm min} = -0.5$. Ansonsten ist über $q(t)$ nichts bekannt.
We assume a source signal  $q(t)$, which is considered normalised.
*The maximum value of this signal is  $q_{\rm max} = 1$  and the minimum signal value is  $q_{\rm min} = -0.5$.  
*Otherwise nothing is known about  $q(t)$.


Das modulierte Signal lautet bei Phasenmodulation:
 
The modulated signal with phase modulation   ⇒   "transmission signal"  is:
:$$s(t) = s_0 \cdot  {\cos} (  \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t + \eta \cdot q(t)).$$
:$$s(t) = s_0 \cdot  {\cos} (  \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t + \eta \cdot q(t)).$$
Hierbei bezeichnet $\eta$ den so genannten Modulationsindex. Auch die konstante Hüllkurve $s_0$ sei eine dimensionslose Größe, die im Folgenden zu $s_0 = 2$ gesetzt wird (siehe Grafik).
Here  $\eta$  denotes the so-called  "modulation index".  Let the constant envelope  $s_0$  also be a normalise quantity, which is set to  $s_0 = 2$  in the following (see diagram).


Ersetzt man in dieser Gleichung die Cosinus– durch die komplexe Exponentialfunktion, so kommt man zum analytischen Signal
If one replaces the cosine function with the complex exponential function, one arrives at the analytical signal
:$$s_{\rm +}(t) = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(
:$$s_{\rm +}(t) = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t + \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t)) }.$$
\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t + \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t)) }.$$
From this, one can calculate the equivalent low-pass signal sketched in the graph as follows:
Daraus kann man das in der Grafik skizzierte äquivalente TP-Signal wie folgt berechnen:
:$$s_{\rm TP}(t) = s_{\rm +}(t)  \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}  t } = s_0\cdot{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t) }.$$
:$$s_{\rm TP}(t) = s_{\rm +}(t)  \cdot {\rm e}^{-{\rm
j}\hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}  t } = s_0\cdot
{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t) }.$$








''Hinweise:''
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
*Sie können Ihre Lösung mit dem Interaktionsmodul [[Ortskurve_–_Darstellung_des_äquivalenten_Tiefpass-Signals_(Applet)|Ortskurve – Darstellung des äquivalenten Tiefpass-Signals]] überprüfen.


''Hints:''
*This exercise belongs to the chapter  [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function|Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function]].
*You can check your solution with the interactive applet  [[Applets:Physical_Signal_%26_Equivalent_Lowpass_Signal|Physical Signal & Equivalent Low-Pass Signal]]    ⇒   "Locality Curve".


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


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Wie lautet die Betragsfunktion $a(t) = |s_{\rm TP}(t)|$? Welcher Wert gilt für $t = 0$?
{What is the magnitude function&nbsp; $a(t) = |s_{\rm TP}(t)|$?&nbsp; Which value is valid for&nbsp; $t = 0$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$a(t = 0)\ = \ $  { 2 3% }
$a(t = 0)\ = \ $  { 2 3% }




{Zwischen welchen Extremwerten $\phi_{\rm min}$ und $\phi_{\rm  max}$ schwankt die Phase $\phi (t)$?
{Between which extreme values&nbsp; $\phi_{\rm min}$&nbsp; and&nbsp; $\phi_{\rm  max}$&nbsp; does the phase&nbsp; $\phi (t)$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\phi_{\rm min}\ = \ $ { -93--87 } &nbsp;$\text{Grad}$
$\phi_{\rm min}\ = \ $ { -93--87 } &nbsp;$\text{deg}$
$\phi_{\rm min}\ = \ $ { 180 3% } &nbsp;$\text{Grad}$
$\phi_{\rm min}\ = \ $ { 180 3% } &nbsp;$\text{deg}$




{Bestimmen Sie aus der Phasenfunktion $\phi (t)$ den Modulationsindex $\eta$.
{Determine the modulation index&nbsp; $\eta$&nbsp; from the phase function&nbsp; $\phi (t)$.
|type="{}"}
|type="{}"}
$\eta\ = \ $ { 3.1415 3% }
$\eta\ = \ $ { 3.1415 3% }




{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
{Which of the following statements are true?
|type="[]"}
|type="[]"}
- Aus $q(t) = -0.5 = \text{const.}$ folgt $s(t) = s_0 \cdot \cos (\omega_T \cdot t)$.
- From&nbsp; $q(t) = -0.5 = \text{const.}$&nbsp; follows&nbsp; $s(t) = s_0 \cdot \cos (\omega_T \cdot t)$.
+ Bei einem Rechtecksignal $q(t)$ (&rArr;&nbsp; nur  zwei mögliche Signalwerte $\pm 0.5$) entartet die Ortskurve zu zwei Punkten.
+ With a rectangular signal&nbsp;  $($with only two possible signal values&nbsp; $q(t)=\pm 0.5)$&nbsp; the locality curve degenerates to two points.
+ Mit den Signalwerten $\pm 1$ (&rArr;&nbsp; es gilt dann nicht $q_{\rm min} = -0.5$) entartet die Ortskurve zu einem Punkt: $s_{\rm TP}(t) = -s_0$.  
+ With the signal values&nbsp; $\pm 1$&nbsp; $(q_{\rm min} = -0.5$&nbsp; is then no longer valid$)$ the locality curve degenerates to one point: &nbsp; $s_{\rm TP}(t) = -s_0$.  




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</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Die Ortskurve ist ein Kreisbogen mit Radius $2$. Deshalb ist die Betragsfunktion  konstant $\underline{a(t) = 2}$.
'''(1)'''&nbsp;  The locality curve is a circular arc with radius&nbsp; $2$.&nbsp; Therefore, the magnitude function is constant&nbsp; $\underline{a(t) = 2}$.
 


'''(2)'''&nbsp; From the graph it can be seen that the following numerical values apply:
*$\phi_{\rm min} =-  \pi /2 \;  \Rightarrow  \;  \underline{-90^\circ}$,
*$\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow  \; \underline{+180^\circ}$.


'''(2)'''&nbsp; Aus der Grafik ist zu erkennen, dass folgende Zahlenwerte gelten:
*$\phi_{min} =-  \pi /2 \;  \Rightarrow  \;  \underline{-90^\circ}$,
*$\phi_{max} = +\pi \; \Rightarrow  \; \underline{+180^\circ}$.




'''(3)'''&nbsp; Allgemein gilt hier der Zusammenhang $s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\cdot \hspace{0.05cm}
'''(3)'''&nbsp; In general, the relation&nbsp; $s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}
\phi(t)}.$ Ein Vergleich mit der gegebenen Funktion liefert:
\phi(t)}$&nbsp; applies here.&nbsp; A comparison with the given function yields:
:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t).$$
:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t).$$
*Der maximale Phasenwert $\phi_{max} = +\pi \; \Rightarrow  \; {180^\circ}$ ergibt sich für die Signalamplitude $q_{\rm max} = 1$. Daraus folgt direkt ${\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.14}$.  
*The maximum phase value&nbsp; $\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow  \; {180^\circ}$&nbsp; is obtained for the signal amplitude&nbsp; $q_{\rm max} = 1$.&nbsp; From this follows directly&nbsp; ${\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.1415}$.  
*Dieser Modulationsindex wird durch die Werte $\phi_{\rm min} = -\pi /2$ und $q_{\rm min} = -0.5$ bestätigt.
*This modulation index is confirmed by the values&nbsp; $\phi_{\rm min} = -\pi /2$&nbsp; and&nbsp; $q_{\rm min} = -0.5$&nbsp;.




[[File:P_ID769__Sig_Z_4_6_d_neu.png|right|frame|Ortskurve (Phasendiagramm) bei Rechtecksignal]]
[[File:P_ID769__Sig_Z_4_6_d_neu.png|right|frame|Locality curve (phase diagram) for a rectangular source signal]]
'''(4)'''&nbsp;  Richtig sind somit der <u>zweite und der dritte Lösungsvorschlag</u>:
'''(4)'''&nbsp;  <u>The second and third proposed solutions</u> are correct:
*Ist $q(t) = \text{const.} =-0.5$, so ist die Phasenfunktion ebenfalls konstant:
*If&nbsp; $q(t) = \text{const.} =-0.5$, the phase function is also constant:
:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - \frac{\pi}{2}\hspace{0.3cm}
:$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - {\pi}/{2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0  = - 2{\rm j}.$$
\Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0  = - 2{\rm j}.$$
*Thus, for the actual physical signal:
*Somit gilt für das tatsächliche, physikalische Signal:
:$$s(t) = s_0 \cdot  {\cos} (  \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t -{\pi}/{2}) = 2 \cdot  {\sin} (  \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).$$
:$$s(t) = s_0 \cdot  {\cos} (  \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t -
*In contrast,&nbsp; $q(t) = +0.5$&nbsp; leads to &nbsp;$\phi (t) = \pi /2$&nbsp; and to &nbsp;$s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}$.  
{\pi}/{2}) = 2 \cdot  {\sin} (  \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).$$
*If&nbsp; $q(t)$&nbsp; is a rectangular signal that alternates between&nbsp; $+0.5$&nbsp; and&nbsp; $–0.5$&nbsp; , then the locality curve consists of only two points on the imaginary axis, regardless of how long the intervals with &nbsp; $+0.5$&nbsp; and&nbsp; $–0.5$&nbsp; last.
*Dagegen führt $q(t) = +0.5$ zu $\phi (t) = \pi /2$ und $s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}$.  
*If, on the other hand,&nbsp; $q(t) = \pm 1$, then the possible phase values&nbsp; $+\pi$&nbsp; and&nbsp; $-\pi$ result purely formally, but they are identical.  
*Ist $q(t)$ ein Rechtecksignal, das abwechselnd die Werte $+0.5$ und $–0.5$ annimmt, besteht somit die Ortskurve nur aus zwei Punkten auf der imaginären Achse, und zwar unabhängig davon, wie lange die Intervalle mit $+0.5$ und $–0.5$ dauern.
*The locality curve then consists of only one point: &nbsp; $s_{\rm TP}(t) = - s_0$ &nbsp; &rArr; &nbsp;  the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is&nbsp;  "minus-cosine"&nbsp; for all times&nbsp; $t$.
*Gilt dagegen $q(t) = \pm 1$, so ergeben sich rein formal die möglichen Phasenwerte $+\pi$ und $-\pi$, die aber identisch sind.  
*Die „Ortskurve” besteht dann nur aus einem einzigen Punkt: $s_{\rm TP}(t) = - s_0$ &nbsp; &rArr; &nbsp;  das Signal $s(t)$ ist für alle Zeiten $t$ „minus-cosinusförmig”.




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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^4. Bandpassartige Signale^]]
[[Category:Signal Representation: Exercises|^4.3 Equivalent LP Signal and its Spectral Function^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 4.6Z: Ortskure bei Phasenmodulation]]

Latest revision as of 17:54, 16 March 2026

A possible locality curve with phase modulation

We assume a source signal  $q(t)$, which is considered normalised.

  • The maximum value of this signal is  $q_{\rm max} = 1$  and the minimum signal value is  $q_{\rm min} = -0.5$.
  • Otherwise nothing is known about  $q(t)$.


The modulated signal with phase modulation   ⇒   "transmission signal"  is:

$$s(t) = s_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t + \eta \cdot q(t)).$$

Here  $\eta$  denotes the so-called  "modulation index".  Let the constant envelope  $s_0$  also be a normalise quantity, which is set to  $s_0 = 2$  in the following (see diagram).

If one replaces the cosine function with the complex exponential function, one arrives at the analytical signal

$$s_{\rm +}(t) = s_0\cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}(\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t + \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t)) }.$$

From this, one can calculate the equivalent low-pass signal sketched in the graph as follows:

$$s_{\rm TP}(t) = s_{\rm +}(t) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} t } = s_0\cdot{\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm} \eta \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} q(t) }.$$



Hints:



Questions

1 What is the magnitude function  $a(t) = |s_{\rm TP}(t)|$?  Which value is valid for  $t = 0$?

$a(t = 0)\ = \ $

2 Between which extreme values  $\phi_{\rm min}$  and  $\phi_{\rm max}$  does the phase  $\phi (t)$?

$\phi_{\rm min}\ = \ $  $\text{deg}$
$\phi_{\rm min}\ = \ $  $\text{deg}$

3 Determine the modulation index  $\eta$  from the phase function  $\phi (t)$.

$\eta\ = \ $

4 Which of the following statements are true?

From  $q(t) = -0.5 = \text{const.}$  follows  $s(t) = s_0 \cdot \cos (\omega_T \cdot t)$.
With a rectangular signal  $($with only two possible signal values  $q(t)=\pm 0.5)$  the locality curve degenerates to two points.
With the signal values  $\pm 1$  $(q_{\rm min} = -0.5$  is then no longer valid$)$ the locality curve degenerates to one point:   $s_{\rm TP}(t) = -s_0$.


Solution

(1)  The locality curve is a circular arc with radius  $2$.  Therefore, the magnitude function is constant  $\underline{a(t) = 2}$.


(2)  From the graph it can be seen that the following numerical values apply:

  • $\phi_{\rm min} =- \pi /2 \; \Rightarrow \; \underline{-90^\circ}$,
  • $\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow \; \underline{+180^\circ}$.


(3)  In general, the relation  $s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}$  applies here.  A comparison with the given function yields:

$$\phi(t) = \eta \cdot q(t).$$
  • The maximum phase value  $\phi_{\rm max} = +\pi \; \Rightarrow \; {180^\circ}$  is obtained for the signal amplitude  $q_{\rm max} = 1$.  From this follows directly  ${\eta = \pi} \; \underline{\approx 3.1415}$.
  • This modulation index is confirmed by the values  $\phi_{\rm min} = -\pi /2$  and  $q_{\rm min} = -0.5$ .


Locality curve (phase diagram) for a rectangular source signal

(4)  The second and third proposed solutions are correct:

  • If  $q(t) = \text{const.} =-0.5$, the phase function is also constant:
$$\phi(t) = \eta \cdot q(t) = - {\pi}/{2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = - {\rm j} \cdot s_0 = - 2{\rm j}.$$
  • Thus, for the actual physical signal:
$$s(t) = s_0 \cdot {\cos} ( \omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t -{\pi}/{2}) = 2 \cdot {\sin} ( \omega_{\rm T} \hspace{0.05cm} t ).$$
  • In contrast,  $q(t) = +0.5$  leads to  $\phi (t) = \pi /2$  and to  $s_{\rm TP}(t) = 2{\rm j}$.
  • If  $q(t)$  is a rectangular signal that alternates between  $+0.5$  and  $–0.5$  , then the locality curve consists of only two points on the imaginary axis, regardless of how long the intervals with   $+0.5$  and  $–0.5$  last.
  • If, on the other hand,  $q(t) = \pm 1$, then the possible phase values  $+\pi$  and  $-\pi$ result purely formally, but they are identical.
  • The locality curve then consists of only one point:   $s_{\rm TP}(t) = - s_0$   ⇒   the signal  $s(t)$  is  "minus-cosine"  for all times  $t$.