Aufgaben:Exercise 1.10: BPSK Baseband Model: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation
}}
}}


[[File:P_ID1683__Dig_A_4_3.png|right|frame|Unsymmetrischer Kanalfrequenzgang]]
[[File:P_ID1683__Dig_A_4_3.png|right|frame|Unbalanced channel frequency response]]
Wir betrachten in dieser Aufgabe ein BPSK–System mit kohärenter Demodulation, das heißt, es gilt
In this exercise,  we consider a BPSK system with coherent demodulation,  i.e.
:$$s(t) \ = \  z(t) \cdot q(t),$$
:$$s(t) \ = \  z(t) \cdot q(t),$$
:$$b(t) \ = \ 2 \cdot z(t) \cdot r(t) .$$
:$$b(t) \ = \ 2 \cdot z(t) \cdot r(t) .$$
Die hier gewählten Bezeichnungen lehnen sich an das [[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation#Gemeinsames_Blockschaltbild_f.C3.BCr_ASK_und_BPSK|Blockschaltbild]] im Theorieteil an.
The designations chosen here are based on the  [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation#Common_block_diagram_for_ASK_and_BPSK|"block diagram"]]  in the theory section.


Der Einfluss eines Kanalfrequenzgangs $H_{\rm K}(f)$ lässt sich in einfacher Weise berücksichtigen, wenn man diesen zusammen mit Modulator und Demodulator durch einen gemeinsamen Basisbandfrequenzgang beschreibt:
The influence of a channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  can be taken into account in a simple way if it is described together with modulator and demodulator by a common baseband frequency response:
:$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \left [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\right ] .$$
:$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \big [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ] .$$
Damit werden
*Modulator und Demodulator quasi gegeneinander gekürzt,
*der Bandpasskanal $H_{\rm K}(f)$ in den Tiefpassbereich transformiert.


*Thus the modulator and demodulator are virtually shortened against each other,  and


Die resultierende Übertragungsfunktion $H_{\rm MKD}(f)$ sollte man nicht mit der Tiefpass–Übertragungsfunktion $H_{\rm K, \, TP}(f)$ gemäß der Beschreibung im Kapitel [[Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|Äquivalentes Tiefpass-Signal und zugehörige Spektralfunktion]] des Buches „Signaldarstellung” verwechseln, die sich aus $H_{\rm K}(f)$ durch Abschneiden der Anteile bei negativen Frequenzen sowie einer Frequenzverschiebung um $f_{\rm T}$ nach links ergibt. Bei Frequenzgängen muss im Gegensatz zu den Spektralfunktionen auf die Verdoppelung der Anteile bei positiven Frequenzen verzichtet werden.  
*the band-pass channel  $H_{\rm K}(f)$  is transformed into the low-pass range.




''Hinweise:''
The resulting transmission function  $H_{\rm MKD}(f)$  should not be confused with the low-pass transmission function  $H_{\rm K, \, TP}(f)$  as described in the chapter  [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function|"Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function"]]  of the book "Signal Representation",  which results from  $H_{\rm K}(f)$  by truncating the components at negative frequencies as well as a frequency shift by the carrier frequency $f_{\rm T}$  to the left.
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite [[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation#Basisbandmodell_f.C3.BCr_ASK_und_BPSK|Basisbandmodell für ASK und BPSK]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.


For frequency responses,  in contrast to spectral functions,  the doubling of the components at positive frequencies must be omitted.




===Fragebogen===
 
 
Notes:
*The exercise belongs to the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|"Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation"]].
 
*Reference is made in particular to the section  [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation#Baseband_model_for_ASK_and_BPSK|"Baseband model for ASK and BPSK"]].
 
*The subscript  "MKD"  stands for   "modulator – channel  – demodulator"  German:  "Modulator – Kanal  – Demodulator").
 
 
 
===Questions===


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


{Welche Aussagen gelten für die äquivalente Tiefpassfunktion  $H_{\rm K, \, TP}(f)$ ?
{Which statements are valid for the equivalent low-pass function &nbsp;$H_{\rm K, \, TP}(f)$ ?
|type="[]"}
|type="[]"}
- Es gilt $H_{\rm K, \, TP}(f=0)= 2$.
- &nbsp;$H_{\rm K, \, TP}(f=0)= 2$.
+Es gilt $H_{\rm K, \, TP}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 1$.
+ &nbsp;$H_{\rm K, \, TP}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 1$.
+ Es gilt $H_{\rm K, \, TP}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 0.75$.
+ &nbsp;$H_{\rm K, \, TP}(f = -\Delta f_{\rm K}/4) = 0.75$.
+Die dazugehörige Zeitfunktion $h_{\rm K, \, TP}(t)$ ist komplex.
+ The corresponding time function &nbsp;$h_{\rm K, \, TP}(t)$&nbsp; is complex.


{Welche Aussagen gelten für den Frequenzgang  $H_{\rm MKD}(f)$ ?
{Which statements are valid for the frequency response &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$ ?
|type="[]"}
|type="[]"}
- Es gilt $H_{\rm MKD}(f=0)= 2$.
- &nbsp;$H_{\rm MKD}(f=0)= 2$.
-Es gilt $H_{\rm MKD}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 1$.
- &nbsp;$H_{\rm MKD}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 1$.
+ Es gilt $H_{\rm MKD}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 0.75$.
+ &nbsp;$H_{\rm MKD}(f = -\Delta f_{\rm K}/4) = 0.75$.
-Die dazugehörige Zeitfunktion $h_{\rm MKD}(t)$ ist komplex.
- The corresponding time function &nbsp;$h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; is complex.


{Berechnen Sie die Zeitfunktion $h_{\rm MKD}(t)$ . Geben Sie den Wert bei $t = 0$ an.
{Calculate the time function &nbsp;$h_{\rm MKD}(t)$.&nbsp; Specify the value at &nbsp;$t = 0$.&nbsp;
|type="{}"}
|type="{}"}
$ h_{\rm MKD}(t)/\Delta f_{\rm K} \ = \ $ { 0.75 3% }  
$ h_{\rm MKD}(t = 0)/\Delta f_{\rm K} \ = \ $ { 0.75 3% }  


{Welche der folgenden Aussagen treffen zu?
{Which of the following statements are true?
|type="[]"}
|type="[]"}
-$h_{\rm MKD}(t)$ hat äquidistante Nulldurchgänge im Abstand $1/\Delta f_{\rm K}$.
-$h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; has equidistant zero crossings at distance &nbsp;$1/\Delta f_{\rm K}$.
+$h_{\rm MKD}(t)$ hat äquidistante Nulldurchgänge im Abstand $2/\Delta f_{\rm K}$.
+$h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; has equidistant zero crossings at distance &nbsp;$2/\Delta f_{\rm K}$.




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</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u>die Aussagen 2, 3 und 4</u>. $H_{\rm K,TP}(f)$ ergibt sich aus $H_{\rm K}(f)$ durch Abschneiden der negativen Frequenzanteile sowie Verschieben um $f_{\rm T}$ nach links. Bei Frequenzgängen wird im Gegensatz zu Spektren auf das Verdoppeln der Anteile bei positiven Frequenzen verzichtet. Deshalb gilt:
'''(1)'''&nbsp; <u>Statements 2, 3 and 4</u>&nbsp; are correct:
*$H_{\rm K,TP}(f)$&nbsp; results from&nbsp; $H_{\rm K}(f)$&nbsp; by cutting off the negative frequency components and shifting&nbsp; $f_{\rm T}$&nbsp; to the left.
 
* For frequency responses&nbsp; in contrast to spectra &nbsp; the doubling of the components at positive frequencies is omitted.&nbsp; Therefore:
:$$H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f= 0) = H_{\rm K}(f= f_{\rm T})=1.$$
:$$H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f= 0) = H_{\rm K}(f= f_{\rm T})=1.$$
Wegen der reellen unsymmetrischen Spektralfunktionen $H_{\rm K,TP}(f)$ ist die Fourierrücktransformierte $h_{\rm K,TP}(t)$ nach dem Zuordnungssatz komplex.
*Because of the real and asymmetrical spectral functions&nbsp; $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f),$&nbsp; the corresponding time function&nbsp; (inverse Fourier transform)&nbsp; $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$&nbsp; is complex according to the&nbsp; "Allocation Theorem".
[[File:P_ID1684__Dig_A_4_3_a.png|center|frame|Tiefpassfunktionen für $H_{\rm K}(f)$]]
 
 
[[File:P_ID1684__Dig_A_4_3_a.png|right|frame|Low-pass functions for&nbsp; $H_{\rm K}(f)$]]
 
'''(2)'''&nbsp; Here only the&nbsp; <u>third proposed solution</u>&nbsp; is correct:
*The spectral function&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; always has an even real part and no imaginary part.&nbsp; Consequently&nbsp; $h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; is always real.
 
*If&nbsp; $H_{\rm K}(f)$&nbsp; had additionally an imaginary part odd by&nbsp;$f= f_{\rm T}$,&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; would have an imaginary part odd by&nbsp;$f = 0$.&nbsp; Thus&nbsp; $h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; would still be a real function.
 
 
The diagram illustrates the differences between&nbsp; $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$&nbsp; and&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$.&nbsp; The parts of&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; in the range around&nbsp; $\pm 2f_{\rm T}$&nbsp; need not be considered further.
 


'''(2)'''&nbsp; Hier ist nur der <u>dritte Lösungsvorschlag</u> richtig. Die Spektralfunktion $H_{\rm MKD}(f)$ besitzt stets einen geraden Realteil. Demzufolge ist $h_{\rm MKD}(t)$ stets reell. Hätte $H_{\rm K}(f)$ zusätzlich einen um $f_{\rm T}$ ungeraden Imaginärteil, so würde $H_{\rm MKD}(f)$ einen um $f = 0$  ungeraden Imaginärteil aufweisen. Damit wäre $h_{\rm MKD}(t)$ immer noch eine reelle Funktion.
'''(3)'''&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; is additively composed of a rectangle and a triangle,&nbsp; each with width&nbsp; $\Delta f_{\rm K}$&nbsp; and height&nbsp; $0.5$. It follows:
:$$h_{\rm MKD}(t) = \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot {\rm sinc} ( \Delta f_{\rm K} \cdot t)+ \frac{\Delta f_{\rm K}}{4} \cdot {\rm sinc}^2 ( \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot t)$$
:$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm MKD}(t = 0) = \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} + \frac{\Delta f_{\rm K}}{4} = 0.75 \cdot \Delta f_{\rm K}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm MKD}(t = 0)/{\Delta f_{\rm K}} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.75} .$$


Die Grafik verdeutlicht die Unterschiede zwischen $H_{\rm K,TP}(f)$ und $H_{\rm MKD}(f)$. Die Anteile von $H_{\rm MKD}(f)$ im Bereich um $\pm 2f_{\rm T}$ müssen nicht weiter beachtet werden.


'''(3)'''&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$ setzt sich additiv aus einem Rechteck und einem Dreieck zusammen, jeweils mit Breite $\delta f_{\rm K}$ und Höhe $0.5$. Daraus folgt:
'''(4)'''&nbsp; The&nbsp; <u>second proposed solution</u>&nbsp; is correct:
:$$h_{\rm MKD}(t) = \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot {\rm si} (\pi \cdot \Delta f_{\rm K} \cdot t)+ \frac{\Delta f_{\rm K}}{4} \cdot {\rm si}^2 (\pi \cdot \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot t)$$
*The first sinc&ndash;function does have equidistant zero crossings at the distance&nbsp; $1/\Delta f_{\rm K}$.
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm MKD}(t = 0) = \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} + \frac{\Delta f_{\rm K}}{4} = 0.75 \cdot \Delta f_{\rm K}$$
*But the equidistant zero crossings of the whole time function&nbsp; $h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; are determined by the second term:
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm MKD}(t = 0)/{\Delta f_{\rm K}} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.75} .$$
:$$h_{\rm MKD}(t = \frac{1}{\Delta f_{\rm K}}) = \ \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot {\rm sinc} (1 )+\frac{\Delta f_{\rm K}}{4} \cdot {\rm sinc}^2 (0.5) = \frac{\Deltaf_{\rm K}}{4},$$
:$$h_{\rm MKD}(t = \frac{2}{\Delta f_{\rm K}})  = \ \frac{\Deltaf_{\rm K}}{2} \cdot {\rm sinc} (2 )+ \frac{\Delta f_{\rm K}}{4}\cdot {\rm sinc}^2 (1) = 0.$$


'''(4)'''&nbsp; Die erste si–Funktion besitzt zwar äquidistante Nulldurchgänge im Abstand $1/\Delta f_{\rm K}$. Die äquidistanten Nulldurchgänge der gesamten Zeitfunktion $h_{\rm MKD}$ werden aber durch den zweiten Term bestimmt:
:$$h_{\rm MKD}(t = \frac{1}{\Delta f_{\rm K}}) = \ \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot {\rm si} (\pi )+
\frac{\Delta f_{\rm K}}{4} \cdot {\rm si}^2 (\pi/2) = \frac{\Delta
f_{\rm K}}{4},$$
:$$h_{\rm MKD}(t = \frac{2}{\Delta f_{\rm K}})  = \ \frac{\Delta
f_{\rm K}}{2} \cdot {\rm si} (2\pi )+ \frac{\Delta f_{\rm K}}{4}
\cdot {\rm si}^2 (\pi) = 0.$$
Richtig ist der <u>zweite Lösungsvorschlag.</u>




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[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^1.5 Lineare digitale Modulation^]]
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.5 Linear Digital Modulation^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 1.10: BPSK–Basisbandmodell]]

Latest revision as of 17:55, 16 March 2026

Unbalanced channel frequency response

In this exercise,  we consider a BPSK system with coherent demodulation,  i.e.

$$s(t) \ = \ z(t) \cdot q(t),$$
$$b(t) \ = \ 2 \cdot z(t) \cdot r(t) .$$

The designations chosen here are based on the  "block diagram"  in the theory section.

The influence of a channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  can be taken into account in a simple way if it is described together with modulator and demodulator by a common baseband frequency response:

$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \big [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\big ] .$$
  • Thus the modulator and demodulator are virtually shortened against each other,  and
  • the band-pass channel  $H_{\rm K}(f)$  is transformed into the low-pass range.


The resulting transmission function  $H_{\rm MKD}(f)$  should not be confused with the low-pass transmission function  $H_{\rm K, \, TP}(f)$  as described in the chapter  "Equivalent Low-Pass Signal and its Spectral Function"  of the book "Signal Representation",  which results from  $H_{\rm K}(f)$  by truncating the components at negative frequencies as well as a frequency shift by the carrier frequency $f_{\rm T}$  to the left.

For frequency responses,  in contrast to spectral functions,  the doubling of the components at positive frequencies must be omitted.



Notes:

  • The subscript  "MKD"  stands for  "modulator – channel – demodulator"  German:  "Modulator – Kanal – Demodulator").



Questions

1 Which statements are valid for the equivalent low-pass function  $H_{\rm K, \, TP}(f)$ ?

 $H_{\rm K, \, TP}(f=0)= 2$.
 $H_{\rm K, \, TP}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 1$.
 $H_{\rm K, \, TP}(f = -\Delta f_{\rm K}/4) = 0.75$.
The corresponding time function  $h_{\rm K, \, TP}(t)$  is complex.

2 Which statements are valid for the frequency response  $H_{\rm MKD}(f)$ ?

 $H_{\rm MKD}(f=0)= 2$.
 $H_{\rm MKD}(f = \Delta f_{\rm K}/4) = 1$.
 $H_{\rm MKD}(f = -\Delta f_{\rm K}/4) = 0.75$.
The corresponding time function  $h_{\rm MKD}(t)$  is complex.

3 Calculate the time function  $h_{\rm MKD}(t)$.  Specify the value at  $t = 0$. 

$ h_{\rm MKD}(t = 0)/\Delta f_{\rm K} \ = \ $

4 Which of the following statements are true?

$h_{\rm MKD}(t)$  has equidistant zero crossings at distance  $1/\Delta f_{\rm K}$.
$h_{\rm MKD}(t)$  has equidistant zero crossings at distance  $2/\Delta f_{\rm K}$.


Solution

(1)  Statements 2, 3 and 4  are correct:

  • $H_{\rm K,TP}(f)$  results from  $H_{\rm K}(f)$  by cutting off the negative frequency components and shifting  $f_{\rm T}$  to the left.
  • For frequency responses  – in contrast to spectra –  the doubling of the components at positive frequencies is omitted.  Therefore:
$$H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f= 0) = H_{\rm K}(f= f_{\rm T})=1.$$
  • Because of the real and asymmetrical spectral functions  $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f),$  the corresponding time function  (inverse Fourier transform)  $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$  is complex according to the  "Allocation Theorem".


Low-pass functions for  $H_{\rm K}(f)$

(2)  Here only the  third proposed solution  is correct:

  • The spectral function  $H_{\rm MKD}(f)$  always has an even real part and no imaginary part.  Consequently  $h_{\rm MKD}(t)$  is always real.
  • If  $H_{\rm K}(f)$  had additionally an imaginary part odd by $f= f_{\rm T}$,  $H_{\rm MKD}(f)$  would have an imaginary part odd by $f = 0$.  Thus  $h_{\rm MKD}(t)$  would still be a real function.


The diagram illustrates the differences between  $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$  and  $H_{\rm MKD}(f)$.  The parts of  $H_{\rm MKD}(f)$  in the range around  $\pm 2f_{\rm T}$  need not be considered further.


(3)  $H_{\rm MKD}(f)$  is additively composed of a rectangle and a triangle,  each with width  $\Delta f_{\rm K}$  and height  $0.5$. It follows:

$$h_{\rm MKD}(t) = \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot {\rm sinc} ( \Delta f_{\rm K} \cdot t)+ \frac{\Delta f_{\rm K}}{4} \cdot {\rm sinc}^2 ( \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot t)$$
$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm MKD}(t = 0) = \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} + \frac{\Delta f_{\rm K}}{4} = 0.75 \cdot \Delta f_{\rm K}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm MKD}(t = 0)/{\Delta f_{\rm K}} \hspace{0.1cm}\underline {= 0.75} .$$


(4)  The  second proposed solution  is correct:

  • The first sinc–function does have equidistant zero crossings at the distance  $1/\Delta f_{\rm K}$.
  • But the equidistant zero crossings of the whole time function  $h_{\rm MKD}(t)$  are determined by the second term:
$$h_{\rm MKD}(t = \frac{1}{\Delta f_{\rm K}}) = \ \frac{\Delta f_{\rm K}}{2} \cdot {\rm sinc} (1 )+\frac{\Delta f_{\rm K}}{4} \cdot {\rm sinc}^2 (0.5) = \frac{\Deltaf_{\rm K}}{4},$$
$$h_{\rm MKD}(t = \frac{2}{\Delta f_{\rm K}}) = \ \frac{\Deltaf_{\rm K}}{2} \cdot {\rm sinc} (2 )+ \frac{\Delta f_{\rm K}}{4}\cdot {\rm sinc}^2 (1) = 0.$$