Aufgaben:Exercise 4.7: Copper Twin Wire 0.5 mm: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Lineare zeitinvariante Systeme/Kupfer–Doppelader
{{quiz-Header|Buchseite=Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs
}}
}}


[[File:P_ID1818__LZI_A_4_7.png|right|frame|Impulsantwort der Kupfer-Doppelader]]
[[File:P_ID1818__LZI_A_4_7.png|right|frame|Impulse response of the copper twin wire]]
Das Zeitverhalten einer Kupferdoppelader mit Durchmesser $d = 0.5 \ \rm mm$ soll analysiert werden.  
The time response of a copper twin wire with diameter  $d = 0.5 \ \rm mm$  is to be analyzed.


Der Frequenzgang lautet mit der Leitungslänge $l = 1.5 \ \rm km$ und der Bitrate $R = 10  \rm Mbit/s$:
*The frequency response with the line length  $l = 1.5 \ \rm km$  and the bit rate  $R = 10  \ \rm Mbit/s$:
:$$H_{\rm K}(f)  =  {\rm e}^{-{\rm a}_0 } \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.01cm}\tau_{\rm P}}
:$$H_{\rm K}(f)  =  {\rm e}^{-{\rm a}_0 } \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.01cm}\tau_{\rm P}}\cdot {\rm e}^{-{\rm a}_1 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.02cm}2f/R}\cdot  {\rm e}^{-{\rm a}_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm}.$$
  \cdot {\rm
*The following quantities are used,  which can be derived from the attenuation and phase function per unit length:
  e}^{-{\rm a}_1 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.02cm}2f/R}\cdot  {\rm
:$${\rm a}_0  =  \alpha_0 \cdot l\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\alpha_0 = 0.5066\,\, \frac{\rm Np}{\rm km}\hspace{0.05cm},$$
  e}^{-{\rm a}_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\cdot {\rm
:$$  \tau_{\rm P}  =  \frac{\beta_1 \cdot l}{2 \pi} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\beta_1 = 30.6\,\,\frac{\rm rad}{\rm km \cdot MHz}\hspace{0.05cm},$$
  e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}
:$$  {\rm a}_1  =  \alpha_1 \cdot l \cdot {{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\alpha_1 = 0.136\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot MHz}\hspace{0.05cm},$$
\hspace{0.05cm}.$$
:$$  {\rm a}_2  =  \alpha_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\alpha_2 = 1.1467\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot \sqrt{MHz}}\hspace{0.05cm},$$
Verwendet sind folgende Größen, die sich aus dem Dämpfungs– und Phasenmaß ableiten lassen:
:$$  {b}_2  =  \beta_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\beta_2 = 1.1467\,\, \frac{\rm rad}{\rm km \cdot\sqrt{MHz}}\hspace{0.05cm}.$$
:$${a}_0  =  \alpha_0 \cdot l\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.15cm}\alpha_0 = 0.5066\,\, \frac{\rm Np}{\rm km}\hspace{0.05cm},$$
:$$  \tau_{\rm P}  =  \frac{\beta_1 \cdot l}{2 \pi} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.15cm}\beta_1 = 30.6\,\,
  \frac{\rm rad}{\rm km \cdot MHz}\hspace{0.05cm},$$
:$$  {a}_1  =  \alpha_1 \cdot l \cdot {{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.15cm}
  \alpha_1 = 0.136\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot MHz}\hspace{0.05cm},$$
:$$  {a}_2  =  \alpha_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.15cm}
  \alpha_2 = 1.1467\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot \sqrt{MHz}}\hspace{0.05cm},$$
:$$  {b}_2  =  \beta_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.15cm}
  \beta_2 = 1.1467\,\, \frac{\rm rad}{\rm km \cdot
  \sqrt{MHz}}\hspace{0.05cm}.$$


Die Impulsantwort lässt sich somit in der Form
*The impulse response can thus be expressed in the form
:$$h_{\rm K}(t )  = K \cdot \left [ \delta(t - \tau_{\rm P})\star h_{1}(t) \star h_{2}(t) \right ]$$
:$$h_{\rm K}(t )  = K \cdot \big [ \delta(t - \tau_{\rm P})\star h_{1}(t) \star h_{2}(t) \big ]$$
darstellen, wobei
where
* die Teilimpulsantwort $h_1(t)$ auf den dritten Term in obiger Gleichung zurückgeht, und
* the partial impulse response  $h_1(t)$  is due to the third term in the frequency domain equation,  and
* $h_2(t)$ die gemeinsame Zeitbereichsdarstellung der beiden letzten Terme angibt.
* $h_2(t)$  indicates the joint time-domain representation of the last two terms.




Die Grafik zeigt als rote Kurve den Anteil $h_2(t)$ der Impulsantwort und das Faltungsprodukt $h_1(t) \star h_2(t)$ (blauer Kurvenverlauf). Dabei ist $h_2(t)$ gleich der [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Eigenschaften_von_Koaxialkabeln#Impulsantwort_eines_Koaxialkabels|Koaxialkabel–Impulsantwort]] mit der charakteristischen Kabeldämpfung ${a}_\star = {a}_2$.
The graph shows as red curve the part &nbsp;$h_2(t)$&nbsp; of the impulse response and the convolution product &nbsp;$h_1(t) \star h_2(t)$&nbsp; &rArr; &nbsp; blue curve). <br>Here &nbsp;$h_2(t)$&nbsp; is equal to the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Coaxial_Cables#Impulse_response_of_a_coaxial_cable|coaxial cable impulse response]]&nbsp; with the characteristic cable attenuation &nbsp;${\rm a}_\star = {\rm a}_2$.




''Hinweise:''
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Eigenschaften_von_Kupfer–Doppeladern|Eigenschaften von Kupfer–Doppeladern]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
*Die Parameter $\alpha_0$, $\alpha_1$ und $\alpha_2$ wurden aus den $k$&ndash;Parametern umgerechnet, wie in [[Aufgaben:4.6_k-Parameter_und_Alpha-Parameter|Aufgabe 4.6]] gezeigt.
*Der Phasenmaßparameter $\beta_2$ wurde hier zahlenmäßig gleich dem Dämpfungsmaßparameter $\alpha_2$ gesetzt. Der Dämpfungsanteil ${a}_2$ und der Phasenanteil ${b}_2$ unterscheiden sich deshalb nur in der Einheit.
*Auf der Seite [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Eigenschaften_von_Kupfer–Doppeladern#Diskussion_der_gefundenen_N.C3.A4herungsl.C3.B6sung|Diskussion der gefundenen Näherungslösung]] wird dargelegt, warum diese Maßnahme erforderlich ist.
*Sie können zur Überprüfung Ihrer Ergebnisse das interaktive Applet [[Applets:Zeitverhalten_von_Kupferkabeln|Zeitverhalten von Kupferkabeln]] benutzen.








===Fragebogen===
 
 
 
''Notes:''
*The exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Eigenschaften_von_Kupfer–Doppeladern|Properties of Balanced Copper Pairs]].
*The parameters &nbsp;$\alpha_0$, &nbsp;$\alpha_1$ and &nbsp;$\alpha_2$ were converted from the &nbsp;$k$&ndash;parameters as shown in&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_4.6:_k-parameters_and_alpha-parameters|Exercise 4.6]].
*The phase function parameter &nbsp;$\beta_2$&nbsp; was set here numerically equal to the attenuation function parameter&nbsp; $\alpha_2$.&nbsp;
*Therefore,&nbsp; the attenuation component &nbsp;${\rm a}_2$&nbsp; and the phase component &nbsp;${b}_2$&nbsp; differ only in units.
*On the page&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs#Discussion_of_the_approximate_solution_found|Discussion of the approximate solution found]],&nbsp; it is explained why this measure is necessary.
*You can use the&nbsp; (German language)&nbsp; interactive SWF applet &nbsp;[[Applets:Zeitverhalten_von_Kupferkabeln|"Zeitverhalten von Kupferkabeln"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Time behavior of copper cables"&nbsp; to check your results.
 
 
 
 
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie die Konstante $K$ der Impulsantwort $h_{\rm K}(t )$.
{Calculate the constant &nbsp;$K$&nbsp; of the impulse response &nbsp;$h_{\rm K}(t )$.
|type="{}"}
|type="{}"}
$K \ = \ $  { 0.468 3% }
$K \ = \ $  { 0.468 3% }




{Berechnen Sie die Phasenlaufzeit $\tau_P$, bezogen auf die Symboldauer $T$.
{Calculate the phase delay &nbsp;$\tau_P$,&nbsp; related to the symbol duration &nbsp;$T$.
|type="{}"}
|type="{}"}
$\tau_P/T \ = \ $ { 73 3% }
$\tau_{\rm P}/T \ = \ $ { 73 3% }




{Wie groß ist die charakteristische Dämpfung $a_\star$ des vergleichbaren Koaxialkabels?
{What is the characteristic attenuation &nbsp;$a_\star$&nbsp; of the comparable coaxial cable?
|type="{}"}
|type="{}"}
$a_\star \ = \ $ { 25.5 } $\ \rm dB$
${\rm a}_\star \ = \ $ { 25.5 } $\ \rm dB$




{Welche Eigenschaften weist die Teilimpulsantwort $h_{\rm 1}(t )$ auf?
{What are the characteristics of the partial impulse response &nbsp;$h_{\rm 1}(t )$?
|type="[]"}
|type="[]"}
+  $h_{\rm 1}(t )$ ist eine gerade Funktion.
+  $h_{\rm 1}(t )$&nbsp; is an even function.
+ Das Maximum von  $h_{\rm 1}(t )$ liegt bei $t = 0$.
+ The maximum of &nbsp;$h_{\rm 1}(t )$&nbsp; is at &nbsp;$t = 0$.
- Das Integral über $h_{\rm 1}(t )$ ergibt den Wert $2$.
- The integral over &nbsp;$h_{\rm 1}(t )$&nbsp; gives the value &nbsp;$2$.




{Welche Eigenschaften erkennt man an der Funktion $h_1(t ) \star h_2(t )$?
{Which properties can you recognize in the function &nbsp;$h_1(t ) \star h_2(t )$?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ $h_1(t ) \star h_2(t )$ gibt die Verzerrungen von $h_{\rm K}(t )$ vollständig wieder.
+ $h_1(t ) \star h_2(t )$&nbsp; completely reproduces the distortions of &nbsp;$h_{\rm K}(t )$.&nbsp;
- $h_1(t ) \star h_2(t )$ unterscheidet sich von $h_{\rm K}(t )$ nur durch einen Faktor.
- $h_1(t ) \star h_2(t )$&nbsp; differs from &nbsp;$h_{\rm K}(t )$&nbsp; only by one factor.




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</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Mit $a_0 = \alpha_0 \cdot l \approx 0.76 \ \rm Np$ erhält man für die Konstante $K$, die den Einfluss des Koeffizienten $ \alpha_0$ auf die Impulsantwort angibt:
'''(1)'''&nbsp; With&nbsp; ${\rm a}_0 = \alpha_0 \cdot l \approx 0.76 \ \rm Np$,&nbsp; for the constant&nbsp; $K$,&nbsp; which indicates the influence of the coefficient&nbsp; $ \alpha_0$&nbsp; on the impulse response,&nbsp; we obtain:
:$$K = {\rm e}^{-{a}_0 }= {\rm e}^{-0.76} \hspace{0.15cm}\underline{= 0.468} \hspace{0.05cm}.$$
:$$K = {\rm e}^{-{\rm a}_0 }= {\rm e}^{-0.76} \hspace{0.15cm}\underline{= 0.468} \hspace{0.05cm}.$$
 
 
 
'''(2)'''&nbsp; For the phase delay,&nbsp; using the given equation:
:$$\tau_{\rm P} = \frac{\beta_1 \cdot l}{2 \pi}=  \frac{30.6 \cdot 1.5}{2 \pi}\, {\rm &micro; s}\approx 7.31\, {\rm &micro;s}\hspace{0.05cm},$$
and related to the symbol duration&nbsp; $T = 0.1 \  &micro; \rm s$:&nbsp; &nbsp;
:$${\tau_{\rm P}}/{T} \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 73}\hspace{0.05cm}.$$
 
 


'''(3)'''&nbsp; The impulse response of a coaxial cable is approximately equal to&nbsp; $h_2(t)$,&nbsp; if the cable has the following characteristic cable attenuation:
:$${\rm a}_\star ={\rm a}_2  =  \alpha_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}} =1.1467\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot \sqrt{MHz}} \cdot 1.5\,{\rm km} \cdot \sqrt{\frac{10\,{\rm MHz}}{2}}=  2.93\,{\rm Np} = 2.93\,{\rm Np} \cdot8.686\,\frac {\rm dB}{\rm Np} \hspace{0.15cm}\underline{ =25.5\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(2)'''&nbsp; Für die Phasenlaufzeit gilt mit der angegebenen Gleichung:
:$$\tau_{\rm P} = \frac{\beta_1 \cdot l}{2 \pi}=  \frac{30.6 \cdot 1.5}{2 \pi}\, {\rm &micro; s}\approx 7.31\, {\rm &micro;
s}\hspace{0.05cm},$$
und auf die Symboldauer $T = 0.1 \  &micro; \rm s$  bezogen: &nbsp; ${\tau_{\rm P}}/{T} \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 73}\hspace{0.05cm}.$




'''(3)'''&nbsp; Die Impulsantwort eines Koaxialkabels ist näherungsweise gleich $h_2(t)$, wenn das Kabel folgende charakteristische Kabeldämpfung aufweist:
'''(4)'''&nbsp; <u>Statements 1 and 2</u>&nbsp; are correct:
:$${a}_\star ={a}_2  =  \alpha_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}} =
*The Fourier transform&nbsp; $H_1(f) = {\rm e}^{-A \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} |f|}$&nbsp; with&nbsp; $A = 2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} {a}_1/R$&nbsp; is real and even,&nbsp; so&nbsp; $h_1(t)$&nbsp; is also real and even.
1.1467\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot \sqrt{MHz}} \cdot 1.5\,{\rm km} \cdot \sqrt{\frac{10\,{\rm MHz}}{2}}
*Due to the low&ndash;pass characteristic of&nbsp; $H_1(f)$,&nbsp; the maximum is at&nbsp; $t = 0$.  
  = 2.93\,{\rm Np} = 2.93\,{\rm Np} \cdot8.686\,\frac {\rm dB}{\rm Np} \hspace{0.15cm}\underline{ =25.5\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
*The last statement,&nbsp; on the other hand,&nbsp; is incorrect: &nbsp; The integral over&nbsp; $h_1(t)$&nbsp; in the entire time domain&nbsp; $ \pm \infty$&nbsp; is equal to&nbsp; $H_1(f=0) = 1$.




'''(4)'''&nbsp; Richig sind die <u>Aussagen 1 und 2</u>:
*Die Fouriertransformierte $H_1(f) = {\rm e}^{-A \cdot |f|}$ mit $A = 2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} {a}_1/R$ ist reell und gerade, so dass $h_1(t)$ ebenfalls reell und gerade ist.
*Aufgrund der Tiefpass&ndash;Charakteristik von $H_1(f)$ liegt das Maximum bei $t = 0$.
*Die letzte Aussage ist dagegen falsch : Das Integral über $h_1(t)$ im gesamten Zeitbereich $ \pm \infty$ ist gleich $H_1(f=0) = 1$.




'''(5)'''&nbsp; Richtig ist nur <u>der Lösungsvorschlag 1</u>:  
'''(5)'''&nbsp; Only <u>solution 1</u>&nbsp; is correct:  
*Die Teilimpulsantwort $h_1(t ) \star h_2(t )$ berücksichtigt den Einfluss von $\alpha_1$, $\alpha_2$ und $\beta_2$ und damit alle Terme, die zu Verzerrungen führen. Dagegen führt $\alpha_0$ nur zu einer frequenzunabhängigen Dämpfung und$\beta_1$ lediglich zu einer für alle Frequenzen konstanten Laufzeit.
*The partial impulse response&nbsp; $h_1(t ) \star h_2(t )$&nbsp; takes into account the influence of&nbsp; $\alpha_1$,&nbsp; $\alpha_2$&nbsp; and&nbsp; $\beta_2$&nbsp; and thus all terms leading to distortions.
*Der Lösungsvorschlag 2 trifft dagegen nicht zu. Zunächst (bei kleinen $t$&ndash;Werten) ist $h_1(t ) \star h_2(t )$ kleiner als $h_2(t )$. Bei großen $t$&ndash;Werten liegt dann die blaue Kurve oberhalb der roten.  
*In contrast, &nbsp; $\alpha_0$&nbsp; leads only to a frequency-independent attenuation and&nbsp; $\beta_1$&nbsp; only to a constant running time for all frequencies.
*Das bedeutet: $\alpha_1$ und damit auch $h_1(t )$ bewirken tatsächlich zusätzliche Verzerrungen, auch wenn diese nicht sehr ins Gewicht fallen.
*Solution 2 does not apply: &nbsp;  First&nbsp; (for small&nbsp; $t$&ndash;values)&nbsp; &nbsp; $h_1(t ) \star h_2(t )$&nbsp; is smaller than&nbsp; $h_2(t )$.&nbsp;
*Then, for large&nbsp; $t$&ndash;values, the blue curve lies above the red one.
*This means: &nbsp; $\alpha_1$&nbsp; and thus also&nbsp; $h_1(t )$&nbsp; actually cause additional distortions,&nbsp; even when they are not very significant.
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Aufgaben zu Lineare zeitinvariante Systeme|^4.3 Kupfer–Doppelader^]]
[[Category:Linear and Time-Invariant Systems: Exercises|^4.3 Balanced Copper Twisted Pair^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 4.7: Kupfer-Doppelader 0.5 mm]]

Latest revision as of 17:56, 16 March 2026

Impulse response of the copper twin wire

The time response of a copper twin wire with diameter  $d = 0.5 \ \rm mm$  is to be analyzed.

  • The frequency response with the line length  $l = 1.5 \ \rm km$  and the bit rate  $R = 10 \ \rm Mbit/s$:
$$H_{\rm K}(f) = {\rm e}^{-{\rm a}_0 } \cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.01cm}\tau_{\rm P}}\cdot {\rm e}^{-{\rm a}_1 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.02cm}2f/R}\cdot {\rm e}^{-{\rm a}_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\cdot {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The following quantities are used,  which can be derived from the attenuation and phase function per unit length:
$${\rm a}_0 = \alpha_0 \cdot l\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\alpha_0 = 0.5066\,\, \frac{\rm Np}{\rm km}\hspace{0.05cm},$$
$$ \tau_{\rm P} = \frac{\beta_1 \cdot l}{2 \pi} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\beta_1 = 30.6\,\,\frac{\rm rad}{\rm km \cdot MHz}\hspace{0.05cm},$$
$$ {\rm a}_1 = \alpha_1 \cdot l \cdot {{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\alpha_1 = 0.136\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot MHz}\hspace{0.05cm},$$
$$ {\rm a}_2 = \alpha_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\alpha_2 = 1.1467\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot \sqrt{MHz}}\hspace{0.05cm},$$
$$ {b}_2 = \beta_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm}\beta_2 = 1.1467\,\, \frac{\rm rad}{\rm km \cdot\sqrt{MHz}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The impulse response can thus be expressed in the form
$$h_{\rm K}(t ) = K \cdot \big [ \delta(t - \tau_{\rm P})\star h_{1}(t) \star h_{2}(t) \big ]$$

where

  • the partial impulse response  $h_1(t)$  is due to the third term in the frequency domain equation,  and
  • $h_2(t)$  indicates the joint time-domain representation of the last two terms.


The graph shows as red curve the part  $h_2(t)$  of the impulse response and the convolution product  $h_1(t) \star h_2(t)$  ⇒   blue curve).
Here  $h_2(t)$  is equal to the  coaxial cable impulse response  with the characteristic cable attenuation  ${\rm a}_\star = {\rm a}_2$.





Notes:

  • The parameters  $\alpha_0$,  $\alpha_1$ and  $\alpha_2$ were converted from the  $k$–parameters as shown in  Exercise 4.6.
  • The phase function parameter  $\beta_2$  was set here numerically equal to the attenuation function parameter  $\alpha_2$. 
  • Therefore,  the attenuation component  ${\rm a}_2$  and the phase component  ${b}_2$  differ only in units.
  • On the page  Discussion of the approximate solution found,  it is explained why this measure is necessary.
  • You can use the  (German language)  interactive SWF applet  "Zeitverhalten von Kupferkabeln"   ⇒   "Time behavior of copper cables"  to check your results.



Questions

1 Calculate the constant  $K$  of the impulse response  $h_{\rm K}(t )$.

$K \ = \ $

2 Calculate the phase delay  $\tau_P$,  related to the symbol duration  $T$.

$\tau_{\rm P}/T \ = \ $

3 What is the characteristic attenuation  $a_\star$  of the comparable coaxial cable?

${\rm a}_\star \ = \ $ $\ \rm dB$

4 What are the characteristics of the partial impulse response  $h_{\rm 1}(t )$?

$h_{\rm 1}(t )$  is an even function.
The maximum of  $h_{\rm 1}(t )$  is at  $t = 0$.
The integral over  $h_{\rm 1}(t )$  gives the value  $2$.

5 Which properties can you recognize in the function  $h_1(t ) \star h_2(t )$?

$h_1(t ) \star h_2(t )$  completely reproduces the distortions of  $h_{\rm K}(t )$. 
$h_1(t ) \star h_2(t )$  differs from  $h_{\rm K}(t )$  only by one factor.


Solution

(1)  With  ${\rm a}_0 = \alpha_0 \cdot l \approx 0.76 \ \rm Np$,  for the constant  $K$,  which indicates the influence of the coefficient  $ \alpha_0$  on the impulse response,  we obtain:

$$K = {\rm e}^{-{\rm a}_0 }= {\rm e}^{-0.76} \hspace{0.15cm}\underline{= 0.468} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  For the phase delay,  using the given equation:

$$\tau_{\rm P} = \frac{\beta_1 \cdot l}{2 \pi}= \frac{30.6 \cdot 1.5}{2 \pi}\, {\rm µ s}\approx 7.31\, {\rm µs}\hspace{0.05cm},$$

and related to the symbol duration  $T = 0.1 \ µ \rm s$:   

$${\tau_{\rm P}}/{T} \hspace{0.15cm}\underline{ \approx 73}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  The impulse response of a coaxial cable is approximately equal to  $h_2(t)$,  if the cable has the following characteristic cable attenuation:

$${\rm a}_\star ={\rm a}_2 = \alpha_2 \cdot l \cdot \sqrt{{R}/{2}} =1.1467\,\, \frac{\rm Np}{\rm km \cdot \sqrt{MHz}} \cdot 1.5\,{\rm km} \cdot \sqrt{\frac{10\,{\rm MHz}}{2}}= 2.93\,{\rm Np} = 2.93\,{\rm Np} \cdot8.686\,\frac {\rm dB}{\rm Np} \hspace{0.15cm}\underline{ =25.5\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Statements 1 and 2  are correct:

  • The Fourier transform  $H_1(f) = {\rm e}^{-A \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} |f|}$  with  $A = 2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} {a}_1/R$  is real and even,  so  $h_1(t)$  is also real and even.
  • Due to the low–pass characteristic of  $H_1(f)$,  the maximum is at  $t = 0$.
  • The last statement,  on the other hand,  is incorrect:   The integral over  $h_1(t)$  in the entire time domain  $ \pm \infty$  is equal to  $H_1(f=0) = 1$.



(5)  Only solution 1  is correct:

  • The partial impulse response  $h_1(t ) \star h_2(t )$  takes into account the influence of  $\alpha_1$,  $\alpha_2$  and  $\beta_2$  and thus all terms leading to distortions.
  • In contrast,   $\alpha_0$  leads only to a frequency-independent attenuation and  $\beta_1$  only to a constant running time for all frequencies.
  • Solution 2 does not apply:   First  (for small  $t$–values)    $h_1(t ) \star h_2(t )$  is smaller than  $h_2(t )$. 
  • Then, for large  $t$–values, the blue curve lies above the red one.
  • This means:   $\alpha_1$  and thus also  $h_1(t )$  actually cause additional distortions,  even when they are not very significant.