Aufgaben:Exercise 3.11: Pre-Emphase and De-Emphase: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Rauscheinfluss bei PM und FM
{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Rauscheinfluss_bei_Winkelmodulation
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}}


[[File:P_ID1116__Mod_A_3_10.png|right|frame|Realisierung einer Preemphase]]
[[File:P_ID1116__Mod_A_3_10.png|right|frame|Realization of a pre-emphase]]
Bei der Sprach– und Tonsignalübertragung wird das Signalfrequenzband vor dem FM–Modulator über ein RC–Hochpassglied gemäß der Skizze vorverzerrt. Man bezeichnet diese Maßnahme als ''Preemphase'' (PE).
In voice and audio signal transmission, the signal frequency band is pre-distorted before the FM modulator via an RC high-pass filter according to the diagram. This measure is called "pre-emphasis"   $\rm (PE)$.


Der Amplitudengang des Preemphase–Netzwerks lautet
The amplitude response of the preemphasis network, together with
*mit den beiden Grenzfrequenzen $f_{\rm G1} = (2π · R_1 · C)^{–1}$ und $f_{\rm G2} = f_{G1}/α_0$, sowie
*the two cutoff frequencies  $f_{\rm G1} = (2π · R_1 · C)^{–1}$  and  $f_{\rm G2} = f_{\rm G1}/α_0$, as well as
*dem Gleichsignalübertragungsfaktor $α_0 = R_2/(R_1 + R_2)$r:
*the DC signal transmission factor   $α_0 = R_2/(R_1 + R_2)$
is given by:
:$$ |H_{\rm PE} (f)| = \alpha_0 \cdot \sqrt{\frac{1 + (f/f_{\rm G1})^2}{1 + (f/f_{\rm G2})^2}} \hspace{0.05cm}.$$
:$$ |H_{\rm PE} (f)| = \alpha_0 \cdot \sqrt{\frac{1 + (f/f_{\rm G1})^2}{1 + (f/f_{\rm G2})^2}} \hspace{0.05cm}.$$


Für den praktischen Betrieb kann man davon ausgehen, dass die maximale Nachrichtenfrequenz $f_{\rm N}$ sehr viel kleiner als $f_{\rm G2}$ ist. Berücksichtigt man weiter, dass der Gleichsignalübertragungsfaktor $α_0$ durch eine Verstärkung um $α$ verändert werden kann, so ist im Weiteren von folgendem Preemphase–Frequenzgang auszugehen ($f_{\rm G} = f_{\rm G1} = 3 \ \rm  kHz$):
For practical purposes, we can assume that the maximum message frequency  $f_{\rm N}$  is much smaller than  $f_{\rm G2}$ .
 
If we further consider that the DC signal transmission factor $α_0$  can be changed by an amplification of nbsp;$α$ , we can further assume the following pre-emphasis frequency response
where  $(f_{\rm G} = f_{\rm G1} = 3 \ \rm  kHz)$:
:$$|H_{\rm PE} (f)| \approx \alpha \cdot \sqrt{{1 + \left({f}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
:$$|H_{\rm PE} (f)| \approx \alpha \cdot \sqrt{{1 + \left({f}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
Mit diesem Netzwerk lautet der Frequenzhub $Δf_{\rm A}$ in Abhängigkeit der Nachrichtenfrequenz $f_{\rm N}$:
In this network, the frequency deviation is  $Δf_{\rm A}$  as a function of the message frequency $f_{\rm N}$:
:$$ \Delta f_{\rm A} (f_{\rm N}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left({f_{\rm N}}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
:$$ \Delta f_{\rm A} (f_{\rm N}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left({f_{\rm N}}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei ist $Δf_\text{A, min}$ der Frequenzhub für sehr kleine Frequenzen ($f_{\rm N} → 0$). Dieser Parameter ist so zu wählen, dass der maximale Frequenzhub $Δf_\text{A, max}$ nicht größer wird als $45 \ \rm kHz$.
*Here  $Δf_\text{A, min}$  is the frequency deviation for very small frequencies  $(f_{\rm N} → 0)$.  
*This parameter should be chosen so that the maximum frequency deviation  $Δf_\text{A, max}$  does not exceed  $45 \ \rm kHz$.




Um das Nutzsignal nicht zu verfälschen, muss diese Vorverzerrung durch ein ''Deemphase''–Netzwerk beim Empfänger wieder ausgeglichen werden. Ziel und Zweck von Preemphase/Deemphase ist es allein, die Abhängigkeit des Signal–zu–Rausch–Leistungsverhältnisses von der Signalfrequenz zu vermindern.
In order not to distort the useful signal, this pre-emphasis must be rebalanced by a "de-emphasis" network at the receiver. The goal and purpose of preemphasis/deemphasis is solely to reduce the dependence of the signal-to-noise power ratio on the signal frequency.


In dieser Aufgabe werden folgende Größen verwendet:
In this task, the following quantities are used:
* Sinken–SNR bei Zweiseitenband-Amplitudenmodulation (ZSB–AM):
* Sink SNR in double-sideband amplitude modulation (DSB-AM)  $\rm (DSB–AM)$:
:$$\rho_{{\rm AM} } = \frac{P_{\rm S}}{N_0 \cdot f_{\rm N} } = \xi\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{{\rm AM} } = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\xi \hspace{0.05cm},$$
:$$\rho_{{\rm AM} } = \frac{P_{\rm S}}{N_0 \cdot f_{\rm N} } = \xi\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{{\rm AM} } = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\xi \hspace{0.05cm},$$
* Sinken–SNR und Störabstandsgewinn bei Frequenzmodulation  (FM) ohne Preemphase/Deemphase:
* Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$  without pre-emphasis/de-emphasis: 
:$$ \rho_{\rm FM} = {3}/{2 } \cdot \eta^2 \cdot \rho_{\rm AM  } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
:$$ \rho_{\rm FM} = {3}/{2 } \cdot \eta^2 \cdot \rho_{\rm AM  } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_{\rm FM} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM} -10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm AM}= 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}{3}/{2 } \cdot \eta^2\hspace{0.05cm},$$
G_{\rm FM} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM} -
*Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$ using pre-emphasis/de-emphasis:
10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm AM}= 10 \cdot {\rm
:$$ \rho_{\rm DE} = \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_{\rm DE} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm DE} -10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM}\hspace{0.05cm}$$
lg} \hspace{0.15cm}{3}/{2 } \cdot \eta^2
\hspace{0.05cm},$$
*Sinken–SNR und Störabstandsgewinn bei Frequenzmodulation (FM) durch Preemphase/Deemphase:
:$$ \rho_{\rm DE} = \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
G_{\rm DE} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm DE} -
10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM}\hspace{0.05cm}$$




''Hinweise:''
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Rauscheinfluss_bei_Winkelmodulation|Rauscheinfluss bei Winkelmodulation]].
*Bezug genommen wirdinsbesondere auf den Abschnitt [[Modulationsverfahren/Rauscheinfluss_bei_Winkelmodulation#Preemphase_und_Deemphase|Preemphase und Deemphase]].
*Gehen Sie in der gesamten Aufgabe von einem Nachrichtensignal aus, das Frequenzen bis einschließlich $B_{\rm NF}= 9 \ \rm kHz$ beinhaltet.
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.






===Fragebogen===
''Hints:''
*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Influence_of_Noise_on_Systems_with_Angle_Modulation|Influence of Noise on Systems with Angle Modulation]].
*Particular reference is made to the section  [[Modulation_Methods/Influence_of_Noise_on_Systems_with_Angle_Modulation#Pre-emphasis_and_de-emphasis|Pre-emphasis and de-emphasis]].
*Throughout the task, assume a message signal containing frequencies up to and including  $B_{\rm NF}= 9 \ \rm kHz$ .
 
 
 
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Geben Sie eine mögliche Realisierung des Deemphase–Netzwerks $H_{\rm DE}(f)$ an. Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
{Give a possible realization of the de-emphasis network &nbsp;$H_{\rm DE}(f)$&nbsp;. Which of the following statements are correct?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ $H_{\rm DE}(f)$ ist ein Tiefpass erster Ordnung.
+ $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; is a first-order low-pass filter.
- $H_{\rm DE}(f)$ ist ein Hochpass erster Ordnung.
- $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; is a first-order high-pass filter.
- $H_{\rm DE}(f)$ ist ein Bandpass.
- $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; is a bandpass.
+ Zusätzlich muss der Faktor $α$ korrigiert werden.
+ In addition, the factor &nbsp;$α$&nbsp; must be corrected.




{Wie groß ist der Störabstandsgewinn $G_{FM}$ der herkömmlichen FM gegenüber AM bei den genannten Nachrichtenfrequenzen $ f_{\rm N}$?
{What is the signal-to-noise ratio advantage &nbsp;$G_{\rm FM}$&nbsp; of conventional FM over AM at the given message frequencies &nbsp;$ f_{\rm N}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$ f_{\rm N} = 9 \ \rm kHz\text{:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 15.74 3% } $\ \rm dB$  
$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 15.74 3% } $\ \rm dB$  
$ f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz\text{:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 25.28 3% } $\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{3 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 25.28 3% } $\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = 1 \ \rm kHz\text{:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 34.82 3% } $\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 34.82 3% } $\ \rm dB$


{Wie groß ist $Δf_\text{A, min}$ mit $Δf_\text{A, max} = 45 \ \rm  kHz$ und $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$ zu wählen?
{What &nbsp;$Δf_\text{A, min}$ &nbsp; should we choose when &nbsp; $Δf_\text{A, max} = 45 \ \rm  kHz$ &nbsp; and &nbsp; $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$ &nbsp;?
|type="{}"}
|type="{}"}
$Δf_\text{A, min}  \ = \ $ { 14.23 3% } $\ \rm kHz$  
$Δf_\text{A, min}  \ = \ $ { 14.23 3% } $\ \rm kHz$  


{Welcher zusätzliche Gewinn ist durch Preemphase/Deemphase zu erzielen?
{What is the additional efficiency gain to be obtained by pre-emphasis/de-emphasis??
|type="{}"}
|type="{}"}
$ f_{\rm N} = 9 \ \rm kHz\text{:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 7.1 3% } $\ \rm dB$  
$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 7.1 3% } $\ \rm dB$  
$ f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz\text{:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 1.9 3% } $\ \rm dB$  
$ f_{\rm N} = \text{3 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 1.9 3% } $\ \rm dB$  
$ f_{\rm N} = 1 \ \rm kHz\text{:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 0.28 3% } $\ \rm dB$  
$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 0.28 3% } $\ \rm dB$  




Line 78: Line 79:
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind <u>der erste und der letzte Lösungsvorschlag</u>:
'''(1)'''&nbsp;  The <u>first and last answer</u> are correct:
*Der Betragsfrequenzgang des Deemphase–Netzwerks ist wie folgt festgelegt:
*The magnitude frequency response of the de-emphasis network is defined as follows:
:$$ |H_{\rm DE} (f)| = \frac{1}{|H_{\rm PE} (f)|}= \frac{1}{\alpha}\cdot \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}} \hspace{0.05cm}.$$
:$$ |H_{\rm DE} (f)| = \frac{1}{|H_{\rm PE} (f)|}= \frac{1}{\alpha}\cdot \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}} \hspace{0.05cm}.$$
*Der Frequenzgang eines einfachen RC–Tiefpasses – auch bekannt als Tiefpass erster Ordnung – lautet:
*The frequency response of a simple RC low-pass filter - also known as a first-order low-pass filter - is:
:$$ H_{\rm RC-TP} (f) = \frac{1}{{1 + {\rm j}\cdot f/f_{\rm G}}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} |H_{\rm RC-TP} (f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$ H_{\rm RC-TP} (f) = \frac{1}{{1 + {\rm j}\cdot f/f_{\rm G}}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} |H_{\rm RC-TP} (f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(2)'''&nbsp;  Die Frequenzmodulation  (FM)  ist auf die maximale Signalfrequenz $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$ ausgelegt, mit der der (maximale) Frequenzhub $Δf_{\rm A} = 45\ \rm  kHz$ betragen soll. Daraus folgt für den Modulationsindex:
:$$ \eta = \frac{\Delta f_{\rm A}}{f_{\rm N} } = 5 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}
\hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 5^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 15.74\,{\rm dB}}
\hspace{0.05cm}.$$


Mit der Nachrichtenfrequenz $ f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$  ergibt sich ein um den Faktor $3$ größerer Modulationsindex und damit ein um den Faktor $10 · \lg \ 9 = 9.54 \ \rm  dB$ größerer Störabstand:
:$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}
\hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 15^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 25.28\,{\rm dB}}
\hspace{0.05cm}.$$


Ein weiterer Zugewinn ergibt sich durch den Übergang von $3\ \rm  kHz$ auf $1\ \rm  kHz$:
'''(2)'''&nbsp;The frequency modulation is designed for the maximum frequency&nbsp; $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$&nbsp;.&nbsp; Then the (maximum) frequency deviation should be&nbsp; $Δf_{\rm A} = 45\ \rm  kHz$&nbsp;.
:$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) =  25.28\,{\rm dB} + 9.54\,{\rm
*From this it follows for the modulation index:
dB}\hspace{0.15cm}\underline {= 34.82\,{\rm dB}}
:$$ \eta = \frac{\Delta f_{\rm A}}{f_{\rm N} } = 5 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 5^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 15.74\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  \hspace{0.05cm}.$$
 
*Using the message frequency&nbsp; $ f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$&nbsp;  results in a modulation index larger by a factor of &nbsp; $3$&nbsp; and thus a signal-to-noise ratio larger by a factor of&nbsp; $10 · \lg \ 9 = 9.54 \ \rm  dB$&nbsp;:
:$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 15^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 25.28\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 
*Another gain results from the transition from &nbsp; $3\ \rm  kHz$&nbsp; to&nbsp; $1\ \rm  kHz$:
:$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) =  25.28\,{\rm dB} + 9.54\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline {= 34.82\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 
 
 
'''(3)'''&nbsp;  The maximum frequency deviation is obtained for $f_{\rm N} = B_{\rm NF}$.
*It follows, with $f_{\rm G} = 3 \ \rm    kHz$ and $B_{\rm NF} = 9 \ \rm  kHz$:
:$$\Delta f_{\rm A} (B_{\rm NF}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left(\frac{B_{\rm NF}}{f_{\rm G}}\right)^2}} = \sqrt {10} \cdot \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min}= \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}max} = 45\,{\rm kHz}$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} = \frac{45\,{\rm kHz}}{\sqrt {10}}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 14.23\,{\rm kHz}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(3)'''&nbsp;  Der maximale Frequenzhub ergibt sich für $f_{\rm N} = B_{\rm NF}$. Daraus folgt mit $f_{\rm G}  = 3 \ \rm    kHz$ und $B_{\rm NF} = 9 \ \rm  kHz$:
:$$\Delta f_{\rm A} (B_{\rm NF}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left(\frac{B_{\rm NF}}{f_{\rm G}}\right)^2}} = \sqrt {10} \cdot \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min}= \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}max} = 45\,{\rm kHz}\hspace{0.3cm}
\Rightarrow \hspace{0.3cm} \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} = \frac{45\,{\rm kHz}}{\sqrt {10}}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 14.23\,{\rm kHz}}\hspace{0.05cm}.$$


'''(4)'''&nbsp;  Mit der angegebenen Formel erhält man folgende Gewinne:  
'''(4)'''&nbsp;  Using the given formula, the following "gains due to pre-emphasis/de-emphasis" are obtained:
:$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm
:$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }= 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{3^3}{3 \cdot (3 -1.249) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 7.1\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
lg}\hspace{0.15cm} \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm
N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }= 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{3^3}{3 \cdot (3 -
1.249) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 7.1\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
:$$ G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{1^3}{3 \cdot (1 - \pi/4) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 1.9\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
:$$ G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{1^3}{3 \cdot (1 - \pi/4) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 1.9\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
:$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{(1/3)^3}{3 \cdot (1/3 - 0.322) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.28\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{(1/3)^3}{3 \cdot (1/3 - 0.322) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.28\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^3.3 Rauscheinfluss bei PM und FM^]]
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.3 Noise Influence with PM and FM^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 3.11: Pre-emphase und De-emphase]]

Latest revision as of 17:57, 16 March 2026

Realization of a pre-emphase

In voice and audio signal transmission, the signal frequency band is pre-distorted before the FM modulator via an RC high-pass filter according to the diagram. This measure is called "pre-emphasis"   $\rm (PE)$.

The amplitude response of the preemphasis network, together with

  • the two cutoff frequencies  $f_{\rm G1} = (2π · R_1 · C)^{–1}$  and  $f_{\rm G2} = f_{\rm G1}/α_0$, as well as
  • the DC signal transmission factor  $α_0 = R_2/(R_1 + R_2)$

is given by:

$$ |H_{\rm PE} (f)| = \alpha_0 \cdot \sqrt{\frac{1 + (f/f_{\rm G1})^2}{1 + (f/f_{\rm G2})^2}} \hspace{0.05cm}.$$

For practical purposes, we can assume that the maximum message frequency  $f_{\rm N}$  is much smaller than  $f_{\rm G2}$ .

If we further consider that the DC signal transmission factor $α_0$  can be changed by an amplification of nbsp;$α$ , we can further assume the following pre-emphasis frequency response where  $(f_{\rm G} = f_{\rm G1} = 3 \ \rm kHz)$:

$$|H_{\rm PE} (f)| \approx \alpha \cdot \sqrt{{1 + \left({f}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$

In this network, the frequency deviation is  $Δf_{\rm A}$  as a function of the message frequency $f_{\rm N}$:

$$ \Delta f_{\rm A} (f_{\rm N}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left({f_{\rm N}}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Here  $Δf_\text{A, min}$  is the frequency deviation for very small frequencies  $(f_{\rm N} → 0)$.
  • This parameter should be chosen so that the maximum frequency deviation  $Δf_\text{A, max}$  does not exceed  $45 \ \rm kHz$.


In order not to distort the useful signal, this pre-emphasis must be rebalanced by a "de-emphasis" network at the receiver. The goal and purpose of preemphasis/deemphasis is solely to reduce the dependence of the signal-to-noise power ratio on the signal frequency.

In this task, the following quantities are used:

  • Sink SNR in double-sideband amplitude modulation (DSB-AM)  $\rm (DSB–AM)$:
$$\rho_{{\rm AM} } = \frac{P_{\rm S}}{N_0 \cdot f_{\rm N} } = \xi\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{{\rm AM} } = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\xi \hspace{0.05cm},$$
  • Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$  without pre-emphasis/de-emphasis: 
$$ \rho_{\rm FM} = {3}/{2 } \cdot \eta^2 \cdot \rho_{\rm AM } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_{\rm FM} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM} -10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm AM}= 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}{3}/{2 } \cdot \eta^2\hspace{0.05cm},$$
  • Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$ using pre-emphasis/de-emphasis:
$$ \rho_{\rm DE} = \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_{\rm DE} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm DE} -10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM}\hspace{0.05cm}$$



Hints:



Questions

1 Give a possible realization of the de-emphasis network  $H_{\rm DE}(f)$ . Which of the following statements are correct?

$H_{\rm DE}(f)$  is a first-order low-pass filter.
$H_{\rm DE}(f)$  is a first-order high-pass filter.
$H_{\rm DE}(f)$  is a bandpass.
In addition, the factor  $α$  must be corrected.

2 What is the signal-to-noise ratio advantage  $G_{\rm FM}$  of conventional FM over AM at the given message frequencies  $ f_{\rm N}$?

$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ $\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{3 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ $\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ $\ \rm dB$

3 What  $Δf_\text{A, min}$   should we choose when   $Δf_\text{A, max} = 45 \ \rm kHz$   and   $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$  ?

$Δf_\text{A, min} \ = \ $ $\ \rm kHz$

4 What is the additional efficiency gain to be obtained by pre-emphasis/de-emphasis??

$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ $\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{3 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ $\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ $\ \rm dB$


Solution

(1)  The first and last answer are correct:

  • The magnitude frequency response of the de-emphasis network is defined as follows:
$$ |H_{\rm DE} (f)| = \frac{1}{|H_{\rm PE} (f)|}= \frac{1}{\alpha}\cdot \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}} \hspace{0.05cm}.$$
  • The frequency response of a simple RC low-pass filter - also known as a first-order low-pass filter - is:
$$ H_{\rm RC-TP} (f) = \frac{1}{{1 + {\rm j}\cdot f/f_{\rm G}}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} |H_{\rm RC-TP} (f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}}\hspace{0.05cm}.$$


(2) The frequency modulation is designed for the maximum frequency  $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$ .  Then the (maximum) frequency deviation should be  $Δf_{\rm A} = 45\ \rm kHz$ .

  • From this it follows for the modulation index:
$$ \eta = \frac{\Delta f_{\rm A}}{f_{\rm N} } = 5 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 5^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 15.74\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Using the message frequency  $ f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$  results in a modulation index larger by a factor of   $3$  and thus a signal-to-noise ratio larger by a factor of  $10 · \lg \ 9 = 9.54 \ \rm dB$ :
$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 15^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 25.28\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Another gain results from the transition from   $3\ \rm kHz$  to  $1\ \rm kHz$:
$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) = 25.28\,{\rm dB} + 9.54\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline {= 34.82\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  The maximum frequency deviation is obtained for $f_{\rm N} = B_{\rm NF}$.

  • It follows, with $f_{\rm G} = 3 \ \rm kHz$ and $B_{\rm NF} = 9 \ \rm kHz$:
$$\Delta f_{\rm A} (B_{\rm NF}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left(\frac{B_{\rm NF}}{f_{\rm G}}\right)^2}} = \sqrt {10} \cdot \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min}= \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}max} = 45\,{\rm kHz}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} = \frac{45\,{\rm kHz}}{\sqrt {10}}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 14.23\,{\rm kHz}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Using the given formula, the following "gains due to pre-emphasis/de-emphasis" are obtained:

$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }= 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{3^3}{3 \cdot (3 -1.249) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 7.1\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
$$ G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{1^3}{3 \cdot (1 - \pi/4) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 1.9\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{(1/3)^3}{3 \cdot (1/3 - 0.322) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.28\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$