Aufgaben:Exercise 3.3: Noise at Channel Equalization: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Ber%C3%BCcksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization
}}
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[[File:P_ID1407__Dig_A_3_3.png |right|frame|Rausch–LDS vor dem Entscheider]]
[[File:P_ID1407__Dig_A_3_3.png |right|frame|Noise PSD before the decision]]
Wir betrachten zwei unterschiedliche Systemvarianten, die beide NRZ–Rechteck–Sendeimpulse benutzen und durch AWGN–Rauschen beeinträchtigt werden.  
We consider two different system variants,  both using NRZ rectangular transmission pulses and are affected by AWGN noise.
*In beiden Fällen wird zur Rauschleistungsbegrenzung ein Gaußtiefpass
*To limit the noise power,  in both cases a Gaussian low-pass filter
:$$H_{\rm G}(f) = {\rm exp}(- \pi \cdot
:$$H_{\rm G}(f) = {\rm exp}(- \pi \cdot\frac{f^2}{(2f_{\rm G})^2})$$
\frac{f^2}{(2f_{\rm G})^2})$$


:mit der normierten Grenzfrequenz $f_{\rm G} \cdot T = 0.35$ verwendet, so dass beide Systeme mit $\ddot{o}(T_{\rm D} = 0) = 0.478 \cdot s_0$ auch die gleiche Augenöffnung aufweisen.  
:with normalized cutoff frequency  $f_{\rm G} \cdot T = 0.35$  is used, so that both systems also have the same eye opening with  $\ddot{o}(T_{\rm D} = 0) = 0.478 \cdot s_0$. 
*Die pro Bit aufgewendete Sendeenergie $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$ ist um den Faktor $10^9$ größer als die Rauschleistungsdichte $N_0$   ⇒   $10\cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 90 \, {\rm dB}$.
*The transmission energy  $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$  spent per bit is larger than the noise power density  $N_0$    by a factor of  $10^9$  ⇒   $10\cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 90 \, {\rm dB}$.


* The channel frequency response of system  $\rm A$  is frequency-independent:   $H_{\rm K}(f) = \alpha$.  Accordingly,   for the receiver filter  $H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)/\alpha$  must be assumed,  so that the following applies to the detection noise power:
:$$\sigma_d^2 = {N_0}/{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty}|H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0 \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2}\cdot \alpha^2} \hspace{0.05cm}.$$


Die beiden Systeme unterscheiden sich wie folgt:
* In contrast,  system  $\rm B$  assumes a coaxial cable with characteristic attenuation  $($at half the bit rate$)$  $a_* = 80 \, {\rm dB}$  $($or  $9.2 \, {\rm Np})$  so that the channel magnitude frequency response is:
* Der Kanalfrequenzgang von System '''A''' ist frequenzunabhängig: $H_{\rm K}(f) = \alpha$. Für das Empfangsfilter ist demnach $H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)/\alpha$ anzusetzen, so dass für die Detektionsrauschleistung gilt:
:$$|H_{\rm K}(f)| = {\rm e}^{- 9.2 \hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm}\sqrt{2 f T}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$\sigma_d^2 = {N_0}/{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty}
|H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0 \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2}
\cdot \alpha^2} \hspace{0.05cm}.$$
* Dagegen ist für System '''B''' ein Koaxialkabel mit der charakteristischen Dämpfung (bei der halben Bitrate) $a_* = 80 \, {\rm dB}$ (bzw. $9.2 \, {\rm Np}$) vorausgesetzt, so dass für den Betragsfrequenzgang gilt:
:$$|H_{\rm K}(f)| = {\rm e}^{- 9.2 \hspace{0.05cm} \cdot
\hspace{0.05cm}\sqrt{2 f T}}\hspace{0.05cm}.$$
* Somit lautet die Gleichung für die Rauschleistungsdichte vor dem Entscheider (mit $f_{\rm G} \cdot T = 0.35$):
:$${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = {N_0}/{2} \cdot \frac{|H_{\rm G
}(f)|^2}{|H_{\rm K}(f)|^2} = {N_0}/{2} \cdot {\rm exp}\left
[18.4 \cdot \sqrt{2  f  T} - 2\pi \cdot \frac{(f \cdot T)^2}{(2 \cdot 0.35)^2}
\right ] \hspace{0.05cm}.$$


Dieser Funktionsverlauf '''B''' ist in obiger Grafik rot dargestellt. Die Rauchleistungsdichte für das System '''A''' ist blau gezeichnet.
* Thus,  the equation for the noise power density  $\rm (PSD)$  before the decision is  $($with  $f_{\rm G} \cdot T = 0.35)$:
:$${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = {N_0}/{2} \cdot \frac{|H_{\rm G}(f)|^2}{|H_{\rm K}(f)|^2} = {N_0}/{2} \cdot {\rm exp}\left[18.4 \cdot \sqrt{2  f  T} - 2\pi \cdot \frac{(f \cdot T)^2}{(2 \cdot 0.35)^2}\right ] \hspace{0.05cm}.$$


Für das System '''B''' wurde messtechnisch die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit
*The noise PSD of system  $\rm B$  is shown in red in the above graph and the noise PSD of system  $\rm A$  is drawn in blue.
:$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}
  \right) \hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.2cm} \rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2}$$


bestimmt. Die Messung ergab $p_{\rm U} = 4 \cdot 10^{\rm -8}$, was dem Störabstand $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} = 14.8 \, {\rm dB}$ entspricht.
*For the system  $\rm B$,  the worst-case error probability
:$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}\right) \hspace{0.4cm}{\rm with} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2}$$


:was determined.  The measurement resulted in  $p_{\rm U} = 4 \cdot 10^{\rm -8}$,  which corresponds to the signal-to-noise ratio  $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} = 14.8 \, {\rm dB}$. 


''Hinweise:''
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Ber%C3%BCcksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung|Berücksichtigung von Kanalverzerrungen und Entzerrung]].
* Verwenden Sie zur numerischen Auswertung der Q–Funktion das Interaktionsmodul [[Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.






===Fragebogen===
Notes:
*The exercise belongs to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization|"Consideration of Channel Distortion and Equalization"]].
 
* Use the  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]] interaction module for numerical evaluation of the Q–function.
 
 
 
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Welcher Störeffektivwert tritt bei System B auf?
{What&nbsp; (normalized)&nbsp; noise rms value occurs in system &nbsp;$\rm B$?&nbsp;
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm System \, B}: \sigma_d/s_0$ = { 0.044 3% }
$\sigma_d/s_0 \ = \ $ { 0.044 3% }


{Welcher Störeffektivwert tritt bei System A auf, wenn dieses zur genau gleichen (ungünstigsten) Fehlerwahrscheinlichkeit wie das System A führt?
{What noise rms value occurs for system &nbsp;$\rm A$&nbsp; when it leads to exactly the same&nbsp; "worst-case error probability"&nbsp; as system &nbsp;$\rm B$?&nbsp;
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm System \,  A}: \sigma_d/s_0$ = { 0.044 3% }
$\sigma_d/s_0 \ = \ $ { 0.044 3% }


{Mit welchem Dämpfungsfaktor $\alpha$ ist das System A dem System B bezüglich der (ungünstigsten) Fehlerwahrscheinlichkeit äquivalent?
{By what attenuation factor &nbsp;$\alpha$&nbsp; is system &nbsp;$\rm A$&nbsp; equivalent to system &nbsp;$\rm B$&nbsp; in terms of worst-case error probability?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm System \ A}: 20 \cdot {\rm lg} \ \alpha$ = { -70.967--66.833 } ${\rm dB}$
$20 \cdot {\rm lg} \ \alpha \ = \ $ { -70.967--66.833 } ${\ \rm dB}$


{Wie groß ist die auf $N_0/2$ bezogene Rauschleistungsdichte (bei $f = 0$) vor dem Entscheider für das System A und System B?
{What is the noise power-spectral density&nbsp; $($at &nbsp;$f = 0)$&nbsp; normalized to &nbsp;$N_0/2$&nbsp;  before the decision for system &nbsp;$\rm A$&nbsp; and system &nbsp;$\rm B$?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm System \, A}: \,\Phi_{d \rm N} (f = 0)/(N_0/2) $ = { 7.8 3% } $\cdot 10^6$
$\text{System A:}\hspace{0.4cm} {\it \Phi}_{d \rm N} (f = 0)/(N_0/2) \ = \ $ { 7.8 3% } $\ \cdot 10^6$
${\rm System \, B}: \,\Phi_{d \rm N} (f = 0)/(N_0/2) $ = { 1 3% } $\cdot 10^0$
$\text{System B:}\hspace{0.42cm} {\it \Phi}_{d \rm N} (f = 0)/(N_0/2) \ = \ $ { 1 3% } $\ \cdot 10^0$


{Für den Rest der Aufgabe betrachten wir ausschließlich das System B. Bei welcher Frequenz $f_{\rm max}$ besitzt $\Phi_{d \rm N}(f)$ sein Maximum?
{For the rest of the exercise,&nbsp; we will only consider system &nbsp;$\rm B$.&nbsp; At what frequency &nbsp;$f_{\rm max}$&nbsp; does &nbsp;${\it \Phi}_{d \rm N}(f)$&nbsp; have its maximum?
|type="{}"}
|type="{}"}
${\rm System \, B}: f_{\rm max} \cdot T$ = { 0.63 3% }
$f_{\rm max} \cdot T\ = \ ${ 0.63 3% }


{Um welchen Faktor ist die Rauschleistungsdichte bei der Frequenz $f_{\rm max}$ größer als bei $f = 0$?
{By what factor is the noise power-spectral density at frequency &nbsp;$f_{\rm max}$&nbsp; greater than at &nbsp;$f = 0$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\Phi_{d \rm N}(f_{\rm max}/\Phi_{d \rm N}(0)$ = { 5.4 3% } $\cdot 10^6$
${\it \Phi}_{d \rm N}(f_{\rm max})/{\it \Phi}_{d \rm N}(0)\ = \ $ { 5.4 3% } $\ \cdot 10^6$
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} = 14.8 \, {\rm dB}$ folgt $\rho_{\rm U} = 10^{\rm 1.48} &asymp; 30.2$ und weiter mit der angegebenen Gleichung:
'''(1)'''&nbsp; From&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} = 14.8 \, {\rm dB}$&nbsp; follows&nbsp; $\rho_{\rm U} = 10^{\rm 1.48} &asymp; 30.2$&nbsp; and with the given equation:
:$$\sqrt{\rho_{\rm U}} = \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d}\hspace{0.3cm}\Rightarrow
:$$\sqrt{\rho_{\rm U}} = \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} \sigma_d = \frac{0.478 \cdot s_0/2}{ \sqrt{30.2}}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.044 \cdot s_0 }\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.3cm} \sigma_d = \frac{0.478 \cdot s_0/2}{ \sqrt{30.2}}
\hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.044 \cdot s_0 }\hspace{0.05cm}.$$




'''(2)'''&nbsp; Bei gleicher Fehlerwahrscheinlichkeit $\rho_{\rm U}$ (und damit gleichem $\rho_{\rm U}$) muss $\sigma_d$ genau den gleichen Wert besitzen wie unter Teilaufgabe a) berechnet, da auch die Augenöffnung gleich bleibt &#8658; $\sigma_d/s_0 \underline{= 0.044}.$
'''(2)'''&nbsp; With the same worst-case error probability&nbsp; $p_{\rm U}$&nbsp; (and thus the same&nbsp; $\rho_{\rm U}$),&nbsp; $\sigma_d$ must have exactly the same value as calculated in subtask&nbsp; '''(1)''',&nbsp; since the eye opening also remains the same &nbsp; &#8658; &nbsp; $\sigma_d/s_0 \underline{= 0.044}.$




'''(3)'''&nbsp; Entsprechend dem Angabenblatt gilt:
'''(3)'''&nbsp; According to the specification section:
:$$\alpha^2  =  \frac{N_0 \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2} \cdot \sigma_d^2}
:$$\alpha^2  =  \frac{N_0 \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2} \cdot \sigma_d^2}= \frac{10^{-9} \cdot s_0^2 \cdot T \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2}\cdot \sigma_d^2} = 10^{-9} \cdot \frac{ f_{\rm G} \cdotT}{\sqrt{2} \cdot (\sigma_d/s_0)^2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \alpha^2  =  10^{-9} \cdot \frac{0.35}{\sqrt{2} \cdot 0.044^2} \approx 1.28 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.$$
= \frac{10^{-9} \cdot s_0^2 \cdot T \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2}
\cdot \sigma_d^2} = 10^{-9} \cdot \frac{ f_{\rm G} \cdot
T}{\sqrt{2} \cdot (\sigma_d/s_0)^2}$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \alpha^2  =  10^{-9} \cdot \frac{
0.35}{\sqrt{2} \cdot 0.044^2} \approx 1.28 \cdot 10^{-7}
\hspace{0.05cm}.$$


In ${\rm dB}$ ausgedrückt erhält man somit
Expressed in&nbsp; ${\rm dB}$,&nbsp; one thus obtains
:$$20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\alpha = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\alpha^2 =
:$$20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\alpha = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\alpha^2 =-70\,{\rm dB}\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}1.28\hspace{0.15cm}\underline { =-68.9\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$
  -70\,{\rm dB}\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}1.28\hspace{0.15cm}\underline { =
  -68.9\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$




'''(4)'''&nbsp; Beim System B ist wegen $H_{\rm E}(f = 0) = 1$ der normierte Wert gleich $1$, das heißt, es ist $\Phi_{d \rm N}(f = 0) = N_0/2$. Dagegen ist bei System A dieser Wert aufgrund der Komponenten der frequenzunabhängigen Kabeldämpfung $\alpha$ um $1/\alpha^2$ größer:
'''(4)'''&nbsp; For system &nbsp;$\rm B$,&nbsp; because of&nbsp; $H_{\rm E}(f = 0) = 1$,&nbsp; the normalized value is equal&nbsp; to $1$,&nbsp; that means,&nbsp; it is&nbsp; ${\it \Phi}_{d \rm N}(f = 0) = N_0/2$.  
:$${\rm System}\hspace{0.15cm}{\rm A:}\hspace{0.1cm}\frac{{\it \Phi}_{d{\rm N}}(f = 0)}{N_0/2}  = \frac{1}{\alpha^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 7.8 \cdot 10^{6}} \hspace{0.05cm}, $$
:$${\rm System\hspace{0.15cm}B}: \frac{\Phi_{d \rm N}(f = 0)}{N_0/2} \, \underline {= 1}.$$


In contrast,&nbsp; for system &nbsp;$\rm A$,&nbsp; this value is larger&nbsp; by the factor&nbsp; $1/\alpha^2$&nbsp; due to the components of the frequency-independent cable attenuation&nbsp; $\alpha$:
:$${\rm System}\hspace{0.15cm}{\rm A:}\hspace{0.1cm}\frac{{\it \Phi}_{d{\rm N}}(f = 0)}{N_0/2}  = \frac{1}{\alpha^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 7.8 \cdot 10^{6}} \hspace{0.05cm}, \hspace{1.05cm}{\rm System\hspace{0.15cm}B}: \frac{{\it \Phi}_{d \rm N}(f = 0)}{N_0/2} \, \underline {= 1}.$$


'''(5)'''&nbsp; $\Phi_{d \rm N}(f)$ ist maximal, wenn der Exponent
 
'''(5)'''&nbsp; ${\it \Phi}_{d \rm N}(f)$&nbsp; is maximal if the exponent
:$$18.4 \cdot \sqrt{2  f  T} - 2\pi \cdot \frac{(f \cdot T)^2}{0.49}$$
:$$18.4 \cdot \sqrt{2  f  T} - 2\pi \cdot \frac{(f \cdot T)^2}{0.49}$$


den maximalen Wert besitzt. Mit $x = f \cdot T$ gilt somit für die Optimierungsfunktion:
has the maximum value.&nbsp; Thus,&nbsp; with $x = f \cdot T$,&nbsp; the optimization function is:
:$$y(x) = 26.022 \cdot  \sqrt{x} - 12.823 \cdot x^2 \approx 26 \cdot
:$$y(x) = 26.022 \cdot  \sqrt{x} - 12.823 \cdot x^2 \approx 26 \cdot\sqrt{x} - 13 \cdot x^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{{\rm d}y}{{\rm d}x} = \frac{26}{2\cdot \sqrt{x}} - 13 \cdot 2 \cdot x = 0$$
\sqrt{x} - 13 \cdot x^2$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{1} { \sqrt{x}} = 2 \cdot x\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{1} { x} = 4 \cdot x^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x^3 = 0.25\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x \approx 0.63\hspace{0.05cm}.$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{{\rm d}y}{{\rm d}x} = \frac{26}
 
{2\cdot \sqrt{x}} - 13 \cdot 2 \cdot x = 0$$
This gives&nbsp; $f_{\rm max} \cdot T\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.63}$.
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{1} { \sqrt{x}} = 2 \cdot x
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{1} { x} = 4 \cdot
x^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x^3 = 0.25
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.63}
\hspace{0.05cm}.$$


Damit ergibt sich $f_{\rm max} \cdot T$ näherungsweise zu $0.63$.
'''(6)'''&nbsp; With&nbsp; $x_{\rm max} = 0.63$&nbsp; we get the function value


:$$y(x_{\rm max})  \approx 26 \cdot \sqrt{0.63} - 13 \cdot 0.63^2\hspace{0.15cm}\underline {\approx 15.477}.$$
[[File:EN_Dig_A_3_3f.png|frame|right|Noise component&nbsp; $d_{\rm N}(t)$&nbsp; of the detection signal]]
It follows:
*The noise PSD at the&nbsp; (normalized)&nbsp; frequency&nbsp; $f \cdot T \approx 0.63$&nbsp; is larger than at the frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp;  by a factor of&nbsp; $e^{\rm 15.5} \ \underline{\approx 5.4 \cdot 10^6}$.


'''(6)'''&nbsp; Mit $x_{\rm max} = 0.63$ erhält man den Funktionswert
*Thus,&nbsp; periodic components with period&nbsp; $T_0 \approx 1.6 \cdot T$&nbsp; predominate in the noise component&nbsp; $d_{\rm N}(t)$.
:$$y(x_{\rm max})  \approx 26 \cdot \sqrt{0.63} - 13 \cdot 0.63^2
   
\hspace{0.15cm}\underline {\approx 15.477}.$$
*The graph shows a simulation and confirms this result.


Daraus folgt, dass die Rauschleistungsdichte bei der (normierten) Frequenz $f \cdot T \approx 0.63$ um den Faktor $e^{\rm 15.5} \underline{\approx 5.4 \cdot 10^6}$ größer ist als bei der Frequenz $f = 0$. Im Rauschanteil $d_{{\rm N}(t)}$ überwiegen somit periodische Anteile mit der Periodendauer $T_0 \approx 1.6 \cdot T$. Die folgende Grafik zeigt eine Simulation und bestätigt dieses Ergebnis.
[[File:P_ID1408__Dig_A_3_3f.png|frame|center|Rauschanteil $d_{{\rm N}(t)}$]]
{{ML-Fuß}}
{{ML-Fuß}}






[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^3.3 Kanalverzerrungen und Entzerrung^]]
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^3.3 Channel Distortion and Equalization^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 3.3: Rauschen bei Kanalentzerrung]]

Latest revision as of 17:57, 16 March 2026

Noise PSD before the decision

We consider two different system variants,  both using NRZ rectangular transmission pulses and are affected by AWGN noise.

  • To limit the noise power,  in both cases a Gaussian low-pass filter
$$H_{\rm G}(f) = {\rm exp}(- \pi \cdot\frac{f^2}{(2f_{\rm G})^2})$$
with normalized cutoff frequency  $f_{\rm G} \cdot T = 0.35$  is used, so that both systems also have the same eye opening with  $\ddot{o}(T_{\rm D} = 0) = 0.478 \cdot s_0$. 
  • The transmission energy  $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$  spent per bit is larger than the noise power density  $N_0$   by a factor of  $10^9$  ⇒   $10\cdot {\rm lg} \, E_{\rm B}/N_0 = 90 \, {\rm dB}$.
  • The channel frequency response of system  $\rm A$  is frequency-independent:   $H_{\rm K}(f) = \alpha$.  Accordingly,  for the receiver filter  $H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)/\alpha$  must be assumed,  so that the following applies to the detection noise power:
$$\sigma_d^2 = {N_0}/{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty}|H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0 \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2}\cdot \alpha^2} \hspace{0.05cm}.$$
  • In contrast,  system  $\rm B$  assumes a coaxial cable with characteristic attenuation  $($at half the bit rate$)$  $a_* = 80 \, {\rm dB}$  $($or  $9.2 \, {\rm Np})$  so that the channel magnitude frequency response is:
$$|H_{\rm K}(f)| = {\rm e}^{- 9.2 \hspace{0.05cm} \cdot\hspace{0.05cm}\sqrt{2 f T}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  the equation for the noise power density  $\rm (PSD)$  before the decision is  $($with  $f_{\rm G} \cdot T = 0.35)$:
$${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = {N_0}/{2} \cdot \frac{|H_{\rm G}(f)|^2}{|H_{\rm K}(f)|^2} = {N_0}/{2} \cdot {\rm exp}\left[18.4 \cdot \sqrt{2 f T} - 2\pi \cdot \frac{(f \cdot T)^2}{(2 \cdot 0.35)^2}\right ] \hspace{0.05cm}.$$
  • The noise PSD of system  $\rm B$  is shown in red in the above graph and the noise PSD of system  $\rm A$  is drawn in blue.
  • For the system  $\rm B$,  the worst-case error probability
$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}\right) \hspace{0.4cm}{\rm with} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2}$$
was determined.  The measurement resulted in  $p_{\rm U} = 4 \cdot 10^{\rm -8}$,  which corresponds to the signal-to-noise ratio  $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} = 14.8 \, {\rm dB}$. 



Notes:



Questions

1 What  (normalized)  noise rms value occurs in system  $\rm B$? 

$\sigma_d/s_0 \ = \ $

2 What noise rms value occurs for system  $\rm A$  when it leads to exactly the same  "worst-case error probability"  as system  $\rm B$? 

$\sigma_d/s_0 \ = \ $

3 By what attenuation factor  $\alpha$  is system  $\rm A$  equivalent to system  $\rm B$  in terms of worst-case error probability?

$20 \cdot {\rm lg} \ \alpha \ = \ $ ${\ \rm dB}$

4 What is the noise power-spectral density  $($at  $f = 0)$  normalized to  $N_0/2$  before the decision for system  $\rm A$  and system  $\rm B$?

$\text{System A:}\hspace{0.4cm} {\it \Phi}_{d \rm N} (f = 0)/(N_0/2) \ = \ $ $\ \cdot 10^6$
$\text{System B:}\hspace{0.42cm} {\it \Phi}_{d \rm N} (f = 0)/(N_0/2) \ = \ $ $\ \cdot 10^0$

5 For the rest of the exercise,  we will only consider system  $\rm B$.  At what frequency  $f_{\rm max}$  does  ${\it \Phi}_{d \rm N}(f)$  have its maximum?

$f_{\rm max} \cdot T\ = \ $

6 By what factor is the noise power-spectral density at frequency  $f_{\rm max}$  greater than at  $f = 0$?

${\it \Phi}_{d \rm N}(f_{\rm max})/{\it \Phi}_{d \rm N}(0)\ = \ $ $\ \cdot 10^6$


Solution

(1)  From  $10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U} = 14.8 \, {\rm dB}$  follows  $\rho_{\rm U} = 10^{\rm 1.48} ≈ 30.2$  and with the given equation:

$$\sqrt{\rho_{\rm U}} = \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d}\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} \sigma_d = \frac{0.478 \cdot s_0/2}{ \sqrt{30.2}}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.044 \cdot s_0 }\hspace{0.05cm}.$$


(2)  With the same worst-case error probability  $p_{\rm U}$  (and thus the same  $\rho_{\rm U}$),  $\sigma_d$ must have exactly the same value as calculated in subtask  (1),  since the eye opening also remains the same   ⇒   $\sigma_d/s_0 \underline{= 0.044}.$


(3)  According to the specification section:

$$\alpha^2 = \frac{N_0 \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2} \cdot \sigma_d^2}= \frac{10^{-9} \cdot s_0^2 \cdot T \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2}\cdot \sigma_d^2} = 10^{-9} \cdot \frac{ f_{\rm G} \cdotT}{\sqrt{2} \cdot (\sigma_d/s_0)^2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \alpha^2 = 10^{-9} \cdot \frac{0.35}{\sqrt{2} \cdot 0.044^2} \approx 1.28 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.$$

Expressed in  ${\rm dB}$,  one thus obtains

$$20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\alpha = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\alpha^2 =-70\,{\rm dB}\hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}1.28\hspace{0.15cm}\underline { =-68.9\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  For system  $\rm B$,  because of  $H_{\rm E}(f = 0) = 1$,  the normalized value is equal  to $1$,  that means,  it is  ${\it \Phi}_{d \rm N}(f = 0) = N_0/2$.

In contrast,  for system  $\rm A$,  this value is larger  by the factor  $1/\alpha^2$  due to the components of the frequency-independent cable attenuation  $\alpha$:

$${\rm System}\hspace{0.15cm}{\rm A:}\hspace{0.1cm}\frac{{\it \Phi}_{d{\rm N}}(f = 0)}{N_0/2} = \frac{1}{\alpha^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 7.8 \cdot 10^{6}} \hspace{0.05cm}, \hspace{1.05cm}{\rm System\hspace{0.15cm}B}: \frac{{\it \Phi}_{d \rm N}(f = 0)}{N_0/2} \, \underline {= 1}.$$


(5)  ${\it \Phi}_{d \rm N}(f)$  is maximal if the exponent

$$18.4 \cdot \sqrt{2 f T} - 2\pi \cdot \frac{(f \cdot T)^2}{0.49}$$

has the maximum value.  Thus,  with $x = f \cdot T$,  the optimization function is:

$$y(x) = 26.022 \cdot \sqrt{x} - 12.823 \cdot x^2 \approx 26 \cdot\sqrt{x} - 13 \cdot x^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{{\rm d}y}{{\rm d}x} = \frac{26}{2\cdot \sqrt{x}} - 13 \cdot 2 \cdot x = 0$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{1} { \sqrt{x}} = 2 \cdot x\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{1} { x} = 4 \cdot x^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x^3 = 0.25\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x \approx 0.63\hspace{0.05cm}.$$

This gives  $f_{\rm max} \cdot T\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.63}$.


(6)  With  $x_{\rm max} = 0.63$  we get the function value

$$y(x_{\rm max}) \approx 26 \cdot \sqrt{0.63} - 13 \cdot 0.63^2\hspace{0.15cm}\underline {\approx 15.477}.$$
Noise component  $d_{\rm N}(t)$  of the detection signal

It follows:

  • The noise PSD at the  (normalized)  frequency  $f \cdot T \approx 0.63$  is larger than at the frequency  $f = 0$  by a factor of  $e^{\rm 15.5} \ \underline{\approx 5.4 \cdot 10^6}$.
  • Thus,  periodic components with period  $T_0 \approx 1.6 \cdot T$  predominate in the noise component  $d_{\rm N}(t)$.
  • The graph shows a simulation and confirms this result.