Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.12Z: White Gaussian Noise"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Leistungsdichtespektrum (LDS)
+
{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Power-Spectral_Density
 
}}
 
}}
[[File:P_ID409__Sto_Z_4_12.png|right|Leistungsdichtespektren von Weißem Rauschen]]
+
[[File:P_ID409__Sto_Z_4_12.png|right|frame|PSD of white noise]]
Man bezeichnet ein Rauschsignal n(t) als <i>wei&szlig;</i>, wenn darin alle spektralen Anteile ohne Bevorzugung von irgendwelchen Frequenzen enthalten sind.
+
A noise signal n(t)&nbsp; is called&nbsp; "white"&nbsp; if it contains all spectral components without preference of any frequencies.
* Das physikalische, nur f&uuml;r positive Frequenzen f definierte Leistungsdichtespektrum Φn+(f) ist konstant (gleich N0) und reicht frequenzm&auml;&szlig;ig bis ins Unendliche.
+
* The physical power-spectral density defined only for positive frequencies &nbsp; &rArr; &nbsp; Φn+(f)&nbsp; is constant&nbsp; $($equal&nbsp; $N_0)$&nbsp; and extends frequency-wise to infinity.
* Φn+(f) ist in der oberen Grafik grün dargestellt. Das Pluszeichen im Index soll anzeigen, dass die Funktion nur f&uuml;r positive Werte von f g&uuml;ltig ist.
+
* Φn+(f)&nbsp; is shown in green in the upper graph.&nbsp; The plus sign in the index is to indicate that the function is valid only for positive values of f.
* Zur mathematischen Beschreibung verwendet man meist das zweiseitige Leistungsdichtespektrum Φn(f). Hier gilt f&uuml;r alle Frequenzen von bis  + (blauer Kurvenzug im oberen  Bild):
+
* For mathematical description one usually uses the two-sided power-spectral density&nbsp; Φn(f).&nbsp; Here applies for all frequencies from&nbsp; &nbsp; to&nbsp; +&nbsp; (blue curve in the upper graph):
 
:Φn(f)=N0/2.
 
:Φn(f)=N0/2.
  
Im unteren Bild sind die beiden Leistungsdichtespektren Φb(f) und Φb+(f) eines bandbegrenzten wei&szlig;en Rauschsignals b(t)) dargestellt. Es gilt mit der einseitigen Bandbreite B:
 
:Φb(f)={N0/20f¨ur|f|Bsonst,
 
:Φb+(f)={N00f¨ur0fBsonst.
 
  
Bei der Rechnersimulation von Rauschvorg&auml;ngen muss stets von bandbegrenztem Rauschen ausgegangen werden, da hier nur zeitdiskrete Vorg&auml;nge behandelt werden k&ouml;nnen. Dazu muss das [[Signaldarstellung/Zeitdiskrete_Signaldarstellung#Das_Abtasttheorem|Abtasttheorem]] eingehalten werden. Dieses sagt aus, dass die Bandbreite $B$ gemäß dem St&uuml;tzstellenabstand $T_{\rm A}$ der Simulation eingestellt werden muss.
+
The bottom graph shows the two power-spectral densities&nbsp; Φb(f)&nbsp; and&nbsp; Φb+(f)&nbsp; of bandlimited white noise signal&nbsp; b(t).&nbsp; It holds with the one-sided bandwidth B:
 +
:$${\it \Phi}_b(f)=\left\{ {N_0/2\atop 0}{\hspace{0.5cm} {\rm for}\quad |f|\le B \atop {\rm else}}\right.,$$
 +
:$${\it \Phi}_{b+}(f)=\left\{ {N_0\atop 0}{\hspace{0.5cm} {\rm for}\quad 0 \le f\le B \atop {\rm else}}\right.$$
  
Gehen Sie in der gesamten Aufgabe von folgenden Zahlenwerten aus:
+
For computer simulation of noise processes,&nbsp; band-limited noise must always be assumed,&nbsp; since only discrete-time processes can be handled.&nbsp; For this,&nbsp; the&nbsp; [[Signal_Representation/Discrete-Time_Signal_Representation#Sampling_theorem|Sampling Theorem]]&nbsp; must be obeyed.&nbsp; This states that the bandwidth&nbsp; $B&nbsp; must be set according to the interpolation distance&nbsp;T_{\rm A}$&nbsp; of the simulation.
* Die Rauschleistungsdichte (bezogen auf den Widerstand 1Ω) betr&auml;gt $N_0 = 4 \cdot 10^{-14}\hspace{0.05cm}\rm  V^2/Hz$.
 
* Die (einseitige) Bandbreite des bandbegrenzten wei&szlig;en Rauschens betr&auml;gt $B = 100 \hspace{0.05cm}\rm MHz$.
 
  
 +
Assume the following numerical values throughout this exercise:
 +
* The noise power density &ndash;&nbsp; with respect to the resistor&nbsp; 1Ω&nbsp; &ndash;&nbsp; is&nbsp; N0=41014V2/Hz.
 +
* The&nbsp; (one-sided)&nbsp; bandwidth of the band-limited white noise is&nbsp; B=100MHz.
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Leistungsdichtespektrum_(LDS)|Leistungsdichtespektrum]].
 
*Bezug genommen wird auch auf das  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)|Autokorrelationsfunktion]].
 
*Die Eigenschaften von weißem Rauschen sind im zweiten Teil des Lernvideos [Der AWGN-Kanal]] zusammengefasst.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
  
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Power-Spectral_Density|Power-Spectral Density]].
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*Reference is also made to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function|Auto-Correlation Function]].
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*The properties of white noise are summarized in the second part of the&nbsp; (German language)&nbsp; learning video&nbsp; [[Der_AWGN-Kanal_(Lernvideo)|The AWGN channel]].
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 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen treffen bei einem wei&szlig;en Rauschsignal n(t) immer zu? Begr&uuml;nden Sie Ihre Antworten.
+
{Which statements are always true for a white noise signal&nbsp; n(t).&nbsp; Give reasons for your answers.
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Die AKF $\varphi_n(\tau)$ hat einen si-f&ouml;rmigen Verlauf.
+
- The ACF&nbsp; $\varphi_n(t)$&nbsp; has a sinc-shaped progression.
+ Die AKF φn(τ) ist ein Dirac bei τ=0 mit Gewicht N0/2.
+
+ The ACF&nbsp; φn(τ)&nbsp; is a Dirac delta function  at&nbsp; τ=0&nbsp; with weight&nbsp; N0/2.
+ Im mathematisch strengen Sinn gibt es kein wei&szlig;es Rauschen.
+
+ In practice,&nbsp; there is no&nbsp; (exact)&nbsp; white noise.
+ Thermisches Rauschen kann stets als wei&szlig; angen&auml;hert werden.
+
+ Thermal noise can always be approximated as white.
- Wei&szlig;es Rauschen ist stets gau&szlig;verteilt.
+
- White noise is always Gaussian distributed.
  
  
{Berechnen Sie die AKF φb(τ)) des auf $B = 100 \hspace{0.05cm}\rm MHzbandbegrenztenZufallssignalsb(t)$. Welcher Wert ergibt sich f&uuml;r τ=0?
+
{Calculate the ACF&nbsp; φb(τ)&nbsp; of the random signal&nbsp; $b(t)$&nbsp; bandlimited to&nbsp; $B = 100 \hspace{0.08cm}\rm MHz$.&nbsp; What value results for&nbsp; τ=0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\varphi_b(\tau = 0) \ = { 4 3% }\ \cdot 10^{-6} \ \rm V^2$
+
$\varphi_b(\tau = 0) \ = \ { 4 3% }\ \cdot 10^{-6} \ \rm V^2$
  
  
{Wie gro&szlig; ist der Effektivwert dieses Rauschsignals?
+
{What is the rms value of this bandlimited random signal&nbsp; b(t)?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
σb = { 2 3% }  mV
+
$\sigma_b \ = \ { 2 3% }\ \rm mV$
  
  
{Welcher Abtastabstand TA ist (mindestens) zu w&auml;hlen, wenn das bandbegrenzte Signal b(t) zur zeitdiskreten Simulation von wei&szlig;em Rauschen eingesetzt wird?
+
{What sampling distance&nbsp; TA&nbsp; should be&nbsp; (at most)&nbsp; chosen if the band-limited signal&nbsp; b(t)&nbsp; is used for discrete-time simulation of white noise?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
TA = { 5 3% }  ns
+
$T_{\rm A} \ = \ { 5 3% }\ \rm ns$
  
  
{Gehen Sie vom Abtastabstand $T_{\rm A} = 1 \hspace{0.05cm}\rm   ns$ aus. Welche der Aussagen treffen dann f&uuml;r zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte des Signals b(t) zu?
+
{Assume sampling distance&nbsp; TA=1ns.&nbsp; Then,&nbsp; which of the statements are true for two consecutive samples of the signal&nbsp; b(t)&nbsp;?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Die Abtastwerte sind unkorreliert.
+
- The samples are uncorrelated.
+ Die Abtastwerte sind positiv korreliert.  
+
+ The samples are positively correlated.  
- Die Abtastwerte sind negativ korreliert.
+
- The samples are negatively correlated.
  
  
Line 65: Line 72:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2, 3 und 4</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; Correct are the&nbsp; <u>solutions 2, 3, and 4</u>:  
*Die Autokorrelationsfunktion (AKF) ist nämlich die Fouriertransformierte des Leistungsdichtespektrums (LDS). Dabei gilt:
+
*The auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)&nbsp; is the Fourier transform of the power-spectral density&nbsp;\rm (PSD)$.&nbsp; Here:
:$${\it \Phi}_n (f) = {N_0}/{2} \hspace{0.3cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.3cm} \varphi_n (\tau)={N_0}/{2}  \cdot {\rm \delta} ( \tau).$$
+
:Φn(f)=N0/2φn(τ)=N0/2δ(τ).
*Allerdings gibt es in der Physik kein &bdquo;echt&rdquo; wei&szlig;es Rauschen, da ein solches eine unendlich gro&szlig;e Signalleistung aufweisen m&uuml;sste (das Integral &uuml;ber das LDS sowie der AKF-Wert bei τ=0 sind jeweils unendlich groß).  
+
*However,&nbsp; there is no&nbsp; "real"&nbsp; white noise in physics,&nbsp; since such a noise would have to have an infinitely large signal power&nbsp; $($the integral over the PSD as well as the ACF value at&nbsp; τ=0&nbsp; are both infinitely large$)$.  
*<i>Thermisches Rauschen</i> hat bis zu Frequenzen von etwa 6000 GHz ein konstantes LDS. Da alle (derzeitigen) &Uuml;bertragungssysteme in einem sehr viel niedrigeren Frequenzbereich arbeiten, kann man thermisches Rauschen mit guter N&auml;herung als &bdquo;wei&szlig;&rdquo; bezeichnen.
+
*Thermal noise has a constant PSD up to frequencies of about&nbsp; $\text{6000 GHz}$.&nbsp; Since all&nbsp; (current)&nbsp; transmission systems operate in a much lower frequency range,&nbsp; thermal noise can be said to be&nbsp; "white"&nbsp; to a good approximation.
*Die statistische Eigenschaft &bdquo;wei&szlig;&rdquo; sagt nichts &uuml;ber die Amplitudenverteilung aus, die allein durch die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF) festgelegt ist. Betrachtet man beispielsweise die Phase eines bandpassf&ouml;rmigen Signals als die stochastische Gr&ouml;&szlig;e, so wird diese oft als gleichverteilt zwischen 0 und 2π modelliert.  
+
*The statistical property&nbsp; "white"&nbsp; says nothing about the amplitude distribution,&nbsp; which is determined by the probability density function&nbsp; $\rm (PDF)$&nbsp; alone.
*Bestehen zwischen den jeweiligen Phasenwinkeln zu unterschiedlichen Zeiten keine statistischen Bindungen, so ist auch dieser Zufallsprozess &bdquo;wei&szlig;&rdquo;.
+
*When considering the phase of a bandpass signal as the stochastic variable,&nbsp; it is often modeled as uniformly distributed between&nbsp; 0&nbsp; and&nbsp; 2π.  
 +
*If there are no statistical bindings between the respective phase angles at different times,&nbsp; this random process is also&nbsp; "white".
 +
 
  
 +
[[File:P_ID410__Sto_Z_4_12_b.png|right|frame|ACF of band-limited noise]]
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'''(2)'''&nbsp; The power-spectral density is a rectangle of width&nbsp; 2B&nbsp; and height&nbsp; N0/2.
 +
*The inverse Fourier transform yields an sinc&ndash;function:
 +
:$$\varphi_b(\tau) = N_0 \cdot B \cdot {\rm si} (2 \pi B \tau)\hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm}\varphi_b(\tau = 0) = N_0 \cdot B \hspace{0.15cm}\underline {=4}\cdot 10^{-6} \ \rm V^2.$$
  
[[File:P_ID410__Sto_Z_4_12_b.png|right|AKF von bandbegrenztem Rauschen]]
 
'''(2)'''&nbsp; Das LDS ist ein Rechteck der Breite 2B und der H&ouml;he N0/2.Die Fourierr&uuml;cktransformation ergibt eine si-Funktion:
 
:φb(τ)=N0Bsi(2πBτ)
 
:φb(τ=0)=N0B=4_106 V2.
 
  
  
 +
'''(3)'''&nbsp; The ACF value at the point&nbsp; τ=0&nbsp; gives the power.&nbsp;
 +
*The root of this is called the&nbsp; "rms value":
 +
:σb=φb(τ=0)=2V_.
  
'''(3)'''&nbsp; Der AKF-Wert an der Stelle τ=0 ergibt die Leistung. Die Wurzel hieraus bezeichnet man als den Effektivwert:
 
:σb=φb(τ=0)=2V_.
 
  
 +
'''(4)'''&nbsp; The ACF computed in&nbsp; '''(3)'''&nbsp; has zeros at equidistant distance from&nbsp; TA=1/(2B)=5ns_:&nbsp;
 +
*There are no statistical bindings between the two signal values&nbsp; b(t)&nbsp; and&nbsp; b(t+νTA),
 +
*where&nbsp; ν&nbsp; can take all integer values.
  
'''(4)'''&nbsp; Die in der letzten Teilaufgabe berechnete AKF hat Nullstellen im &auml;quidistanten Abstand von TA=1/(2B)=5ns_. Das bedeutet: Es bestehen somit keine statistischen Bindungen zwischen den beiden Signalwerten b(t) und b(t+νTA), wobei ν alle ganzzahligen Werte annehmen kann.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>.Der AKF-Wert bei $\tau = T_{\rm A} = 1 \hspace{0.05cm}\rm ns$ betr&auml;gt
+
'''(5)'''&nbsp; The correct solution is the&nbsp; <u>suggested solution 2</u>.  
:$$\varphi_b(\tau = T_{\rm A}) = {\rm 4 \cdot 10^{-6} \hspace{0.1cm}V^2 \cdot si (\pi/5) \approx 3.742 \cdot 10^{-6} \hspace{0.1cm}V^2} > 0.$$
+
*The ACF value at&nbsp; τ=TA=1ns&nbsp; is
 +
:$$\varphi_b(\tau = T_{\rm A}) = {\rm 4 \cdot 10^{-6} \hspace{0.1cm}V^2 \cdot sinc (1/5) \approx 3.742 \cdot 10^{-6} \hspace{0.1cm}V^2} > 0.$$
  
Dieses Ergebnis besagt: Zwei um $T_{\rm A} = 1 \hspace{0.05cm}\rm ns$ auseinander liegende Signalwerte sind positiv korreliert:  
+
*This result says: &nbsp; Two signal values separated by&nbsp; TA=1ns&nbsp; are positively correlated:  
*Ist b(t) positiv und gro&szlig;, dann ist mit gro&szlig;er Wahrscheinlichkeit auch b(t+1ns) positiv und gro&szlig;.  
+
:*If&nbsp; b(t)&nbsp; is positive and large,&nbsp; then with high probability&nbsp; b(t+1ns)&nbsp; is also positive and large.  
*Dagegen besteht zwischen b(t) und b(t+7ns) eine negative Korrelation: Ist b(t) positiv, so ist b(t+7ns) wahrscheinlich negativ.
+
:*In contrast,&nbsp; there is a negative correlation between&nbsp; b(t)&nbsp; and&nbsp; b(t+7ns).&nbsp; If&nbsp; b(t)&nbsp; is positive,&nbsp; then&nbsp; b(t+7ns)&nbsp; is probably negative.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^4.5 Leistungsdichtespektrum (LDS)^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^4.5 Power-Spectral Density^]]

Latest revision as of 16:27, 25 March 2022

PSD of white noise

A noise signal n(t)  is called  "white"  if it contains all spectral components without preference of any frequencies.

  • The physical power-spectral density defined only for positive frequencies   ⇒   Φn+(f)  is constant  (equal  N0)  and extends frequency-wise to infinity.
  • Φn+(f)  is shown in green in the upper graph.  The plus sign in the index is to indicate that the function is valid only for positive values of f.
  • For mathematical description one usually uses the two-sided power-spectral density  Φn(f).  Here applies for all frequencies from    to  +  (blue curve in the upper graph):
Φn(f)=N0/2.


The bottom graph shows the two power-spectral densities  Φb(f)  and  Φb+(f)  of bandlimited white noise signal  b(t).  It holds with the one-sided bandwidth B:

Φb(f)={N0/20for|f|Belse,
Φb+(f)={N00for0fBelse

For computer simulation of noise processes,  band-limited noise must always be assumed,  since only discrete-time processes can be handled.  For this,  the  Sampling Theorem  must be obeyed.  This states that the bandwidth  B  must be set according to the interpolation distance  TA  of the simulation.

Assume the following numerical values throughout this exercise:

  • The noise power density –  with respect to the resistor  1Ω  –  is  N0=41014V2/Hz.
  • The  (one-sided)  bandwidth of the band-limited white noise is  B=100MHz.





Hints:



Questions

1

Which statements are always true for a white noise signal  n(t).  Give reasons for your answers.

The ACF  φn(t)  has a sinc-shaped progression.
The ACF  φn(τ)  is a Dirac delta function at  τ=0  with weight  N0/2.
In practice,  there is no  (exact)  white noise.
Thermal noise can always be approximated as white.
White noise is always Gaussian distributed.

2

Calculate the ACF  φb(τ)  of the random signal  b(t)  bandlimited to  B=100MHz.  What value results for  τ=0?

φb(τ=0) = 

 106 V2

3

What is the rms value of this bandlimited random signal  b(t)?

σb = 

 mV

4

What sampling distance  TA  should be  (at most)  chosen if the band-limited signal  b(t)  is used for discrete-time simulation of white noise?

TA = 

 ns

5

Assume sampling distance  TA=1ns.  Then,  which of the statements are true for two consecutive samples of the signal  b(t) ?

The samples are uncorrelated.
The samples are positively correlated.
The samples are negatively correlated.


Solution

(1)  Correct are the  solutions 2, 3, and 4:

  • The auto-correlation function  (ACF)  is the Fourier transform of the power-spectral density  (PSD).  Here:
Φn(f)=N0/2φn(τ)=N0/2δ(τ).
  • However,  there is no  "real"  white noise in physics,  since such a noise would have to have an infinitely large signal power  (the integral over the PSD as well as the ACF value at  τ=0  are both infinitely large).
  • Thermal noise has a constant PSD up to frequencies of about  6000 GHz.  Since all  (current)  transmission systems operate in a much lower frequency range,  thermal noise can be said to be  "white"  to a good approximation.
  • The statistical property  "white"  says nothing about the amplitude distribution,  which is determined by the probability density function  (PDF)  alone.
  • When considering the phase of a bandpass signal as the stochastic variable,  it is often modeled as uniformly distributed between  0  and  2π.
  • If there are no statistical bindings between the respective phase angles at different times,  this random process is also  "white".


ACF of band-limited noise

(2)  The power-spectral density is a rectangle of width  2B  and height  N0/2.

  • The inverse Fourier transform yields an sinc–function:
φb(τ)=N0Bsi(2πBτ)φb(τ=0)=N0B=4_106 V2.


(3)  The ACF value at the point  τ=0  gives the power. 

  • The root of this is called the  "rms value":
σb=φb(τ=0)=2V_.


(4)  The ACF computed in  (3)  has zeros at equidistant distance from  TA=1/(2B)=5ns_

  • There are no statistical bindings between the two signal values  b(t)  and  b(t+νTA),
  • where  ν  can take all integer values.


(5)  The correct solution is the  suggested solution 2.

  • The ACF value at  τ=TA=1ns  is
φb(τ=TA)=4106V2sinc(1/5)3.742106V2>0.
  • This result says:   Two signal values separated by  TA=1ns  are positively correlated:
  • If  b(t)  is positive and large,  then with high probability  b(t+1ns)  is also positive and large.
  • In contrast,  there is a negative correlation between  b(t)  and  b(t+7ns).  If  b(t)  is positive,  then  b(t+7ns)  is probably negative.