Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/fonts/TeX/fontdata.js

Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 5.2Z: Two-Way Channel"

From LNTwww
 
(13 intermediate revisions by 4 users not shown)
Line 1: Line 1:
  
{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Stochastische Systemtheorie
+
{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Stochastic_System_Theory
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID517__Sto_Z_5_2.png|right|Impusantwort h(t) des Zweiwegekanals und h(t) * h(-t)]]
+
[[File:P_ID517__Sto_Z_5_2.png|right|frame|Two–way channel impulse responses  $h(t), h(t) * h( { - t} )$]]
Von einem Übertragungssystem ist bekannt, dass zwischen dem Eingangssignal x(t) und dem  Ausgangssignal y(t) der folgende Zusammenhang besteht:
+
From a transmission system it is known  that following relationship exists between the input signal  x(t)  and the output signal  y(t) :
 
:y(t)=x(tτ1)+αx(tτ2).
 
:y(t)=x(tτ1)+αx(tτ2).
  
Die dazugehörige Impulsantwort h(t) ist rechts skizziert.
+
The corresponding impulse response  h(t)  is sketched above.
  
 +
In the sketch below,   the function
 +
:h(t)h(t)|H(f)|2
  
In der unteren Skizze ist die Funktion
+
is shown,  where the parameters  $C_0, C_3$  and  $\tau_3  depend on \alpha$,  $\tau_1  and \tau_2$   ⇒   see subtask  '''(4)'''.
:$$h(t) * h( { - t} )\hspace{0.15cm}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\hspace{0.15cm}\left| {H(f)} \right|^2$$
 
  
dargestellt, wobei die Parameter $C_0$, C3 und $\tau_3von\alpha$, $\tau_1und\tau_2$ abhängen (siehe Teilaufgabe 4).
+
Let the input signal  $x(t)$  be band-limited white noise
 +
*with power density  $N_0 = 10^{-6} \hspace{0.08cm} \rm W/Hz$  
 +
*and bandwidth  $B = 10 \hspace{0.08cm} \rm kHz$,
  
Das Eingangssignal x(t) sei bandbegrenztes weißes Rauschen mit der Leistungsdichte N0=106W/Hz und der Bandbreite B=10kHz, woraus sich die Leistung  Px=10mW berechnen lässt.
 
  
 +
from which the power   Px=10mW  can be calculated.
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Stochastische_Systemtheorie|Stochastische Systemtheorie]].
 
*Verwenden Sie für die numerischen Berechnungen stets den Wert α=0.5.
 
*Für die Teilaufgaben (1) und (2) gelte zudem τ1=0 und τ2=4ms.
 
*Für die späteren Aufgabenteile soll von τ1=1ms und τ2=5ms ausgegangen werden.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
  
===Fragebogen===
+
Notes:
 +
*The exercise belongs to the chapter  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Stochastic_System_Theory| Stochastic System Theory]].
 +
*Use always the value  $\alpha = 0.5$  for numerical calculations.
 +
*For the subtasks  '''(1)'''  and  '''(2)''',  let  $\tau_1 = 0 and \tau_2 = 4\hspace{0.08cm}\rm ms$  be valid.
 +
*For later tasks,  assume  τ1=1ms  and  τ2=5ms.
 +
 +
 
 +
 
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie den Frequenzgang H(f) für τ1=0 und $\tau_2 = 4\hspace{0.05cm}\rm ms$. Zeigen Sie, dass H(f) eine mit f0 periodische Funktion ist. Wie groß ist f0?
+
{Calculate the frequency response&nbsp; H(f)&nbsp; for&nbsp; τ1=0&nbsp; and $\tau_2 = 4\hspace{0.08cm}\rm ms$.&nbsp; Show that&nbsp; H(f)&nbsp; is a periodic function with&nbsp; f0.&nbsp; &nbsp; What is the value of f0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
f0 =  { 0.25 3% }  kHz
+
$f_0 \ = \ { 0.25 3% }\ \rm kHz$
  
  
{Wie groß ist |H(f)|2 mit τ1=0, $\tau_2 = 4\hspace{0.05cm}\rm ms$ und α=0.5? Geben Sie den Wert bei f=0 ein.
+
{What is the size of&nbsp; |H(f)|2&nbsp; with&nbsp; τ1=0,&nbsp; $\tau_2 = 4\hspace{0.08cm}\rm ms$&nbsp; and&nbsp; α=0.5?&nbsp; Enter the value at f=0.&nbsp;
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
|H(f=0)|2 = { 2.25 3% }
+
$|H(f = 0)|^2 \ = \ $ { 2.25 3% }
  
  
{Wie verändert sich |H(f)|2 mit $\tau_1 = 1\hspace{0.05cm}\rm ms$ und $\tau_2 = 5\hspace{0.05cm}\rm ms$? Die Dämpfungskonstante sei weiterhin α=0.5. Geben Sie den Wert bei f=0 ein.
+
{How does&nbsp; |H(f)|2&nbsp; change with&nbsp; $\tau_1 = 1\hspace{0.08cm}\rm ms$&nbsp; and&nbsp; $\tau_2 = 5\hspace{0.08cm}\rm ms$?&nbsp; Let the attenuation constant still be&nbsp; α=0.5.&nbsp; Enter the value at f=0.&nbsp;
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
|H(f=0)|2 = { 2.25 }
+
$|H(f = 0)|^2  \ = \ $ { 2.25 }
  
  
{Es gelte weiterhin α=0.5, $\tau_1 = 1\hspace{0.05cm}\rm ms$ und $\tau_2 = 5\hspace{0.05cm}\rm ms$. Welche Werte ergeben sich für die Funktionsparameter von h(t)h(t) gemäß Skizze?
+
{Let&nbsp; α=0.5,&nbsp; $\tau_1 = 1\hspace{0.08cm}\rm ms$&nbsp; and&nbsp; $\tau_2 = 5\hspace{0.08cm}\rm ms$ still hold.&nbsp; Which values result for the function parameters of&nbsp; h(t)h(t)&nbsp; according to the diagram?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
C0 ={ 1.25 3% }
+
$C_0 \ = \ ${ 1.25 3% }
C3 = { 0.5 3% }
+
$C_3 \ = \ $ { 0.5 3% }
τ3 = { 4 3% }  ms
+
$\tau_3 \ = \ { 4 3% }\ \rm ms$
  
  
{Wie groß ist die Leistung des Ausgangssignals $y(t)?
+
{What is the power of the output signal&nbsp; $y(t)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Py = { 12.5 3% }  mW
+
$P_y \ = \ { 12.5 3% }\ \rm mW$
  
  
Line 60: Line 66:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; H(f) ist die Fouriertransformierte zu h(t). Mit dem Verschiebungssatz lautet diese $(\tau_1 = 0)$:
+
'''(1)'''&nbsp; H(f)&nbsp; is the Fourier transform to&nbsp; h(t).  
 +
*Using the shifting theorem,&nbsp; this is with &nbsp; τ1=0:
 
:H(f)=1+αej2πfτ2=1+αcos(2πfτ2)jαsin(2πfτ2).
 
:H(f)=1+αej2πfτ2=1+αcos(2πfτ2)jαsin(2πfτ2).
  
Falls H(f) periodisch mit f0 ist, muss für alle ganzzahligen Werte von i gelten: &nbsp; H(f+if0)=H(f). Mit f0=1/τ2=0.25kHz_ ist diese Bedingung erfüllt.
+
*If&nbsp; H(f)&nbsp; is periodic with f0,&nbsp; then for all integer values of&nbsp; i&nbsp; must hold: &nbsp;  
 +
:$H(f+if0)=H(f).$
 +
*With&nbsp; f0=1/τ2=0.25kHz_&nbsp; this condition is satisfied.
 
:H(f+if0)=1+αcos(2πfτ2+i2πf0τ2)jαsin(2πfτ2+i2πf0τ2)=1+αcos(2πfτ2)jαsin(2πfτ2).
 
:H(f+if0)=1+αcos(2πfτ2+i2πf0τ2)jαsin(2πfτ2+i2πf0τ2)=1+αcos(2πfτ2)jαsin(2πfτ2).
  
'''(2)'''&nbsp; Das Betragsquadrat ist die Summe von quadriertem Realteil und quadriertem Imaginärteil:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; The magnitude square is the sum of squared real part and squared imaginary part:
 
:|H(f)|2=(1+αcos(A))2+(αsin(A))2.
 
:|H(f)|2=(1+αcos(A))2+(αsin(A))2.
  
Hierbei ist das Winkelargument mit A=2πfτ abgekürzt. Nach Ausmultiplizieren erhält man wegen cos2(A)+sin2(A)=1:
+
*Here the angle argument is abbreviated as&nbsp; A=2πfτ.&nbsp; &nbsp; After multiplying,&nbsp; we get because of&nbsp; cos2(A)+sin2(A)=1:
 
:|H(f)|2=1+α2+2αcos(A).
 
:|H(f)|2=1+α2+2αcos(A).
  
Bei der Frequenz f=0 (und somit  A=0) ergibt sich allgemein bzw. mit α=0.5:
+
*At the frequency $f = 0$&nbsp; $($and thus &nbsp; $A = 0)$,&nbsp; the result with&nbsp; α=0.5&nbsp; is:
 
:|H(f=0)|2=(1+α)2=1.52=2.25_.
 
:|H(f=0)|2=(1+α)2=1.52=2.25_.
  
'''(3)'''&nbsp; Nun lässt sich das Übertragungssystem aus zwei Teilsystemen zusammensetzen (siehe Skizze):
 
[[File:P_ID551__Sto_Z_5_2_c.png|Aufteilung in zwei Teilsysteme]]
 
  
Die Übertragungsfunktion H1(f) ist wie in der Teilaufgabe (2) berechnet. Für H2(f) gilt mit τ1=1ms:
+
'''(3)'''&nbsp; Now the transmission system can be composed of two subsystems&nbsp; (see diagram):
 +
[[File:P_ID551__Sto_Z_5_2_c.png|frame|Splitting the impulse response into two subsystems]]
 +
 
 +
*The transfer function&nbsp; H1(f)&nbsp; is calculated as in subtask&nbsp; '''(2)'''.&nbsp;
 +
*For&nbsp; H2(f)&nbsp; it holds with&nbsp; τ1=1ms:
 
:H2(f)=ej2πfτ1|H2(f)|=1|H2(f)|2=1.
 
:H2(f)=ej2πfτ1|H2(f)|=1|H2(f)|2=1.
  
Das bedeutet: Durch die zusätzliche Laufzeit wird |H(f)|2 gegenüber der Teilaufgabe (2) nicht verändert. Bei der Frequenz f=0 gilt also weiterhin$\left| {H(f = 0)} \right|^2\hspace{0.15cm} \underline{  = 2.25}.$
+
*This means: &nbsp; Due to the additional delay time,&nbsp; |H(f)|2&nbsp; is not changed compared to subtask&nbsp; '''(2)'''.&nbsp;
 +
* At the frequency f=0:&nbsp; &nbsp; $\left| {H(f = 0)} \right|^2\hspace{0.15cm} \underline{  = 2.25}$&nbsp; is still valid.
 +
 
 +
 
  
'''(4)'''&nbsp; Durch Vergleich der gezeichneten Funktion h(t)h(t) mit dem Ergebnis der Teilaufgabe (2) erhält man:
+
'''(4)'''&nbsp; By comparing the drawn function&nbsp; h(t)h(t)&nbsp; with the result of subtask&nbsp; '''(2)''':&nbsp;
 
:$$C_0  = 1 + \alpha ^2  \hspace{0.15cm} \underline{= 1.25},
 
:$$C_0  = 1 + \alpha ^2  \hspace{0.15cm} \underline{= 1.25},
 
\hspace{0.5cm}C_3  = \alpha  \hspace{0.15cm} \underline{= 0.5},
 
\hspace{0.5cm}C_3  = \alpha  \hspace{0.15cm} \underline{= 0.5},
 
\hspace{0.5cm}\tau _3  = \tau _2  - \tau _1  \hspace{0.15cm} \underline{= 4\;{\rm{ms}}}.$$
 
\hspace{0.5cm}\tau _3  = \tau _2  - \tau _1  \hspace{0.15cm} \underline{= 4\;{\rm{ms}}}.$$
  
'''(5)'''&nbsp; Das LDS des Ausgangssignals y(t) ist auf den Bereich von ±B begrenzt und ergibt sich zu
+
 
 +
'''(5)'''&nbsp; The power-spectral density of the output signal&nbsp; y(t)&nbsp; is limited to the range of&nbsp; ±B&nbsp; and results in
 
:Φy(f)=N0/2|H(f)|2=N0/2(1+α2+2αcos(2πfτ3)).
 
:Φy(f)=N0/2|H(f)|2=N0/2(1+α2+2αcos(2πfτ3)).
  
Unter Ausnutzung von Symmetrieeigenschaften erhält man somit für die Leistung:
+
*Taking advantage of symmetry properties,&nbsp; we thus obtain for the power:
 
:Py=N0B0(1+α2+2αcos(2πfτ3))df.
 
:Py=N0B0(1+α2+2αcos(2πfτ3))df.
  
Da $B = 10 \hspace{0.05cm} \rm kHz$ ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenzperiode $f_0 = 1/\tau_2=  250 \hspace{0.05cm}\rm Hz$ ist (vgl. Lösung zur Teilaufgabe 1), trägt die Cosinus-Funktion nicht zum Integral bei, und man erhält:
+
*$B = 10 \hspace{0.08cm} \rm kHz$&nbsp; is an integer multiple of the frequency period&nbsp; $f_0 = 1/\tau_2=  250 \hspace{0.08cm}\rm Hz$&nbsp; $($cf. solution to subtask&nbsp; '''1'''$)$.&nbsp; Therefore,&nbsp; the cosine function does not contribute to the integral,&nbsp; and we obtain:
 
:Py=N0B(1+α2)=1.25Px=12.5mW_.
 
:Py=N0B(1+α2)=1.25Px=12.5mW_.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
Line 102: Line 118:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^5.1 Stochastische Systemtheorie^]]
+
[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^5.1 Stochastic Systems Theory^]]

Latest revision as of 17:51, 10 February 2022

Two–way channel impulse responses  h(t)h(t)h(t)

From a transmission system it is known that following relationship exists between the input signal  x(t)  and the output signal  y(t) :

y(t)=x(tτ1)+αx(tτ2).

The corresponding impulse response  h(t)  is sketched above.

In the sketch below,  the function

h(t)h(t)|H(f)|2

is shown,  where the parameters  C0C3  and  τ3  depend on  ατ1  and  τ2   ⇒   see subtask  (4).

Let the input signal  x(t)  be band-limited white noise

  • with power density  N0=106W/Hz
  • and bandwidth  B=10kHz,


from which the power  Px=10mW  can be calculated.



Notes:

  • The exercise belongs to the chapter  Stochastic System Theory.
  • Use always the value  α=0.5  for numerical calculations.
  • For the subtasks  (1)  and  (2),  let  τ1=0  and  τ2=4ms  be valid.
  • For later tasks,  assume  τ1=1ms  and  τ2=5ms.



Questions

1

Calculate the frequency response  H(f)  for  τ1=0  and τ2=4ms.  Show that  H(f)  is a periodic function with  f0.    What is the value of f0?

f0 = 

 kHz

2

What is the size of  |H(f)|2  with  τ1=0τ2=4ms  and  α=0.5?  Enter the value at f=0

|H(f=0)|2 = 

3

How does  |H(f)|2  change with  τ1=1ms  and  τ2=5ms?  Let the attenuation constant still be  α=0.5.  Enter the value at f=0

|H(f=0)|2 = 

4

Let  α=0.5τ1=1ms  and  τ2=5ms still hold.  Which values result for the function parameters of  h(t)h(t)  according to the diagram?

C0 = 

C3 = 

τ3 = 

 ms

5

What is the power of the output signal  y(t)?

Py = 

 mW


Solution

(1)  H(f)  is the Fourier transform to  h(t).

  • Using the shifting theorem,  this is with   τ1=0:
H(f)=1+αej2πfτ2=1+αcos(2πfτ2)jαsin(2πfτ2).
  • If  H(f)  is periodic with f0,  then for all integer values of  i  must hold:  
H(f+if0)=H(f).
  • With  f0=1/τ2=0.25kHz_  this condition is satisfied.
H(f+if0)=1+αcos(2πfτ2+i2πf0τ2)jαsin(2πfτ2+i2πf0τ2)=1+αcos(2πfτ2)jαsin(2πfτ2).


(2)  The magnitude square is the sum of squared real part and squared imaginary part:

|H(f)|2=(1+αcos(A))2+(αsin(A))2.
  • Here the angle argument is abbreviated as  A=2πfτ.    After multiplying,  we get because of  cos2(A)+sin2(A)=1:
|H(f)|2=1+α2+2αcos(A).
  • At the frequency f=0  (and thus   A=0),  the result with  α=0.5  is:
|H(f=0)|2=(1+α)2=1.52=2.25_.


(3)  Now the transmission system can be composed of two subsystems  (see diagram):

Splitting the impulse response into two subsystems
  • The transfer function  H1(f)  is calculated as in subtask  (2)
  • For  H2(f)  it holds with  τ1=1ms:
H2(f)=ej2πfτ1|H2(f)|=1|H2(f)|2=1.
  • This means:   Due to the additional delay time,  |H(f)|2  is not changed compared to subtask  (2)
  • At the frequency f=0:    |H(f=0)|2=2.25_  is still valid.


(4)  By comparing the drawn function  h(t)h(t)  with the result of subtask  (2)

C0=1+α2=1.25_,C3=α=0.5_,τ3=τ2τ1=4ms_.


(5)  The power-spectral density of the output signal  y(t)  is limited to the range of  ±B  and results in

Φy(f)=N0/2|H(f)|2=N0/2(1+α2+2αcos(2πfτ3)).
  • Taking advantage of symmetry properties,  we thus obtain for the power:
Py=N0B0(1+α2+2αcos(2πfτ3))df.
  • B=10kHz  is an integer multiple of the frequency period  f0=1/τ2=250Hz  (cf. solution to subtask  1).  Therefore,  the cosine function does not contribute to the integral,  and we obtain:
Py=N0B(1+α2)=1.25Px=12.5mW_.