Aufgaben:Exercise 1.3: System Comparison at AWGN Channel: Difference between revisions

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[[File:P_ID960__Mod_A_1_3.png|right|frame|Zum Systemvergleich beim AWGN–Kanal]]
[[File:P_ID960__Mod_A_1_3.png|right|frame|System comparison at AWGN channel]]
Für den Vergleich verschiedener Modulationsverfahren und Demodulatoren hinsichtlich der Rauschempfindlichkeit gehen wir meist vom so genannten[[Modulationsverfahren/Qualitätskriterien#Einige_Anmerkungen_zum_AWGN.E2.80.93Kanalmodell|AWGN–Kanal]] aus und beschreiben folgendes doppelt–logarithmische Diagramm:
For the comparison of different modulation and demodulation methods with regard to noise sensitivity,   we usually assume the so-called   [[Modulation_Methods/Quality_Criteria#Some_remarks_on_the_AWGN_channel_model|AWGN channel]]  and present the following double logarithmic diagram:  
*Die Ordinate gibt den Sinken–Störabstand (SNR logarithmiert) $10 · \lg ρ_v$ in dB an.
*The y-axis indicates the   "sink-to-noise ratio"   (logarithmic SNR)   ⇒    $10 · \lg ρ_v$  in dB.
*Auf der Abszisse ist $10 · \lg ξ$ aufgetragen, wobei für die normierte Leistungskenngröße gilt:
* $10 · \lg ξ$  is plotted on the x-axis;   the normalized power parameter   ("performance parameter")   is characterized by:
:$$ \xi = \frac{P_{\rm S} \cdot \alpha_{\rm K}^2 }{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$ \xi = \frac{P_{\rm S} \cdot \alpha_{\rm K}^2 }{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}\hspace{0.05cm}.$$
*In $ξ$ sind also die Sendeleistung $P_{\rm S}$, der Kanaldämpfungsfaktor $α_{\rm K}$, die Rauschleistungsdichte $N_0$ sowie die Bandbreite $B_{\rm NF}$ des Nachrichtensignals in geeigneter Weise zusammengefasst.
*Thus,   the transmission power  $P_{\rm S}$,  the channel attenuation factor $α_{\rm K}$,  the noise power density  $N_0$  and the bandwidth  $B_{\rm NF}$  of the message signal are suitably summarised together in  $ξ$.
* Wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, soll in der Aufgabe von folgenden Werten ausgegangen werden:
* Unless explicitly stated otherwise,  the following values shall be assumed in the exercise:
:$$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_{\rm
:$$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_{\rm K} = 0.001\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {N_0} =10^{-10}\;{\rm W}/{\rm Hz}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
K} = 0.001\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {N_0} =
10^{-10}\;{\rm W}/{\rm Hz}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$


In der Grafik sind zwei Systeme eingezeichnet, deren (x, y)–Verlauf wie folgt beschrieben werden kann:
Two systems are plotted in the graph and their   $(x, y)$-curve can be described as follows:
*Das '''System A''' ist gekennzeichnet durch die folgende Gleichung:
*$\text{System A}$  is characterized by the following equation:
:$$y = x+1.$$
:$$y = x+1.$$
*Entsprechend gilt für das '''System B:'''
* $\text{System B}$  is instead characterized by:
:$$ y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right)\hspace{0.05cm}.$$
:$$ y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right)\hspace{0.05cm}.$$
Die in der Grafik zusätzlich grün eingezeichneten Achsenbeschriftungen haben folgende Bedeutung:
The additional axis labels drawn in green have the following meaning:
:$$ x = \frac{10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi} {10 \,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm}y = \frac{10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v} {10 \,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$ x = \frac{10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi} {10 \,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm}y = \frac{10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v} {10 \,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
So steht $x = 4$ für $10 · \lg ξ = 40$ dB bzw. $ξ = 10^4$ und $y = 5$ steht für $10 · \lg ρ_v= 50$ dB, also $ρ_v = 10^5$.
*Thus  $x = 4$  represents  $10 · \lg ξ = 40\text{ dB}$  or  $ξ = 10^4$ 
*and  $y = 5$  represents  $10 · \lg ρ_v= 50\text{ dB}$ , i.e.,  $ρ_v = 10^5$.




''Hinweise:''  
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Qualitätskriterien|Qualitätskriterien]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite [[Modulationsverfahren/Qualitätskriterien#Untersuchungen_beim_AWGN.E2.80.93Kanal|Untersuchungen beim AWGN-Kanal]].
 
*Durch die Angabe der Leistungen in $\rm W$ sind diese unabhängig vom Bezugswiderstand $R$.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
 
 
''Hints:''  
*This exercise belongs to the chapter   [[Modulation_Methods/Quality_Criteria|Quality Criteria]].
*Particular reference is made to the page   [[Modulation_Methods/Quality_Criteria#Investigating_at_the_AWGN_channel|Investigating at the AWGN channel]].
*By specifying the powers in watts,  they are independent of the reference resistance  $R$.


   
   
===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Welcher Sinken–Störabstand (in dB) ergibt sich bei System A mit $P_S = 5 kW$, $α_K = 0.001$, $N_0 = 10^{ –10 } W/Hz$ und $B_{NF} = 5 kHz$?
{What is the&nbsp; sink signal-to-noise ratio&nbsp;  (in dB)&nbsp; for &nbsp;$\text{System A}$&nbsp; with &nbsp;$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}$, &nbsp; $\alpha_{\rm
K} = 0.001$, &nbsp; $N_0 = 10^{-10}\;{\rm W}/{\rm Hz}$, &nbsp; $B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$System A: 10 · lg ρ_υ$ = { 50 3% } $\text{dB}$
$10 · \lg \hspace{0.05cm}ρ_v \ = \ $ { 50 3% } $\ \text{dB}$


{Es wird nun $10 · lg ρ_υ ≥ 60$ dB gefordert. Durch welche Maßnahmen (jeweils für sich allein) ist dies zu erreichen?
{Now &nbsp;$10 · \lg \hspace{0.05cm} ρ_v ≥ 60\text{ dB}$&nbsp; is required.&nbsp; Which independent measures can be taken to achieve this?
|type="[]"}
|type="[]"}
- Erhöhung der Sendeleistung $P_S$ von $5 kW$ auf $10 kW$.
- Increasing the transmission power from &nbsp;$P_{\rm S}= 5\text{ kW}$&nbsp; to $10\text{ kW}$&nbsp;.
+ Erhöhung des Kanaldämpfungsfaktors $α_K4 von 0.001 auf 0.004.
+ Increasing the channel transmission factor from &nbsp;$α_{\rm K} = 0.001$&nbsp; to &nbsp;$0.004$.
+ Reduzierung der Rauschleistungsdichte $N_0$ auf $10^{ –11 } W/Hz$ .
+ Reducing the noise power density to &nbsp;$N_0=10^{–11 }\text{ W/Hz}$.
- Erhöhung der $NF$–Bandbreite von $5 kHz$ auf $6 kHz$.
- Increasing the source signal bandwidth from &nbsp;$B_{\rm NF}= 5\text{ kHz}$&nbsp; to &nbsp;$10\text{ kHz}$.


{Welcher Störabstand ergibt sich bei System $B$ mit 410 · lg ξ = 40$ dB?
{What is the sink signal-to-noise ratio for &nbsp;$\text{System B}$&nbsp; with &nbsp;$10 · \lg ξ = 40\text{ dB}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$System B$ : $10 · lg ρ_υ$ = { 57 3% } $\text{dB}$
$10 · \lg \hspace{0.05cm}ρ_v \ = \ $ { 57 3% } $\ \text{dB}$


{Gefordert wird der Störabstand $10 · lg ρ_υ = 50$ dB. Welche Sendeleistung $P_S$ genügt bei System $B$, um diese Qualität zu erzielen?
{If the required sink signal-to-noise ratio is  &nbsp;$10 · \lg ρ_v = 50\text{ dB}$,&nbsp; what transmission power &nbsp;$P_{\rm S}$ is sufficient to achieve this for &nbsp;$\text{System B}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$P_S$= { 0.3 3% } $\text{ kW }$
$P_{\rm S} \ = \ $ { 0.3 3% } $\ \text{kW}$


{Für welchen Wert von $10 · lg ξ$ ist die Verbesserung des Systems B gegenüber System A am größten?
{What value of &nbsp;$10 · \lg ξ$&nbsp; gives the greatest improvement for &nbsp;$\text{System B}$&nbsp; relative to &nbsp;$\text{System A}$&nbsp;?
|type="{}"}
|type="{}"}
$10 · lg ξ$ = { 27.9 3% } $\text{dB}$
$10 · \lg \hspace{0.05cm} ξ \ = \ ${ 27.9 3% } $\ \text{dB}$
 


</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''1.'''Die normierte Leistungskenngröße ergibt sich mit diesen Werten zu
'''(1)'''&nbsp; The normalized performance parameter is calculated using these values as follows:
$$\xi = \frac{5 \cdot 10^3\,{\rm W}\cdot 10^{-6} }{10^{-10}\,{\rm W}/{\rm Hz} \cdot 5 \cdot 10^3\,{\rm Hz}} = 10^4 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 40\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} x=4 \hspace{0.05cm}.$$
:$$\xi = \frac{5 \cdot 10^3\,{\rm W}\cdot 10^{-6} }{10^{-10}\,{\rm W}/{\rm Hz} \cdot 5 \cdot 10^3\,{\rm Hz}} = 10^4 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 40\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} x=4 \hspace{0.05cm}.$$
Damit ergibt sich der Hilfsordinatenwert $y = 5$, was zum Sinken-Störabstand $10 · lg ρ_v = 50$ dB führt.
*This gives the auxiliary coordinate value&nbsp; $y = 5$,&nbsp; which leads to a sink SNR of &nbsp; $10 · \lg \hspace{0.05cm} ρ_v\hspace{0.15cm}\underline{ = 50 \ \rm dB}$.
 
 
'''(2)'''<u>&nbsp;Answers 2 and 3</u>&nbsp; are correct:


This requirement corresponds to a&nbsp; $10$&nbsp; dB&nbsp; increase in the sink SNR compared to the previous system,&nbsp; so &nbsp;$10 ·  \lg \hspace{0.05cm}ξ$&nbsp; must also be increased by&nbsp;$10$&nbsp; dB:
:$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 50\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \xi=10^5 \hspace{0.05cm}.$$


'''2.''' Dies entspricht gegenüber dem bisher betrachteten System einer Erhöhung des Störabstandes um 10 dB, so dass auch $10 · lg ξ$ um 10 dB erhöht werden muss.
A tenfold larger&nbsp; $ξ$&nbsp; value is achieved&nbsp;  (provided all other parameters are held constant in each case)
$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 50\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \xi=10^5 \hspace{0.05cm}.$$
*by a transmission power of&nbsp; $P_{\rm S} = 50$&nbsp; kW&nbsp; instead of &nbsp; $5$&nbsp; kW,
Ein 10–fach größerer $ξ$–Wert wird erreicht – vorausgesetzt die anderen Parameter bleiben jeweils gleich:
*by a channel transmission factor of &nbsp; $α_{\rm K} = 0.00316$&nbsp; instead of&nbsp; $0.001$,
:*durch die Sendeleistung $P_S = 50 kW$ statt 5 $kW$,
*by a noise power density of &nbsp; $N_0 = 10^{–11}$&nbsp; W/Hz&nbsp; instead of&nbsp; $10^{–10}$&nbsp; W/Hz,
:*durch den Dämpfungsfaktor $α_K = 0.00316$ anstelle von $0.001$,
*by a signal bandwidth of&nbsp; $B_{\rm NF} = 0.5$&nbsp; kHz&nbsp; instead of &nbsp; $5$&nbsp; kHz.
:*durch die Rauschleistungsdichte $N_0 = 10°{ –11 } W/Hz$ statt $10^{ –10 } W/Hz$,
:*durch die Bandbreite $B_{NF} = 0.5 kHz$ statt $5 kHz$.


Richtig sind also die Alternativen 2 und 3.


'''3.''' Für $10 · lg ξ = 40$ dB ist die Hilfsgröße $x = 4$. Damit ergibt sich für die Hilfsgröße der Ordinate:
'''(3)'''&nbsp; For&nbsp; $10 · \lg \hspace{0.05cm} ξ = 40$&nbsp; dB,&nbsp; the auxiliary value is &nbsp; $x = 4$.&nbsp; This gives the auxiliary&nbsp; $y$&ndash;value:
$$y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-3} \right)\approx 5.7 \hspace{0.05cm}.$$
:$$y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-3} \right)\approx 5.7 \hspace{0.05cm}.$$
Dies entspricht dem Sinken–Störabstand $10 · lg ρ_υ = 57$ dB, also einer Verbesserung gegenüber dem System A um 7 dB.
*This corresponds to a sink SNR of &nbsp; $10 · \lg \hspace{0.05cm} ρ_v\hspace{0.15cm}\underline{ = 57 \ \rm dB}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $7$&nbsp; dB improvement over &nbsp;$\text{System A}$.


'''4.'''Diese Problemstellung wird durch folgende Gleichung beschrieben:
$$ y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right) = 5 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm e}^{-x+1} ={1}/{6}$$
$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} x = 1+ {\rm ln} \hspace{0.1cm}6 \approx 2.79 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 27.9\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
Bei System A war hierfür $10 · lg ξ = 40$ dB notwendig, was bei den weiter gegebenen Zahlenwerten durch $P_S = 5$ kW erreicht wurde. Nun kann die Sendeleistung um etwa 12.1 dB verringert werden:
$$ 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm S}}{ 5 \;{\rm kW}}= -12.1\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{P_{\rm S}}{ 5 \;{\rm kW}} = 10^{-1.21}\approx 0.06\hspace{0.05cm}.$$
Das bedeutet, dass bei System B mit nur 6% der Sendeleistung von System A – also mit nur 0.3 kW – die gleiche Systemqualität erzielt wird.




'''5.'''Wir bezeichnen mit ''V'' (steht für Verbesserung) den größeren Sinken–Störabstand von System B gegenüber System A:
'''(4)'''&nbsp; This problem is described by the following equation:
$$V  =  10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v \hspace{0.1cm}{\rm (System\;B)} - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v \hspace{0.1cm}{\rm (System\;A)}$$
:$$ y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right) = 5 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm e}^{-x+1} ={1}/{6}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x = 1+ {\rm ln} \hspace{0.1cm}6 \approx 2.79 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 27.9\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
$$ =  \left[6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right) -x -1 \right] \cdot 10\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
*For &nbsp;$\text{System A}$&nbsp; $10 · \lg \hspace{0.05cm} \xi = 40$&nbsp; dB is required,&nbsp; which was achieved with &nbsp; $P_{\rm S} = 5$&nbsp; kW  and the other numerical values given.&nbsp;
Durch Nullsetzen der Ableitung ergibt sich derjenige x–Wert, der zur maximalen Verbesserung führt:
*Now the transmission power can be reduced by about &nbsp; $12.1$&nbsp; dB:
$$ \frac{{\rm d}V}{{\rm d}x} = 6 \cdot {\rm e}^{-x+1} -1\Rightarrow \hspace{0.3cm} x = 1+ {\rm ln} \hspace{0.1cm}6 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = \hspace{0.15cm}\underline {27.9\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$ 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm S}}{ 5 \;{\rm kW}}= -12.1\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{P_{\rm S}}{ 5 \;{\rm kW}} = 10^{-1.21}\approx 0.06\hspace{0.05cm}.$$
Es ergibt sich also genau der in (d) behandelte Fall mit $10 · lg ρ_υ = 50$ dB, während der Störabstand bei System A nur 37.9 dB beträgt. Die Verbesserung ist demnach 12.1 dB.
*This means that in &nbsp;$\text{System B}$&nbsp; the same system quality is achieved with only &nbsp; $6\%$&nbsp; of the transmission power of &nbsp;$\text{System A}$&nbsp; – i.e., with only &nbsp; $P_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.3 \ \rm kW}$.
 
 
 
'''(5)'''&nbsp; The larger sink SNR of &nbsp;$\text{System B}$&nbsp; compared to  &nbsp;$\text{System A}$&nbsp; we will denote with &nbsp; $V$&nbsp; (from German&nbsp; "Verbesserung" &nbsp; &rArr; &nbsp; "improvement"):
:$$V  =  10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v \hspace{0.1cm}{\rm (System\;B)} - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v \hspace{0.1cm}{\rm (System\;A)}=  \left[6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right) -x -1 \right] \cdot 10\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
*Setting the derivative to zero yields the &nbsp;$x$–value that leads to the maximum improvement:  
:$$ \frac{{\rm d}V}{{\rm d}x} = 6 \cdot {\rm e}^{-x+1} -1\Rightarrow \hspace{0.3cm} x = 1+ {\rm ln} \hspace{0.1cm}6 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = \hspace{0.15cm}\underline {27.9\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
*This results in exactly the case discussed in subtask &nbsp; '''(4)'''&nbsp; with &nbsp; $10 · \lg ρ_υ = 50$&nbsp; dB,&nbsp; while the sink SNR for &nbsp;$\text{System A}$&nbsp; is only&nbsp; $37.9$&nbsp; dB.&nbsp;
*The improvement is therefore&nbsp; $12.1$&nbsp; dB.


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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^1.2 Qualitätskriterien^]]
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^1.2 Quality Criteria^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 1.3: Systemvergleich beim AWGN–Kanal]]
 

Latest revision as of 17:57, 16 March 2026

System comparison at AWGN channel

For the comparison of different modulation and demodulation methods with regard to noise sensitivity,  we usually assume the so-called  AWGN channel  and present the following double logarithmic diagram:

  • The y-axis indicates the  "sink-to-noise ratio"  (logarithmic SNR)   ⇒   $10 · \lg ρ_v$  in dB.
  •  $10 · \lg ξ$  is plotted on the x-axis;  the normalized power parameter  ("performance parameter")  is characterized by:
$$ \xi = \frac{P_{\rm S} \cdot \alpha_{\rm K}^2 }{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  the transmission power  $P_{\rm S}$,  the channel attenuation factor $α_{\rm K}$,  the noise power density  $N_0$  and the bandwidth  $B_{\rm NF}$  of the message signal are suitably summarised together in  $ξ$.
  • Unless explicitly stated otherwise,  the following values shall be assumed in the exercise:
$$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_{\rm K} = 0.001\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {N_0} =10^{-10}\;{\rm W}/{\rm Hz}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$

Two systems are plotted in the graph and their   $(x, y)$-curve can be described as follows:

  • $\text{System A}$  is characterized by the following equation:
$$y = x+1.$$
  •  $\text{System B}$  is instead characterized by:
$$ y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right)\hspace{0.05cm}.$$

The additional axis labels drawn in green have the following meaning:

$$ x = \frac{10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi} {10 \,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm}y = \frac{10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v} {10 \,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Thus  $x = 4$  represents  $10 · \lg ξ = 40\text{ dB}$  or  $ξ = 10^4$ 
  • and  $y = 5$  represents  $10 · \lg ρ_v= 50\text{ dB}$ , i.e.,  $ρ_v = 10^5$.





Hints:


Questions

1 What is the  sink signal-to-noise ratio  (in dB)  for  $\text{System A}$  with  $P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}$,   $\alpha_{\rm K} = 0.001$,   $N_0 = 10^{-10}\;{\rm W}/{\rm Hz}$,   $B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}$?

$10 · \lg \hspace{0.05cm}ρ_v \ = \ $ $\ \text{dB}$

2 Now  $10 · \lg \hspace{0.05cm} ρ_v ≥ 60\text{ dB}$  is required.  Which independent measures can be taken to achieve this?

Increasing the transmission power from  $P_{\rm S}= 5\text{ kW}$  to $10\text{ kW}$ .
Increasing the channel transmission factor from  $α_{\rm K} = 0.001$  to  $0.004$.
Reducing the noise power density to  $N_0=10^{–11 }\text{ W/Hz}$.
Increasing the source signal bandwidth from  $B_{\rm NF}= 5\text{ kHz}$  to  $10\text{ kHz}$.

3 What is the sink signal-to-noise ratio for  $\text{System B}$  with  $10 · \lg ξ = 40\text{ dB}$?

$10 · \lg \hspace{0.05cm}ρ_v \ = \ $ $\ \text{dB}$

4 If the required sink signal-to-noise ratio is  $10 · \lg ρ_v = 50\text{ dB}$,  what transmission power  $P_{\rm S}$ is sufficient to achieve this for  $\text{System B}$?

$P_{\rm S} \ = \ $ $\ \text{kW}$

5 What value of  $10 · \lg ξ$  gives the greatest improvement for  $\text{System B}$  relative to  $\text{System A}$ ?

$10 · \lg \hspace{0.05cm} ξ \ = \ $ $\ \text{dB}$


Solution

(1)  The normalized performance parameter is calculated using these values as follows:

$$\xi = \frac{5 \cdot 10^3\,{\rm W}\cdot 10^{-6} }{10^{-10}\,{\rm W}/{\rm Hz} \cdot 5 \cdot 10^3\,{\rm Hz}} = 10^4 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 40\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} x=4 \hspace{0.05cm}.$$
  • This gives the auxiliary coordinate value  $y = 5$,  which leads to a sink SNR of   $10 · \lg \hspace{0.05cm} ρ_v\hspace{0.15cm}\underline{ = 50 \ \rm dB}$.


(2) Answers 2 and 3  are correct:

This requirement corresponds to a  $10$  dB  increase in the sink SNR compared to the previous system,  so  $10 · \lg \hspace{0.05cm}ξ$  must also be increased by $10$  dB:

$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 50\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \xi=10^5 \hspace{0.05cm}.$$

A tenfold larger  $ξ$  value is achieved  (provided all other parameters are held constant in each case)

  • by a transmission power of  $P_{\rm S} = 50$  kW  instead of   $5$  kW,
  • by a channel transmission factor of   $α_{\rm K} = 0.00316$  instead of  $0.001$,
  • by a noise power density of   $N_0 = 10^{–11}$  W/Hz  instead of  $10^{–10}$  W/Hz,
  • by a signal bandwidth of  $B_{\rm NF} = 0.5$  kHz  instead of   $5$  kHz.


(3)  For  $10 · \lg \hspace{0.05cm} ξ = 40$  dB,  the auxiliary value is   $x = 4$.  This gives the auxiliary  $y$–value:

$$y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-3} \right)\approx 5.7 \hspace{0.05cm}.$$
  • This corresponds to a sink SNR of   $10 · \lg \hspace{0.05cm} ρ_v\hspace{0.15cm}\underline{ = 57 \ \rm dB}$   ⇒   $7$  dB improvement over  $\text{System A}$.


(4)  This problem is described by the following equation:

$$ y= 6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right) = 5 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm e}^{-x+1} ={1}/{6}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} x = 1+ {\rm ln} \hspace{0.1cm}6 \approx 2.79 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = 27.9\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • For  $\text{System A}$  $10 · \lg \hspace{0.05cm} \xi = 40$  dB is required,  which was achieved with   $P_{\rm S} = 5$  kW and the other numerical values given. 
  • Now the transmission power can be reduced by about   $12.1$  dB:
$$ 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm S}}{ 5 \;{\rm kW}}= -12.1\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \frac{P_{\rm S}}{ 5 \;{\rm kW}} = 10^{-1.21}\approx 0.06\hspace{0.05cm}.$$
  • This means that in  $\text{System B}$  the same system quality is achieved with only   $6\%$  of the transmission power of  $\text{System A}$  – i.e., with only   $P_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 0.3 \ \rm kW}$.


(5)  The larger sink SNR of  $\text{System B}$  compared to  $\text{System A}$  we will denote with   $V$  (from German  "Verbesserung"   ⇒   "improvement"):

$$V = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v \hspace{0.1cm}{\rm (System\;B)} - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\rho_v \hspace{0.1cm}{\rm (System\;A)}= \left[6 \cdot \left(1 - {\rm e}^{-x+1} \right) -x -1 \right] \cdot 10\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • Setting the derivative to zero yields the  $x$–value that leads to the maximum improvement:
$$ \frac{{\rm d}V}{{\rm d}x} = 6 \cdot {\rm e}^{-x+1} -1\Rightarrow \hspace{0.3cm} x = 1+ {\rm ln} \hspace{0.1cm}6 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}\xi = \hspace{0.15cm}\underline {27.9\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  • This results in exactly the case discussed in subtask   (4)  with   $10 · \lg ρ_υ = 50$  dB,  while the sink SNR for  $\text{System A}$  is only  $37.9$  dB. 
  • The improvement is therefore  $12.1$  dB.