Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.4: Frequency and Phase Offset"

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[[File:P_ID1008__Mod_A_2_4.png|right|frame|Modell des Synchrondemodulators]]
+
[[File:EN_Mod_A_2_4.png|right|frame|Model of a synchronous demodulator]]
Betrachtet wird das Quellensignal $q(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 1} t ) +A_{\rm 2} \cdot \sin(2 \pi f_{\rm 2} t )$ mit den Signalparametern
+
Consider the source signal  $q(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 1} t ) +A_{\rm 2} \cdot \sin(2 \pi f_{\rm 2} t )$  with the signal parameters
 
:$$ A_1  =  2\,{\rm V}, \hspace{0.15cm}f_1 = 2\,{\rm kHz} \hspace{0.05cm},$$
 
:$$ A_1  =  2\,{\rm V}, \hspace{0.15cm}f_1 = 2\,{\rm kHz} \hspace{0.05cm},$$
 
:$$A_2  =  1\,{\rm V}, \hspace{0.15cm}f_2 = 5\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$A_2  =  1\,{\rm V}, \hspace{0.15cm}f_2 = 5\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
Dieses Signal wird ZSB–amplitudenmoduliert.
+
This signal is DSB amplitude-modulated.
  
Das modulierte Signal $s(t)$ besitzt somit Spektralanteile bei $±45$ kHz, $±48$ kHz, $±52$ kHz und $±55$ kHz. Bekannt ist weiter, dass das sendeseitige Trägersignal sinusförmig ist ($ϕ_{\rm T} = -90^\circ$).
+
*Thus,  the modulated signal  $s(t)$  has spectral components at  $±45$ kHz,  $±48$ kHz,  $±52$ kHz  and  $±55$ kHz. 
 +
*It is also known  that the transmitter-side carrier  $z(t)$   is sinusoidal  $(ϕ_{\rm T} = -90^\circ)$.
  
Die Demodulation soll mit der skizzierter Schaltung erfolgen, die durch folgende Parameter bestimmt ist:
 
* Amplitude $A_{\rm E}$ (ohne Einheit),
 
* Frequenz $f_{\rm E}$,
 
* Phase $ϕ_{\rm E}$.
 
  
 +
The demodulation  to be performed with the circuit sketched here,&nbsp; which is defined by the following parameters <br>("E" &nbsp; &rArr;  &nbsp; "empfägerseitig" &nbsp; &rArr;  &nbsp; "receiver-side"):
 +
#&nbsp; Amplitude &nbsp;$A_{\rm E}$&nbsp; (no unit),
 +
#&nbsp; frequency &nbsp;$f_{\rm E}$,
 +
#&nbsp; phase &nbsp;$ϕ_{\rm E}$.
  
Der Block $H_E(f)$ beschreibt einen idealen, rechteckförmigen Tiefpass, der geeignet dimensioniert ist.
 
  
 +
The &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; block represents an ideal,&nbsp; rectangular low-pass filter,&nbsp; which is suitably dimensioned.
  
''Hinweise:''
+
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation|Synchrondemodulation]].
+
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation#Einfluss_eines_Frequenzversatzes|Einfluss eines Frequenzversatzes]] und [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation#Einfluss_eines_Phasenversatzes|Einfluss eines Phasenversatzes]].
+
Hints:  
*Berücksichtigen Sie die folgenden trigonometrischen Umformungen:
+
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|Synchronous Demodulation]].
 +
*Particular reference is made to the pages &nbsp;[[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation#Influence_of_a_frequency_offset|Influence of a frequency offset]]&nbsp; and &nbsp;[[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation#Influence_of_a_phase_offset|Influence of a phase offset]].
 +
 +
*Take the following trigonometric transformations into account:
 
:$$\cos(\alpha)\cdot \cos(\beta)  =  {1}/{2} \cdot \left[ \cos(\alpha-\beta) + \cos(\alpha+\beta)\right] \hspace{0.05cm},$$
 
:$$\cos(\alpha)\cdot \cos(\beta)  =  {1}/{2} \cdot \left[ \cos(\alpha-\beta) + \cos(\alpha+\beta)\right] \hspace{0.05cm},$$
 
:$$\sin(\alpha)\cdot \cos(\beta)  =  {1}/{2} \cdot \left[ \sin(\alpha-\beta) + \sin(\alpha+\beta)\right] \hspace{0.05cm},$$
 
:$$\sin(\alpha)\cdot \cos(\beta)  =  {1}/{2} \cdot \left[ \sin(\alpha-\beta) + \sin(\alpha+\beta)\right] \hspace{0.05cm},$$
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===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Der Demodulator würde bei ZSB–AM mit Träger besser arbeiten.
+
- The demodulator would work better for DSB-AM with carrier.
+ Der Träger würde die Sendeleistung unnötigerweise vergrößern.
+
+ The carrier would unnecessarily increase the transmit power.
+ Die richtige Dimensionierung des Tiefpasses $H_{\rm E}(f)$ ist essentiell.
+
+ The correct dimensioning of the low-pass &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; is essential.
- Man könnte auch einen Hüllkurvendemodulator verwenden.
+
- One could also use an envelope demodulator.
+ Hüllkurvendemodulation ist nur für $m < 1$ anwendbar.
+
+ Envelope demodulation is only applicable for &nbsp;$m \le 1$&nbsp;.
  
  
  
{Wie sind die Signalparameter von $z_{\rm E}(t)$ zu wählen, damit $v(t) = q(t)$ gilt?
+
{How should the signal parameters of the receiver-side carrier signal &nbsp;$z_{\rm E}(t)$&nbsp; be chosen,&nbsp; so that &nbsp;$v(t) = q(t)$&nbsp; holds?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$A_{\rm E} \ = \ $ { 2 3% }
 
$A_{\rm E} \ = \ $ { 2 3% }
$f_{\rm E} \ = \ $ { 50 3% } $\ \text{kHz}$  
+
$f_{\rm E} \ \hspace{0.05cm} = \ $ { 50 3% } $\ \text{kHz}$  
$\phi_{\rm E} \ = \ $ { -94--86 } $\ \text{Grad}$
+
$\phi_{\rm E} \ = \ $ { -94--86 } $\ \text{deg}$
  
{Es gelte $f_{\rm E} = f_{\rm T}$ (kein Frequenzversatz). Welches Sinkensignal $v(t)$ ergibt sich mit $ϕ_{\rm E} = - 120^\circ$? Geben Sie dessen Signalwert bei $t = 0$ ein.
+
{Let &nbsp;$f_{\rm E} = f_{\rm T}$&nbsp; (no frequency offset).&nbsp; Which sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; results with &nbsp;$ϕ_{\rm E} = - 120^\circ$? <br>Give its signal value at &nbsp;$t = 0$&nbsp;.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$v(t = 0)\ = \ $ { 1.732 3% } $\ \text{V}$
 
$v(t = 0)\ = \ $ { 1.732 3% } $\ \text{V}$
  
  
{Es gelte weiter $f_{\rm E} = f_{\rm T}$. Welches Sinkensignal $υ(t)$ ergibt sich mit $ϕ_{\rm E} = 0^\circ$? Geben Sie den Signalwert bei $t = 0$ ein.
+
{Let &nbsp;$f_{\rm E} = f_{\rm T}$&nbsp; again.&nbsp; Which sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; results with &nbsp;$ϕ_{\rm E} = 0^\circ$? <br>Give the signal value at &nbsp;$t = 0$.
 
|type="{}"}  
 
|type="{}"}  
 
$v(t = 0)\ = \ $ { 0. }  $\ \text{V}$
 
$v(t = 0)\ = \ $ { 0. }  $\ \text{V}$
  
  
{Es gelte $ϕ_{\rm E} = ϕ_{\rm T}$  (kein Phasenversatz). Welches Sinkensignal erhält man mit $Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} = f_{\rm E} f_{\rm T} = 1$ kHz?  
+
{Let &nbsp;$ϕ_{\rm E} = ϕ_{\rm T}$&nbsp; (no phase offset).&nbsp; Which sink signal does one obtain with &nbsp;$Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} = f_{\rm E} - f_{\rm T} = 1\text{ kHz}$?  
<br>Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
+
<br>Which of the following statements are correct?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
Es gilt $v(t) = q(t) · \cos(2π · Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} · t).$
+
It holds that &nbsp;$v(t) = q(t) · \cos(2π · Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} · t).$
- $v(t)$ beinhaltet einen Spektralanteil bei $2$ kHz.
+
- $v(t)$&nbsp; contains a spectral component at &nbsp;$2$ kHz.
+ $v(t)$ beinhaltet einen Spektralanteil bei $4$ kHz.
+
+ $v(t)$&nbsp; contains a spectral component at&nbsp;$4$ kHz.
+ $v(t)$ beinhaltet einen Spektralanteil bei $6$ kHz.
+
+ $v(t)$&nbsp; contains a spectral component at &nbsp;$6$ kHz.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''Richtig sind die Aussagen 2, 3 und 5: Bei ZSB–AM ohne Träger bzw. mit einem Modulationsgrad m > 1 ist Hüllkurvendemodulation nicht anwendbar. Die Leistungsfähigkeit des Synchrondemodulators wird durch den zusätzlichen Trägeranteil nicht gesteigert, sondern führt lediglich zu einer unnötigen Vergrößerung der aufzubringenden Sendeleistung.
+
'''(1)'''&nbsp;  <u>Answers 2, 3 and 5</u>&nbsp; are correct:  
 +
*Envelope demodulation is not applicable for DSB-AM without carrier and a modulation depth of &nbsp; $m > 1$.  
 +
*The performance of the synchronous demodulator is not increased by the additional carrier component,&nbsp; but only leads to an unnecessary increase in the transmit power to be applied.
 +
*The third statement is also correct.&nbsp; The solution to&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_2.4Z:__Low-pass_Influence_with_Synchronous_Demodulation|Exercise 2.4Z]]&nbsp; shows the effects of omitting or incorrectly dimensioning&nbsp; $H_{\rm E} (f)$.
 +
 
 +
 
  
Auch die dritte Aussage ist richtig. In der Musterlösung zu Z2.4 wird gezeigt, welche Auswirkungen ein Verzicht bzw. eine falsche Dimensionierung von $H_E(f)$ hat.
+
'''(2)'''&nbsp; As the name&nbsp; "synchronous demodulator"&nbsp; already implies,&nbsp; the signals &nbsp; $z(t)$&nbsp; and&nbsp; $z_{\rm E} (t)$&nbsp;
 +
must be synchronous in frequency and phase:
 +
:$$f_{\rm E} = f_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline {= 50\,{\rm kHz}}, \hspace{0.15cm}\phi_{\rm E} = \phi_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline {= - 90^{\circ}} \hspace{0.05cm}.$$
 +
*The carrier frequency&nbsp; $f_{\rm T} $&nbsp; at the transmitter can be determined from the transmission spectrum&nbsp; $S(f)$.&nbsp; In the case of perfect synchronisation:
 +
:$$v(t) = {A_{\rm E}}/{2} \cdot q(t) + {A_{\rm E}}/{2} \cdot q(t)\cdot \cos(2 \cdot \omega_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
 +
*The second term is removed by the low-pass filter.&nbsp; Thus,&nbsp; with&nbsp; $A_{\rm E}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2}$,&nbsp; $v(t) = q(t)$ holds.
  
  
'''2.'''Wie der Name „Synchrondemodulator” bereits impliziert, müssen die Signale $z(t)$ und $z_E(t)$ frequenz– und phasensynchron sein:
 
$$f_{\rm E} = f_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline {= 50\,{\rm kHz}}, \hspace{0.15cm}\phi_{\rm E} = \phi_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline {= - 90^{\circ}} \hspace{0.05cm}.$$
 
Die Trägerfrequenz $f_T$ kann dabei aus den Angaben über das Sendespektrum $S(f)$ ermittelt werden. Bei vollständiger Synchronität gilt:
 
$$v(t) = \frac{A_{\rm E}}{2} \cdot q(t) + \frac{A_{\rm E}}{2} \cdot q(t)\cdot \cos(2 \cdot \omega_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
 
Der zweite Term wird durch den Tiefpass entfernt. Mit $A_E = 2$ gilt somit $υ(t) = q(t)$.
 
  
 +
'''(3)'''&nbsp;  In the theory section,&nbsp; it was shown that in general for DSB-AM and synchronous demodulation:
 +
:$$v(t) = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) \hspace{0.05cm}.$$
 +
*Even insufficient phase synchronisation does not lead to distortions,&nbsp; only to a frequency-independent attenuation.
 +
*With&nbsp; $ϕ_{\rm T} =-90^\circ$&nbsp; and&nbsp; $ϕ_{\rm E} = -120^\circ$&nbsp; &rArr; &nbsp; $Δϕ_{\rm T} = -30^\circ$:
 +
:$$ v(t) = \cos(30^{\circ}) \cdot q(t)= 0.866 \cdot q(t) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} v(t= 0) = 0.866 \cdot A_1 \hspace{0.15cm}\underline {= 1.732\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''3.''' Im Theorieteil wurde gezeigt, dass bei ZSB–AM und Synchrondemodulation allgemein gilt:
 
$$v(t) = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) \hspace{0.05cm}.$$
 
Auch bei ungenügender Phasensynchronisation kommt es nicht zu Verzerrungen, sondern nur zu einer frequenzunabhängigen Dämpfung. Mit $ϕ_T = –90°$ und $ϕ_E = –120°$ ist $Δϕ_T = –30°$ und man erhält:
 
$$ v(t) = \cos(30^{\circ}) \cdot q(t)= 0.866 \cdot q(t) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} v(t= 0) = 0.866 \cdot A_1 \hspace{0.15cm}\underline {= 1.732\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
  
'''4.'''Nun beträgt die Phasendifferenz $Δϕ_T = 90°$ und man erhält $υ(t) = 0$. Es ist müßig darüber zu diskutieren, ob es sich hierbei noch um ein verzerrungsfreies System handelt.
+
'''(4)'''&nbsp; Now the phase difference is &nbsp; $Δϕ_{\rm T} = 90^\circ$&nbsp; and we get&nbsp; $v(t) \equiv 0$.
 +
*It is pointless to discuss whether this is still a distortion-free system.
 +
*The result&nbsp; $v(t) \equiv 0$&nbsp; is due to the fact that cosine and sine are orthogonal functions.  
 +
*This principle is made use of,&nbsp; for example,&nbsp; in what is known as &nbsp; [[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation|quadrature amplitude modulation.]].
  
Das Ergebnis $υ(t) = 0$ ist darauf zurückzuführen, dass Cosinus und Sinus orthogonale Funktionen sind. Dieses Prinzip wird zum Beispiel bei der so genannten Quadratur–Amplitudenmodulation ausgenutzt.
 
  
  
'''5.'''Hier lautet die Gleichung für das Signal nach der Multiplikation:
+
'''(5)'''&nbsp; The equation for the signal after multiplication is:
$$b(t) =  q(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 90^{\circ}) \cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm E} \cdot t - 90^{\circ})=$$
+
:$$b(t) =  q(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 90^{\circ}) \cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm E} \cdot t - 90^{\circ})= 2 \cdot q(t) \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t ) \cdot \sin(\omega_{\rm E} \cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
$$  =  2 \cdot q(t) \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t ) \cdot \sin(\omega_{\rm E} \cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
+
*This result can also be rewritten using the trigonometric transformation
Dieses Ergebnis kann mit der trigonometrischen Umformung
+
:$$\sin(\alpha)\cdot \sin(\beta) = {1}/{2} \cdot \left[ \cos(\alpha-\beta) - \cos(\alpha+\beta)\right]$$
$$\sin(\alpha)\cdot \sin(\beta) = {1}/{2} \cdot \left[ \cos(\alpha-\beta) - \cos(\alpha+\beta)\right]$$
+
:as follows:
auch wie folgt geschrieben werden:
+
:$$ b(t) = q(t) \cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm E}) \cdot t ) + q(t) \cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm E}) \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
$$ b(t) = q(t) \cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm E}) \cdot t ) + q(t) \cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm E}) \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
+
*The second term lies in the vicinity of &nbsp; $2f_{\rm T}$&nbsp; for &nbsp; $f_{\rm E} = f_{\rm T}$&nbsp; and is removed by the low-pass.  
Der zweite Term liegt für $f_E ≈ f_T$ in der Umgebung von $2f_T$ und wird durch den Tiefpass entfernt. Somit bleibt mit der Frequenzdifferenz $Δf_T = f_E – f_T = 1 kHz$:
+
*With the frequency difference &nbsp; $Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} = f_{\rm E} - f_{\rm T}= 1$ kHz,&nbsp; this leaves:
$$ v(t) = q(t) \cdot \cos(2 \pi \cdot \Delta f_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ v(t) = q(t) \cdot \cos(2 \pi \cdot \Delta \hspace{-0.05cm}f_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
Die erste Aussage ist somit richtig. Diese besagt, dass nun das Nachrichtensignal $υ(t)$ gemäß einer Cosinusfunktion leiser und wieder lauter wird („Schwebung”). Aus dem Cosinusanteil von $q(t)$ mit der Frequenz $f_1 = 2 kHz$ werden nun zwei Anteile (jeweils halber Amplitude) bei $1 kHz$ und $3 kHz$. Ebenso ist im Sinkensignal kein Anteil bei $f_2 = 5 kHz$ enthalten, sondern lediglich Anteile bei $4 kHz$ und $6 kHz$:
+
*The first statement is correct.&nbsp; This states that now the signal &nbsp; $v(t)$&nbsp; becomes quieter and louder again after demodulation according to a cosine function&nbsp; (a&nbsp; "beat").  
$$1\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} \cdot t)\cdot \cos(2 \pi \cdot 1\,{\rm kHz} \cdot t)  =$$
+
*The cosine component of &nbsp; $q(t)$&nbsp; with frequency &nbsp; $f_1 = 2\text{ kHz}$&nbsp; now becomes two components&nbsp; (each of half the amplitude)&nbsp; at &nbsp; $1\text{ kHz}$ and $3\text{ kHz}$.
$$ 0.5\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 4\,{\rm kHz} \cdot t)$$
+
*Similarly,&nbsp; the sink signal does not include a component at&nbsp; $f_2 = 5\text{ kHz}$,&nbsp; only components at &nbsp; $4\text{ kHz}$&nbsp; and at&nbsp; $6\text{ kHz}$:
$$+  0.5\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 6\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$1\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} \cdot t)\cdot \cos(2 \pi \cdot 1\,{\rm kHz} \cdot t)  =
Richtig sind die Aussagen 1, 3 und 4.
+
0.5\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 4\,{\rm kHz} \cdot t)
 +
+  0.5\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 6\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
<u>Answers 1, 3 and 4</u>&nbsp; are correct.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^2.2 Synchrondemodulation^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.2 Synchronous Demodulation^]]

Latest revision as of 16:25, 25 March 2022

Model of a synchronous demodulator

Consider the source signal  $q(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 1} t ) +A_{\rm 2} \cdot \sin(2 \pi f_{\rm 2} t )$  with the signal parameters

$$ A_1 = 2\,{\rm V}, \hspace{0.15cm}f_1 = 2\,{\rm kHz} \hspace{0.05cm},$$
$$A_2 = 1\,{\rm V}, \hspace{0.15cm}f_2 = 5\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$

This signal is DSB amplitude-modulated.

  • Thus,  the modulated signal  $s(t)$  has spectral components at  $±45$ kHz,  $±48$ kHz,  $±52$ kHz  and  $±55$ kHz. 
  • It is also known  that the transmitter-side carrier  $z(t)$  is sinusoidal  $(ϕ_{\rm T} = -90^\circ)$.


The demodulation to be performed with the circuit sketched here,  which is defined by the following parameters
("E"   ⇒   "empfägerseitig"   ⇒   "receiver-side"):

  1.   Amplitude  $A_{\rm E}$  (no unit),
  2.   frequency  $f_{\rm E}$,
  3.   phase  $ϕ_{\rm E}$.


The  $H_{\rm E}(f)$  block represents an ideal,  rectangular low-pass filter,  which is suitably dimensioned.


Hints:

  • Take the following trigonometric transformations into account:
$$\cos(\alpha)\cdot \cos(\beta) = {1}/{2} \cdot \left[ \cos(\alpha-\beta) + \cos(\alpha+\beta)\right] \hspace{0.05cm},$$
$$\sin(\alpha)\cdot \cos(\beta) = {1}/{2} \cdot \left[ \sin(\alpha-\beta) + \sin(\alpha+\beta)\right] \hspace{0.05cm},$$
$$\sin(\alpha)\cdot \sin(\beta) = {1}/{2} \cdot \left[ \cos(\alpha-\beta) - \cos(\alpha+\beta)\right] \hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

Which of the following statements are true?

The demodulator would work better for DSB-AM with carrier.
The carrier would unnecessarily increase the transmit power.
The correct dimensioning of the low-pass  $H_{\rm E}(f)$  is essential.
One could also use an envelope demodulator.
Envelope demodulation is only applicable for  $m \le 1$ .

2

How should the signal parameters of the receiver-side carrier signal  $z_{\rm E}(t)$  be chosen,  so that  $v(t) = q(t)$  holds?

$A_{\rm E} \ = \ $

$f_{\rm E} \ \hspace{0.05cm} = \ $

$\ \text{kHz}$
$\phi_{\rm E} \ = \ $

$\ \text{deg}$

3

Let  $f_{\rm E} = f_{\rm T}$  (no frequency offset).  Which sink signal  $v(t)$  results with  $ϕ_{\rm E} = - 120^\circ$?
Give its signal value at  $t = 0$ .

$v(t = 0)\ = \ $

$\ \text{V}$

4

Let  $f_{\rm E} = f_{\rm T}$  again.  Which sink signal  $v(t)$  results with  $ϕ_{\rm E} = 0^\circ$?
Give the signal value at  $t = 0$.

$v(t = 0)\ = \ $

$\ \text{V}$

5

Let  $ϕ_{\rm E} = ϕ_{\rm T}$  (no phase offset).  Which sink signal does one obtain with  $Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} = f_{\rm E} - f_{\rm T} = 1\text{ kHz}$?
Which of the following statements are correct?

It holds that  $v(t) = q(t) · \cos(2π · Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} · t).$
$v(t)$  contains a spectral component at  $2$ kHz.
$v(t)$  contains a spectral component at $4$ kHz.
$v(t)$  contains a spectral component at  $6$ kHz.


Solution

(1)  Answers 2, 3 and 5  are correct:

  • Envelope demodulation is not applicable for DSB-AM without carrier and a modulation depth of   $m > 1$.
  • The performance of the synchronous demodulator is not increased by the additional carrier component,  but only leads to an unnecessary increase in the transmit power to be applied.
  • The third statement is also correct.  The solution to  Exercise 2.4Z  shows the effects of omitting or incorrectly dimensioning  $H_{\rm E} (f)$.


(2)  As the name  "synchronous demodulator"  already implies,  the signals   $z(t)$  and  $z_{\rm E} (t)$  must be synchronous in frequency and phase:

$$f_{\rm E} = f_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline {= 50\,{\rm kHz}}, \hspace{0.15cm}\phi_{\rm E} = \phi_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline {= - 90^{\circ}} \hspace{0.05cm}.$$
  • The carrier frequency  $f_{\rm T} $  at the transmitter can be determined from the transmission spectrum  $S(f)$.  In the case of perfect synchronisation:
$$v(t) = {A_{\rm E}}/{2} \cdot q(t) + {A_{\rm E}}/{2} \cdot q(t)\cdot \cos(2 \cdot \omega_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
  • The second term is removed by the low-pass filter.  Thus,  with  $A_{\rm E}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2}$,  $v(t) = q(t)$ holds.


(3)  In the theory section,  it was shown that in general for DSB-AM and synchronous demodulation:

$$v(t) = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) \hspace{0.05cm}.$$
  • Even insufficient phase synchronisation does not lead to distortions,  only to a frequency-independent attenuation.
  • With  $ϕ_{\rm T} =-90^\circ$  and  $ϕ_{\rm E} = -120^\circ$  ⇒   $Δϕ_{\rm T} = -30^\circ$:
$$ v(t) = \cos(30^{\circ}) \cdot q(t)= 0.866 \cdot q(t) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} v(t= 0) = 0.866 \cdot A_1 \hspace{0.15cm}\underline {= 1.732\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Now the phase difference is   $Δϕ_{\rm T} = 90^\circ$  and we get  $v(t) \equiv 0$.

  • It is pointless to discuss whether this is still a distortion-free system.
  • The result  $v(t) \equiv 0$  is due to the fact that cosine and sine are orthogonal functions.
  • This principle is made use of,  for example,  in what is known as   quadrature amplitude modulation..


(5)  The equation for the signal after multiplication is:

$$b(t) = q(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 90^{\circ}) \cdot 2 \cdot \cos(\omega_{\rm E} \cdot t - 90^{\circ})= 2 \cdot q(t) \cdot \sin(\omega_{\rm T} \cdot t ) \cdot \sin(\omega_{\rm E} \cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
  • This result can also be rewritten using the trigonometric transformation
$$\sin(\alpha)\cdot \sin(\beta) = {1}/{2} \cdot \left[ \cos(\alpha-\beta) - \cos(\alpha+\beta)\right]$$
as follows:
$$ b(t) = q(t) \cdot \cos((\omega_{\rm T} - \omega_{\rm E}) \cdot t ) + q(t) \cdot \cos((\omega_{\rm T} + \omega_{\rm E}) \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
  • The second term lies in the vicinity of   $2f_{\rm T}$  for   $f_{\rm E} = f_{\rm T}$  and is removed by the low-pass.
  • With the frequency difference   $Δ\hspace{-0.05cm}f_{\rm T} = f_{\rm E} - f_{\rm T}= 1$ kHz,  this leaves:
$$ v(t) = q(t) \cdot \cos(2 \pi \cdot \Delta \hspace{-0.05cm}f_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
  • The first statement is correct.  This states that now the signal   $v(t)$  becomes quieter and louder again after demodulation according to a cosine function  (a  "beat").
  • The cosine component of   $q(t)$  with frequency   $f_1 = 2\text{ kHz}$  now becomes two components  (each of half the amplitude)  at   $1\text{ kHz}$ and $3\text{ kHz}$.
  • Similarly,  the sink signal does not include a component at  $f_2 = 5\text{ kHz}$,  only components at   $4\text{ kHz}$  and at  $6\text{ kHz}$:
$$1\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} \cdot t)\cdot \cos(2 \pi \cdot 1\,{\rm kHz} \cdot t) = 0.5\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 4\,{\rm kHz} \cdot t) + 0.5\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 6\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$

Answers 1, 3 and 4  are correct.