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

Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7: Angular Modulation of a Harmonic Oscillation"

From LNTwww
 
(19 intermediate revisions by 4 users not shown)
Line 1: Line 1:
  
{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Frequenzmodulation (FM)
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1103__Mod_Z_3_6.png|right|frame|Möglicher FM–Demodulator]]
+
[[File:P_ID1103__Mod_Z_3_6.png|right|frame|Demodulator <br>for FM]]
Das an einem Empfänger ankommende Signal lautet:
+
The signal arriving at a receiver is:
:$$ r(t) = 3\,{\rm V} \cdot \cos\left[2 \pi \cdot 1\,{\rm MHz} \cdot t + 3 \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\right]\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ r(t) = 3\,{\rm V} \cdot \cos \hspace{-0.05cm} \big[2 \pi \cdot 1\,{\rm MHz} \cdot t + 3 \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\big]\hspace{0.05cm}.$$
Bei r(t) handelt es sich um ein winkelmoduliertes Signal, das bei der Übertragung weder verzerrt noch durch Rauschen beaufschlagt wurde. Die Signale vPM(t) und vFM(t) ergeben sich nach idealer Demodulation mittels
+
&nbsp;r(t)&nbsp; is an angle-modulated signal that was neither distorted nor influenced by noise during transmission.
* Phasendemodulator, gegeben durch die Gleichung
+
 
 +
The signals &nbsp;vPM(t)&nbsp; and &nbsp;vFM(t)&nbsp; result after ideal demodulation by means of
 +
* a phase demodulator, given by the equation
 
:vPM(t)=1KPMϕr(t),KPM=2V1,
 
:vPM(t)=1KPMϕr(t),KPM=2V1,
* Frequenzdemodulator, bestehend aus PM–Demodulator, Differenzierer und einer Konstanten K. Damit alle Signale gleiche Einheiten besitzen, ist diese Konstante K dimensionsbehaftet.
+
* a frequency demodulator, consisting of a PM demodulator, a differentiator and a constant K.  
 +
 
 +
 
 +
In order for all signals to have equal units, this constant K is dimensionally constrained.  
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
 +
 
  
  
''Hinweise:''
+
''Hints:''
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM)|Frequenzmodulation]].
+
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)|Frequency Modulation]].
*Bezug genommen wird aber auch auf das Kapitel [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)|Phasenmodulation]] und insbesondere auf den Abschnitt [[Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM)#Signalverl.C3.A4ufe_bei_Frequenzmodulation|Signalverl.äufe bei Frequenzmodulation]].
+
*Reference is also made to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|Phase Modulation]]&nbsp; and particularly to the section &nbsp;[[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)#Signal_characteristics_with_frequency_modulation|Signal characteristics with frequency modulation]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
+
 
 
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen treffen mit Sicherheit zu?
+
{Which statements are definitely true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es könnte eine PM–Modulation vorliegen.
+
+ There could be a PM modulation.
+ Es könnte eine FM–Modulation vorliegen.
+
+ There could be a FM modulation.
- Die Nachrichtenphase ist sicher ϕ_{\rm N} = 0.
+
- The message phase is definitely &nbsp;ϕ_{\rm N} = 0.
+ Die Nachrichtenfrequenz ist sicher f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz.
+
+ The message phase is definitely &nbsp;f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz.
  
  
{Berechnen Sie das Signal v_{\rm PM}(t) nach dem Phasendemodulator. Wie groß ist der Signalwert zum Zeitpunkt t = 0?
+
{Calculate the signal&nbsp;v_{\rm PM}(t)&nbsp; after the phase demodulator.&nbsp; What is the signal value at time &nbsp;t = 0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
v_{\rm PM}(t = 0) \ = \ { 1.5 3% } \ \rm V  
 
v_{\rm PM}(t = 0) \ = \ { 1.5 3% } \ \rm V  
  
{Berechnen Sie das Signal v_{\rm FM}(t). Wie groß ist die Nachrichtenphase ϕ_{\rm N}?
+
{Calculate the signal&nbsp;v_{\rm FM}(t). What is the message phase &nbsp;ϕ_{\rm N}?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
ϕ_{\rm N} \ = \ { 90 3% } \ \rm Grad  
 
ϕ_{\rm N} \ = \ { 90 3% } \ \rm Grad  
  
{Wie groß ist K zu wählen, damit die Amplitude von v_{\rm FM}(t) gleich 1.5 \ \rm  V ist?
+
{How should &nbsp;K&nbsp; be chosen so that the amplitude of &nbsp;v_{\rm FM}(t)&nbsp; is equal to &nbsp;1.5 \ \rm  V&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
K\ = \ { 6.28 3% } \rm \cdot 10^4 \ 1/s
+
K\ = \ { 6.28 3% } $\ \rm \cdot 10^4 \ 1/s$
  
{Welche der folgenden Aussagen treffen für das FM–modulierte Signal zu?
+
{Which of the following statements is true for the FM-modulated signal?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Phasenhub beträgt ϕ_{\rm max} = 3.
+
+ The phase deviation is &nbsp;ϕ_{\rm max} = 3.
+ Der Frequenzhub beträgt Δf_{\rm A} = 30 \ \rm  kHz.
+
+ The frequency deviation is &nbsp;Δf_{\rm A} = 30 \ \rm  kHz.
+ Es treten Augenblicksfrequenzen zwischen 0.97\ \rm  MHz und 1.03 \ \rm  MHz auf.
+
+ The instantaneous frequencies are between &nbsp;0.97\ \rm  MHz&nbsp; and &nbsp;1.03 \ \rm  MHz&nbsp;.
- Mit f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz würde sich am Phasenhub nichts ändern.
+
- If &nbsp;f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz&nbsp;, the phase deviation would be unchanged.
+ Mit f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz würde sich am Frequenzhub nichts ändern.
+
+ If &nbsp;f_{\rm N} = 5 \ \rm  kHz&nbsp; the frequency deviation would be unchanged.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' a)  Aus der Gleichung für r(t) kann lediglich abgelesen werden, dass es sich um eine Winkelmodulation handelt, nicht jedoch, ob eine PM oder eine FM vorliegt. Aufgrund der Gleichung steht fest, dass die Nachrichtenfrequenz $f_N = 10 kHz$ beträgt. Die Phase $ϕ_N = 0$ des Quellensignals würde dagegen nur zutreffen, wenn eine Phasenmodulation vorliegt. Richtig sind also die Lösungsvorschläge 1, 2 und 4.
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Answers 1, 2 and 4</u> are correct:
 +
*From the equation for&nbsp; r(t)&nbsp; it can only be ascertained that it is an angle modulation,
 +
*but not whether it is a phase modulation (PM) or a frequency modulation (FM).  
 +
*Based on the equation, it is clear that the message frequency is&nbsp; $f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz$&nbsp;.  
 +
*The phase&nbsp; $ϕ_{\rm N} = 0$&nbsp; of the source signal would then only apply, if phase modulation were present.  
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp;  With the modulator constant&nbsp; K_{\rm PM} = 2 \ \rm V^{–1}&nbsp; this is given by:
 +
:$$v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
*At time &nbsp; t = 0&nbsp; it therefore holds that:
 +
:v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(3)'''&nbsp;  The output signal &nbsp; v_{\rm FM}(t)&nbsp; of the FM demodulator – consisting of a PM–demodulator and differentiator – can be written as:
 +
:v_{\rm FM}(t)  =  \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))=  \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.
 +
*The message phase is thus &nbsp; ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 90^\circ}.
 +
 
  
  
'''2.''' Mit der Modulatorkonstanten K_{PM} = 2 V^{–1} erhält man hierfür:
+
'''(4)'''&nbsp;  In this case, it must hold that: &nbsp;
$$v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.$$
Für den Zeitpunkt t = 0 gilt deshalb:
 
$$v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
  
'''3.'''  Für das Ausgangssignal υ_{FM}(t) des FM–Demodulators – bestehend aus PM–Demodulator und Differenzierer – kann geschrieben werden:
 
v_{\rm FM}(t)  =  \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))=
 
=  \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.
 
Die Nachrichtenphase ist somit ϕ_N = 90°.
 
  
 +
'''(5)'''&nbsp;<u>Answers 1, 2, 3 and 5</u> are correct:
 +
*The phase deviation is identical to the modulation index, which can be discerned from the equation given:
 +
:\phi_{\rm max} = \eta = 3 = \frac{\Delta f_{\rm A}}{ f_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.
 +
*This leads to the frequency deviation&nbsp; Δf_{\rm A} = 3 · f_{\rm N} = 30 \ \rm kHz.
 +
*With a carrier frequency of &nbsp; f_{\rm T} = 1 \ \rm MHz&nbsp;, the instantaneous frequency&nbsp; f_{\rm T}(t)&nbsp; can only take values between&nbsp; 1±0.03 \ \rm  MHz&nbsp;.
  
'''4.''' In diesem Fall muss gelten:
 
K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.
 
'''5.''' Alle Lösungsvorschläge sind richtig bis auf den vorletzten: Der Phasenhub ist identisch mit dem Modulationsindex, der aus der angegebenen Gleichung abgelesen werden kann:
 
\phi_{\rm max} = \eta = 3 = \frac{\Delta f_{\rm A}}{ f_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.
 
Damit erhält man den Frequenzhub Δf_A = 3 · f_N = 30 kHz. Mit der Trägerfrequenz f_T = 1 MHz kann somit die Augenblicksfrequenz f_A(t) nur Werte zwischen 1±0.03 MHz annehmen.
 
  
 +
'''Thus, the following statement is also valid:''':
  
Bei halber Nachrichtenfrequenz verdoppelt sich der Phasenhub η, während der Frequenzhub $Δf_A$ davon nicht beeinflusst wird:
+
At half the message frequency, the phase deviation&nbsp; η doubles, while the frequency deviation&nbsp; $Δf_{\rm A}$&nbsp;is unaffected:
\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.
+
:\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.
  
  
Line 83: Line 107:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^3.2 Frequenzmodulation (FM)^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.2 Frequency Modulation^]]

Latest revision as of 17:14, 9 April 2022

Demodulator
for FM

The signal arriving at a receiver is:

r(t) = 3\,{\rm V} \cdot \cos \hspace{-0.05cm} \big[2 \pi \cdot 1\,{\rm MHz} \cdot t + 3 \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\big]\hspace{0.05cm}.

 r(t)  is an angle-modulated signal that was neither distorted nor influenced by noise during transmission.

The signals  v_{\rm PM}(t)  and  v_{\rm FM}(t)  result after ideal demodulation by means of

  • a phase demodulator, given by the equation
v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} {K_{\rm PM}} = 2\,{\rm V}^{-1}\hspace{0.05cm},
  • a frequency demodulator, consisting of a PM demodulator, a differentiator and a constant K.


In order for all signals to have equal units, this constant K is dimensionally constrained.





Hints:



Questions

1

Which statements are definitely true?

There could be a PM modulation.
There could be a FM modulation.
The message phase is definitely  ϕ_{\rm N} = 0.
The message phase is definitely  f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz.

2

Calculate the signal v_{\rm PM}(t)  after the phase demodulator.  What is the signal value at time  t = 0?

v_{\rm PM}(t = 0) \ = \

\ \rm V

3

Calculate the signal v_{\rm FM}(t). What is the message phase  ϕ_{\rm N}?

ϕ_{\rm N} \ = \

\ \rm Grad

4

How should  K  be chosen so that the amplitude of  v_{\rm FM}(t)  is equal to  1.5 \ \rm V ?

K\ = \

\ \rm \cdot 10^4 \ 1/s

5

Which of the following statements is true for the FM-modulated signal?

The phase deviation is  ϕ_{\rm max} = 3.
The frequency deviation is  Δf_{\rm A} = 30 \ \rm kHz.
The instantaneous frequencies are between  0.97\ \rm MHz  and  1.03 \ \rm MHz .
If  f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz , the phase deviation would be unchanged.
If  f_{\rm N} = 5 \ \rm kHz  the frequency deviation would be unchanged.


Solution

(1)  Answers 1, 2 and 4 are correct:

  • From the equation for  r(t)  it can only be ascertained that it is an angle modulation,
  • but not whether it is a phase modulation (PM) or a frequency modulation (FM).
  • Based on the equation, it is clear that the message frequency is  f_{\rm N} = 10 \ \rm kHz .
  • The phase  ϕ_{\rm N} = 0  of the source signal would then only apply, if phase modulation were present.


(2)  With the modulator constant  K_{\rm PM} = 2 \ \rm V^{–1}  this is given by:

v_{\rm PM}(t) = \frac{1}{K_{\rm PM}} \cdot \phi_r(t) = \frac{3}{2\,{\rm V}^{-1}} \cdot \cos(2 \pi \cdot 10\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm}.
  • At time   t = 0  it therefore holds that:
v_{\rm PM}(t = 0) = {A_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.5\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.


(3)  The output signal   v_{\rm FM}(t)  of the FM demodulator – consisting of a PM–demodulator and differentiator – can be written as:

v_{\rm FM}(t) = \frac{{\rm d}v_{\rm PM}(t)}{{\rm d}t} \cdot K = \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot (- \sin(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t))= \frac{K \cdot A_{\rm N}}{2 \pi \cdot f_{\rm N}} \cdot \cos(2 \pi \cdot {f_{\rm N}} \cdot t + 90^\circ)\hspace{0.05cm}.
  • The message phase is thus   ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 90^\circ}.


(4)  In this case, it must hold that:  

K ={2 \pi \cdot f_{\rm N}} \hspace{0.15cm}\underline { = 6.28 \cdot 10^{4} \,\,{1}/{ s}} \hspace{0.05cm}.


(5) Answers 1, 2, 3 and 5 are correct:

  • The phase deviation is identical to the modulation index, which can be discerned from the equation given:
\phi_{\rm max} = \eta = 3 = \frac{\Delta f_{\rm A}}{ f_{\rm N}} \hspace{0.05cm}.
  • This leads to the frequency deviation  Δf_{\rm A} = 3 · f_{\rm N} = 30 \ \rm kHz.
  • With a carrier frequency of   f_{\rm T} = 1 \ \rm MHz , the instantaneous frequency  f_{\rm T}(t)  can only take values between  1±0.03 \ \rm MHz .


Thus, the following statement is also valid::

At half the message frequency, the phase deviation  η doubles, while the frequency deviation  Δf_{\rm A} is unaffected:

\eta = \frac{K_{\rm PM} \cdot A_{\rm N}}{ f_{\rm N}} = 6 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\Delta f_{\rm A} = \eta \cdot f_{\rm N} = 6 \cdot 5\,{\rm kHz} = 30\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.