Aufgaben:Exercise 4.9: Costas Rule Loop: Difference between revisions

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[[File:P_ID1704__Mod_A_4_8.png|right|frame|Costas Regelschleife]]
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Eine wichtige Voraussetzung für kohärente Demodulation ist die phasenrichtige Trägerrückgewinnung. Eine Möglichkeit hierfür bietet die sog. ''Costas–Regelschleife'', die vereinfacht durch das nebenstehende Blockschaltbild dargestellt ist.
An important prerequisite for coherent demodulation is  "in-phase carrier recovery".  One possibility for this is the so-called  "Costas rule loop",  which is shown in simplified form by the adjacent block diagram.


Das Empfangssignal kann bei der binären Phasenmodulation (BPSK) als
In binary phase modulation  $\rm (BPSK)$,  the received signal can be expressed as
:$$ r(t) = \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi)$$
:$$ r(t) = \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi)$$
geschrieben werden. Die Phasendrehung ϕ auf dem Übertragungskanal muss dabei stets als unbekannt angenommen werden. „±” beschreibt die Phasensprünge des BPSK–Signals.
The phase rotation  $ϕ$  on the transmission channel is always assumed to be unknown.  The factor  "±"  describes the phase jumps of the BPSK signal.


Aufgabe der durch die Grafik angegebenen Schaltung ist es, ein Trägersignal
The task of the circuit indicated by the diagram is to generate a carrier signal
:$$z(t) = \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta)$$
:$$z(t) = \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta)$$
zu generieren, wobei der Phasenfehler $\phi - θ$ zwischen dem BPSK–Empfangssignal $r(t)$ und der am Empfänger generierten Schwingung $z(t)$ ausgeregelt werden muss. Hierzu wird mit einem regelbaren Oszillator (VCO, ''Voltage Controlled Oscillator'') eine Schwingung der Frequenz $f_{\rm T}$ erzeugt, zunächst mit beliebiger Phase $θ$. Durch die Costas–Regelschleife wird jedoch iterativ das Wunschergebnis $θ = \phi$ erreicht.
where the phase error   $\phi - θ$   between the BPSK received signal  $r(t)$  and the oscillation  $z(t)$  generated at the receiver must be compensated.
*For this purpose, a  "Voltage Controlled Oscillator"  $($'''VCO'''$)$  is used to generate an oscillation of frequency  $f_{\rm T}$,  initially with arbitrary phase  $θ$.  
*However,  the Costas rule loop iteratively achieves the desired result  $θ = \phi$. 




''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulation|Lineare digitale Modulation]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
Notes:  
*In der Grafik  bezeichnet „TP” Tiefpässe, die als ideal angenommen werden.  
*The exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation|"Linear Digital Modulation"]].  
*Das mit $π/2$ beschriftete Quadrat kennzeichnet eine Phasendrehung um $π/2 \ (90^\circ)$, so dass beispielsweise aus einem Cosinus–Signal ein Minus–Sinus–Signal wird:
*In the diagram,  "TP"  denotes low-passes  (German:  "Tiefpass"   ⇒   subscript:  "TP"),  which are assumed to be ideal.
*The square labeled  $π/2$  denotes a phase rotation by  $π/2 \ (90^\circ)$,  so that,  for example,  a cosine signal becomes a  "minus-sine" signal:
:$$\cos (\omega_{\rm 0} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\cos (\omega_{\rm 0} \cdot t + 90^\circ) = -\sin (\omega_{\rm 0} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
:$$\cos (\omega_{\rm 0} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\cos (\omega_{\rm 0} \cdot t + 90^\circ) = -\sin (\omega_{\rm 0} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
*Weiter gelten folgende trigonometrischen Beziehungen:
*Further,  the following trigonometric relations hold:
:$$\cos (\alpha) \cdot \cos (\beta)  =  {1} /{2} \cdot \left [ \cos (\alpha - \beta) + \cos (\alpha + \beta)\right]\hspace{0.05cm},$$  
:$$\cos (\alpha) \cdot \cos (\beta)  =  {1} /{2} \cdot \big [ \cos (\alpha - \beta) + \cos (\alpha + \beta)\big]\hspace{0.05cm},$$  
:$$\sin (\alpha) \cdot \cos (\beta)  =  {1} /{2} \cdot \left [ \sin (\alpha - \beta) + \sin (\alpha + \beta)\right]\hspace{0.05cm}.$$
:$$\sin (\alpha) \cdot \cos (\beta)  =  {1} /{2} \cdot \big [ \sin (\alpha - \beta) + \sin (\alpha + \beta)\big]\hspace{0.05cm}.$$






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


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie das Signal $y_1(t)$ nach dem Tiefpass im oberen Zweig. Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
{Calculate the signal &nbsp;$y_1(t)$&nbsp; after the low-pass in the upper branch.&nbsp; Which of the following statements is correct?
|type="[]"}
|type="()"}
- $y_1(t) = ± s_0/2 · [\cos (\phi - θ) + \cos (4 π · f_{\rm T} · t +\phi + θ)],$
- $y_1(t) = ± s_0/2 · \big[\cos (\phi - θ) + \cos (4 π · f_{\rm T} · t +\phi + θ)\big],$
+ $y_1(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ),$
+ $y_1(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ),$
- $y_1(t) = ± s_0/2 · \sin (\phi - θ).$
- $y_1(t) = ± s_0/2 · \sin (\phi - θ).$


{Berechnen Sie das Signal $y_2(t)$ nach dem Tiefpass im unteren Zweig. Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
{Calculate the signal &nbsp;$y_2(t)$&nbsp; after the low-pass in the lower branch.&nbsp; Which of the following statements is correct?
|type="[]"}
|type="()"}
- $y_2(t) = ± s_0/2 ·  [\cos (\phi - θ) + \cos (4 π · f_{\rm T} · t +\phi + θ)],$
- $y_2(t) = ± s_0/2 ·  \big[\cos (\phi - θ) + \cos (4 π · f_{\rm T} · t +\phi + θ)\big],$
- $y_2(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ),$
- $y_2(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ),$
+ $y_2(t) = ± s_0/2 · \sin (\phi - θ).$
+ $y_2(t) = ± s_0/2 · \sin (\phi - θ).$


{Berechnen Sie das Regelsignal $x(t)$ und geben Sie eine Näherung für kleine Phasenabweichung $\phi - θ$ an. Welche Gleichungen sind richtig?
{Calculate the rule signal &nbsp;$x(t)$&nbsp; and give an approximation for small phase deviation &nbsp;$\phi - θ$.&nbsp; Which equations are correct?
|type="[]"}
|type="[]"}
- $x(t) = s_0^2/8 · \cos(\phi + θ)$,
- $x(t) = s_0^2/8 · \cos(\phi + θ)$,
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</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>zweite Lösungsvorschlag</u>:
'''(1)'''&nbsp; The&nbsp; <u>second solution</u>&nbsp; is correct:
*Mit dem Additionstheorem der Trigonometrie erhält man:
*Using the addition theorem of trigonometry,&nbsp; we obtain:
:$$ m_1(t)  =  \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi) \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta) =  \pm \frac{s_0}{2} \cdot \left [ \cos ( \phi - \theta) + \cos (4 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi +\theta)\right]\hspace{0.05cm}.$$
:$$ m_1(t)  =  \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi) \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta) =  \pm \frac{s_0}{2} \cdot \left [ \cos ( \phi - \theta) + \cos (4 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi +\theta)\right]\hspace{0.05cm}.$$
*Nach dem Tiefpass verbleibt nur der Gleichanteil $y_1(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ).$
*After the low-pass,&nbsp; only the DC component&nbsp; $y_1(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ)$&nbsp; remains.  




'''(2)'''&nbsp; Richtig ist demnach hier der <u>letzte Lösungsvorschlag</u>:
 
*Analog zu Teilaufgabe (1) ergibt sich für das Eingangssignal des unteren Tiefpasses:
'''(2)'''&nbsp; Here the&nbsp; <u>last solution</u>&nbsp; is correct:
*Analogous to question&nbsp; '''(1)''',&nbsp; the result for the input signal of the lower low-pass filter is:
:$$ m_2(t)  =  \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi) \cdot \left [-\sin (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta) \right]= \pm \frac{s_0}{2} \cdot \left [ \sin ( \phi - \theta) + \sin (4 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi +\theta)\right].$$
:$$ m_2(t)  =  \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi) \cdot \left [-\sin (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta) \right]= \pm \frac{s_0}{2} \cdot \left [ \sin ( \phi - \theta) + \sin (4 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi +\theta)\right].$$
Dies führt zu folgendem  Ausgangssignal:  
*This leads to the following output signal:
:$$ y_2(t) = \pm {s_0}/{2} \cdot\sin ( \phi - \theta) \hspace{0.05cm}.$$
:$$ y_2(t) = \pm {s_0}/{2} \cdot\sin ( \phi - \theta) \hspace{0.05cm}.$$




'''(3)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
 
*Durch Multiplikation von $y_1(t)$ und $y_2(t)$ erhält man:
'''(3)'''&nbsp; <u>Solutions 2 and 3</u>&nbsp; are correct:
$$x(t)  =  y_1(t) \cdot y_2(t)= \frac{s_0^2}{4} \cdot \cos ( \phi - \theta) \cdot \sin ( \phi - \theta)  
*By multiplying&nbsp; $y_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $y_2(t)$&nbsp; we obtain:
=  \frac{s_0^2}{8} \cdot \sin ( 2\cdot\phi - 2\cdot\theta) \hspace{0.05cm}.$$
:$$x(t)  =  y_1(t) \cdot y_2(t)= \frac{s_0^2}{4} \cdot \cos ( \phi - \theta) \cdot \sin ( \phi - \theta)=  \frac{s_0^2}{8} \cdot \sin ( 2\cdot\phi - 2\cdot\theta) \hspace{0.05cm}.$$
*Mit der Kleinwinkelnäherung $\sin(α) ≈ α$ folgt daraus:
*Using the small angle approximation&nbsp; $\sin(α) ≈ α$&nbsp; it follows:
:$$x(t) \approx \frac{s_0^2}{4} \cdot ( \phi - \theta) \hspace{0.05cm}.$$
:$$x(t) \approx \frac{s_0^2}{4} \cdot ( \phi - \theta) \hspace{0.05cm}.$$
*Das Regelsignal $x(t)$ ist also proportional zum Phasenfehler $\phi - θ$, der mit der Costas–Regelschleife zu Null geregelt wird. Im eingeschwungenen Zustand folgt somit das Oszillatorsignal $z(t)$ unmittelbar dem Empfangssignal $r(t)$.
*The rule signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is thus proportional to the phase error&nbsp; $\phi - θ$,&nbsp; which is controlled to zero by the Costas rule loop.&nbsp;
*Um die erforderliche Startbedingung $θ ≈ \phi$ zu erreichen, wird meist zunächst eine Trainigssequenz übertragen und die Phase entsprechend initialisiert. Dies auch, weil die Phase nur modulo $π$ ausgeregelt wird, so dass beispielsweise $\phi - θ = π$ fälschlicherweise zum Regelsignal $x(t) = 0$ führt.
*Thus,&nbsp; in the steady state,&nbsp; the oscillator signal&nbsp; $z(t)$&nbsp; immediately follows the received signal&nbsp; $r(t)$.
*To achieve the required initial condition&nbsp; $θ ≈ \phi$,&nbsp; a training sequence is usually transmitted first and the phase is initialized accordingly.
*This is also because the phase is only controlled modulo&nbsp; $π$,&nbsp; so that,&nbsp; for example,&nbsp; $\phi - θ = π$&nbsp; would incorrectly lead to the rule signal&nbsp; $x(t) = 0$.&nbsp;


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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^4.2 Lineare digitale Modulation^]]
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^4.2 Linear Digital Modulation^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 4.9: Costas–Regelschleife]]

Latest revision as of 17:54, 16 March 2026

Costas rule loop

An important prerequisite for coherent demodulation is  "in-phase carrier recovery".  One possibility for this is the so-called  "Costas rule loop",  which is shown in simplified form by the adjacent block diagram.

In binary phase modulation  $\rm (BPSK)$,  the received signal can be expressed as

$$ r(t) = \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi)$$

The phase rotation  $ϕ$  on the transmission channel is always assumed to be unknown.  The factor  "±"  describes the phase jumps of the BPSK signal.

The task of the circuit indicated by the diagram is to generate a carrier signal

$$z(t) = \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta)$$

where the phase error   $\phi - θ$   between the BPSK received signal  $r(t)$  and the oscillation  $z(t)$  generated at the receiver must be compensated.

  • For this purpose, a  "Voltage Controlled Oscillator"  $($VCO$)$  is used to generate an oscillation of frequency  $f_{\rm T}$,  initially with arbitrary phase  $θ$.
  • However,  the Costas rule loop iteratively achieves the desired result  $θ = \phi$. 



Notes:

  • The exercise belongs to the chapter  "Linear Digital Modulation".
  • In the diagram,  "TP"  denotes low-passes  (German:  "Tiefpass"   ⇒   subscript:  "TP"),  which are assumed to be ideal.
  • The square labeled  $π/2$  denotes a phase rotation by  $π/2 \ (90^\circ)$,  so that,  for example,  a cosine signal becomes a  "minus-sine" signal:
$$\cos (\omega_{\rm 0} \cdot t)\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\cos (\omega_{\rm 0} \cdot t + 90^\circ) = -\sin (\omega_{\rm 0} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  • Further,  the following trigonometric relations hold:
$$\cos (\alpha) \cdot \cos (\beta) = {1} /{2} \cdot \big [ \cos (\alpha - \beta) + \cos (\alpha + \beta)\big]\hspace{0.05cm},$$
$$\sin (\alpha) \cdot \cos (\beta) = {1} /{2} \cdot \big [ \sin (\alpha - \beta) + \sin (\alpha + \beta)\big]\hspace{0.05cm}.$$


Questions

1 Calculate the signal  $y_1(t)$  after the low-pass in the upper branch.  Which of the following statements is correct?

$y_1(t) = ± s_0/2 · \big[\cos (\phi - θ) + \cos (4 π · f_{\rm T} · t +\phi + θ)\big],$
$y_1(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ),$
$y_1(t) = ± s_0/2 · \sin (\phi - θ).$

2 Calculate the signal  $y_2(t)$  after the low-pass in the lower branch.  Which of the following statements is correct?

$y_2(t) = ± s_0/2 · \big[\cos (\phi - θ) + \cos (4 π · f_{\rm T} · t +\phi + θ)\big],$
$y_2(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ),$
$y_2(t) = ± s_0/2 · \sin (\phi - θ).$

3 Calculate the rule signal  $x(t)$  and give an approximation for small phase deviation  $\phi - θ$.  Which equations are correct?

$x(t) = s_0^2/8 · \cos(\phi + θ)$,
$x(t) = s_0^2/8 · \sin(2 \phi - 2θ),$
$x(t) ≈ s_0^2/4 · (\phi - θ),$
$x(t) ≈ s_0^2/4 · (\phi - θ)^2.$


Solution

(1)  The  second solution  is correct:

  • Using the addition theorem of trigonometry,  we obtain:
$$ m_1(t) = \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi) \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta) = \pm \frac{s_0}{2} \cdot \left [ \cos ( \phi - \theta) + \cos (4 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi +\theta)\right]\hspace{0.05cm}.$$
  • After the low-pass,  only the DC component  $y_1(t) = ± s_0/2 · \cos (\phi - θ)$  remains.


(2)  Here the  last solution  is correct:

  • Analogous to question  (1),  the result for the input signal of the lower low-pass filter is:
$$ m_2(t) = \pm s_0 \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi) \cdot \left [-\sin (2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \theta) \right]= \pm \frac{s_0}{2} \cdot \left [ \sin ( \phi - \theta) + \sin (4 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t + \phi +\theta)\right].$$
  • This leads to the following output signal:
$$ y_2(t) = \pm {s_0}/{2} \cdot\sin ( \phi - \theta) \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Solutions 2 and 3  are correct:

  • By multiplying  $y_1(t)$  and  $y_2(t)$  we obtain:
$$x(t) = y_1(t) \cdot y_2(t)= \frac{s_0^2}{4} \cdot \cos ( \phi - \theta) \cdot \sin ( \phi - \theta)= \frac{s_0^2}{8} \cdot \sin ( 2\cdot\phi - 2\cdot\theta) \hspace{0.05cm}.$$
  • Using the small angle approximation  $\sin(α) ≈ α$  it follows:
$$x(t) \approx \frac{s_0^2}{4} \cdot ( \phi - \theta) \hspace{0.05cm}.$$
  • The rule signal  $x(t)$  is thus proportional to the phase error  $\phi - θ$,  which is controlled to zero by the Costas rule loop. 
  • Thus,  in the steady state,  the oscillator signal  $z(t)$  immediately follows the received signal  $r(t)$.
  • To achieve the required initial condition  $θ ≈ \phi$,  a training sequence is usually transmitted first and the phase is initialized accordingly.
  • This is also because the phase is only controlled modulo  $π$,  so that,  for example,  $\phi - θ = π$  would incorrectly lead to the rule signal  $x(t) = 0$.