Difference between revisions of "Digital Signal Transmission/Consideration of Channel Distortion and Equalization"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Impulsinterferenzen und Entzerrungsverfahren
+
|Untermenü=Intersymbol Interfering and Equalization Methods
 
|Vorherige Seite=Fehlerwahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung von Impulsinterferenzen
 
|Vorherige Seite=Fehlerwahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung von Impulsinterferenzen
 
|Nächste Seite=Impulsinterferenzen bei mehrstufiger Übertragung
 
|Nächste Seite=Impulsinterferenzen bei mehrstufiger Übertragung
 
}}
 
}}
  
== Idealer Kanalentzerrer==
+
== Ideal channel equalizer==
 
<br>
 
<br>
Bei einem Übertragungssystem, dessen Kanalfrequenzgang $H_{\rm K}(f)$ starke Verzerrungen hervorruft, gehen wir von folgendem Blockschaltbild (obere Grafik) und äquivalentem Ersatzschaltbild (untere Grafik) aus.<br>
+
For a transmission system whose channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; causes severe distortion,&nbsp; we assume the following block diagram&nbsp; (upper graph)&nbsp; and&nbsp; equivalent circuit&nbsp; (lower graph).&nbsp; To these representations the following is to be noted:
  
[[File:P ID1405 Dig T 3 3 S1 version1.png|center|frame|Block- und Ersatzschaltbild zur Berücksichtigung eines Kanalfrequenzgangs|class=fit]]<br>
+
[[File:EN_Dig_T_3_3_S1_neu.png|right|frame|Block diagram & equivalent circuit diagram for consideration of a channel frequency response|class=fit]]
  
Zu diesen Darstellungen ist Folgendes anzumerken:
+
*The receiver filter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; is &ndash; at least mentally &ndash; composed of an &nbsp;'''ideal equalizer'''&nbsp; $1/H_{\rm K}(f)$&nbsp; and a low-pass filter &nbsp;$H_{\rm G}(f)$.&nbsp; For the latter we use in this chapter exemplarily a&nbsp; '''Gaussian low-pass'''&nbsp; with the cutoff frequency &nbsp;$f_{\rm G}$.<br>
*Das Empfangsfilter $H_{\rm E}(f)$ wird &ndash; zumindest gedanklich &ndash; aus einem '''idealen Kanalentzerrer''' $1/H_{\rm K}(f)$ und einem Tiefpass $H_{\rm G}(f)$ zusammengesetzt. Hierfür verwenden wir in diesem Kapitel beispielhaft einen Gaußtiefpass mit der Grenzfrequenz $f_{\rm G}$.<br>
 
  
*Verschiebt man nun den idealen Entzerrer &ndash; wiederum rein gedanklich &ndash; auf die linke Seite der Rauschadditionsstelle, so ändert sich bezüglich dem S/N&ndash;Verhältnis an der Sinke und bezüglich der Fehlerwahrscheinlichkeit nichts gegenüber dem oben gezeichneten Blockschaltbild.<br>
+
*If we now move the ideal equalizer &ndash; again purely mentally &ndash; to the left side of the noise addition point,&nbsp; nothing changes with respect to the S/N ratio before the decision device and with respect to the error probability compared to the block diagram drawn above.<br>
  
*Aus dem unteren Ersatzschaltbild erkennt man, dass sich durch den Kanalfrequenzgang $H_{\rm K}(f)$ bezüglich des Detektionsnutzsignals $d_{\rm S}(t)$ &ndash; herrührend vom Sendesignal $s(t)$ &ndash; nichts ändert, wenn man diesen mit $1/H_{\rm K}(f)$ vollständig kompensiert. Das Nutzsignal hat somit die genau gleiche Form wie im Kapitel [[Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Berücksichtigung_von_Impulsinterferenzen|Fehlerwahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung von Impulsinterferenzen]] berechnet.<br>
+
*From the equivalent diagram below it can be seen that the channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; does not change anything with respect to the signal component &nbsp;$d_{\rm S}(t)$&nbsp; of the detection signal  if it is fully compensated with &nbsp;$1/H_{\rm K}(f)$.&nbsp;
  
*Die Degradation durch den Kanalfrequenzgang $H_{\rm K}(f)$ zeigt sich vielmehr durch eine signifikante Erhöhung der Detektionsstörleistung, also der Varianz des Signals $d_{\rm N}(t)$ &ndash; herrührend vom Störsignal $n(t)$:
+
*Thus,&nbsp; the signal component &nbsp;$d_{\rm S}(t)$&nbsp; &ndash; originating from the transmitted signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; &ndash; has exactly the same shape as calculated in the chapter &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Berücksichtigung_von_Impulsinterferenzen|"Error Probability with Intersymbol Interference"]].&nbsp; <br>
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 +
*The degradation due to the frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; is rather shown by a significant increase of the detection noise power, i.e. the variance of the noise component &nbsp;$d_{\rm N}(t)$&nbsp; &ndash; originating from the noise signal &nbsp;$n(t)$&nbsp; at the receiver input:
 
:$$\sigma_d^2 = \frac{N_0}{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty}
 
:$$\sigma_d^2 = \frac{N_0}{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty}
 
|H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0}{2} \cdot
 
|H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0}{2} \cdot
Line 25: Line 26:
 
|H_{\rm G}(f)|^2 \,{\rm d} f \hspace{0.05cm}.$$
 
|H_{\rm G}(f)|^2 \,{\rm d} f \hspace{0.05cm}.$$
  
*Voraussetzung für eine endliche Störleistung $\sigma_d^2$ ist, dass der Tiefpass $H_{\rm G}(f)$ das Rauschen $n(t)$ bei (sehr) hohen Frequenzen stärker abschwächt, als es vom idealen Entzerrer $1/H_{\rm K}(f)$ angehoben wird.<br><br>
+
*The prerequisite for a finite noise power &nbsp;$\sigma_d^2$&nbsp; is that the Gaussian low-pass &nbsp;$H_{\rm G}(f)$&nbsp; attenuates the noise &nbsp;$n(t)$&nbsp; at&nbsp; (very)&nbsp; high frequencies more than it is raised by the ideal equalizer &nbsp;$1/H_{\rm K}(f)$.&nbsp; <br><br>
 +
 
 +
<u>Note</u>: &nbsp; The channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; must be equalized for magnitude and phase,&nbsp; but only in a limited frequency range specified by &nbsp;$H_{\rm G}(f)$&nbsp;.&nbsp; However,&nbsp; a complete phase equalization is only possible at the expense of a&nbsp; (frequency-independent)&nbsp; delay time,&nbsp; which will not be considered further in the following.
  
<i>Anmerkung</i>: Der Kanalfrequenzgang $H_{\rm K}(f)$ muss nach Betrag und Phase entzerrt werden, allerdings nur in einem von $H_{\rm G}(f)$ vorgegebenen eingeschränkten Frequenzbereich. Eine vollständige Phasenentzerrung ist aber nur auf Kosten einer (frequenzunabhängigen) Laufzeit möglich, die im Folgenden nicht weiter berücksichtigt wird.<br>
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; We consider again a binary system with NRZ rectangular pulses and a Gaussian receiver filter &nbsp;$H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)$&nbsp; with&nbsp; (normalized)&nbsp; cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G, opt} \cdot T = 0.4$.&nbsp; Due to this unfavorable receiver filter&nbsp; $H_{\rm E}(f)$&nbsp; intersymbol interference&nbsp; $\rm (ISI)$ occurs in all variants presented here.  
  
 +
*The middle graph shows the eye diagram of the signal component &nbsp;$d_{\rm S}(t)$&nbsp;of the detection signal  for this case &ndash; i.e. without taking the noise into account.
  
{{GraueBox|TEXT= 
+
*This is identical with the eye diagram shown in the section &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference#Definition_and_statements_of_the_eye_diagram|"Definition and statements of the eye diagram"]]&nbsp; in&nbsp; $\text{Example 3}$&nbsp; of the last chapter&nbsp; (right diagram).<br>
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Wir betrachten wieder ein Binärsystem mit NRZ&ndash;Rechteckimpulsen und gaußförmigem Empfangsfilter $H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)$ mit der (normierten) Grenzfrequenz $f_\text{G, opt} \cdot T = 0.4$. Die mittlere Grafik zeigt für diesen Fall das Augendiagramm des Detektionsnutzsignals $d_{\rm S}(t)$ &ndash; also ohne Berücksichtigung des Rauschens. Dieses ist identisch mit dem im Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Ber%C3%BCcksichtigung_von_Impulsinterferenzen#Definition_und_Aussagen_des_Augendiagramms| Definition und Aussagen des Augendiagramms]] im Beispiel 3, rechte Grafik dargestellten Augendiagramm.<br>
 
  
Das linke Augendiagramm ergibt sich bei idealem Kanal, also für $H_{\rm K}(f) = 1$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $1/H_{\rm K}(f) = 1$. Es berücksichtigt das AWGN&ndash;Rauschen, das aber hier mit $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 30 \ \rm dB$ als sehr klein angenommen wurde. Für diese Konfiguration wurde per Simulation ermittelt:
+
[[File:EN_Dig_T_3_3_S1b_neu.png|right|frame|Binary eye diagrams&nbsp; (noisy or noiseless)&nbsp; with intersymbol interferences|class=fit]]
 +
<br>
 +
&rArr; &nbsp; The left&nbsp; (noisy)&nbsp; diagram is obtained for the ideal channel, i.e., for&nbsp;
 +
:$$H_{\rm K}(f) = 1 \ \ &rArr; \ \ 1/H_{\rm K}(f) = 1.$$  
 +
It takes into account the AWGN noise,&nbsp; but here it was assumed to be very small, &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 30 \ \rm dB$.&nbsp; For this configuration,&nbsp; the&nbsp; worst-case&nbsp; SNR it was determined by simulation:
 
:$$10 \cdot {\rm
 
:$$10 \cdot {\rm
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx 26.8\,{\rm dB}
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx 26.8\,{\rm dB}
Line 39: Line 47:
 
10^{-40}\hspace{0.05cm}.$$
 
10^{-40}\hspace{0.05cm}.$$
  
Dagegen gilt das rechte Diagramm für ein [[Digitalsignalübertragung/Ursachen_und_Auswirkungen_von_Impulsinterferenzen#Frequenzgang_eines_Koaxialkabels| Koaxialkabel]], wobei die charakteristische Kabeldämpfung $a_\star = 40 \ \rm dB$ beträgt. Hierfür ergeben sich bei gleichem $E_{\rm B}/N_0$ deutlich ungünstigere Systemgrößen:
+
&rArr; &nbsp;  The right&nbsp; (also noisy)&nbsp; diagram applies to a &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Causes_and_Effects_of_Intersymbol_Interference#Frequency_response_of_a_coaxial_cable|coaxial cable]],&nbsp; where the characteristic cable attenuation &nbsp;$a_\star = 40 \ \rm dB$.&nbsp; This results in significantly worse system performance for the same &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$:&nbsp;
 
:$$10 \cdot {\rm
 
:$$10 \cdot {\rm
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx -4.6\,{\rm dB}
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx -4.6\,{\rm dB}
Line 45: Line 53:
 
0.28\hspace{0.05cm}.$$
 
0.28\hspace{0.05cm}.$$
  
[[File:P ID1397 Dig T 3 3 S1b version1.png|center|frame|Binäre  Augendiagramme mit Impulsinterferenzen|class=fit]]
+
This result can be interpreted as follows:
 +
*Assuming an ideal channel equalizer &nbsp;$1/H_{\rm K}(f)$,&nbsp; the same&nbsp; "eye diagram without noise"&nbsp; (left diagram)&nbsp; results for the distorting channel as for the ideal, distortion-free channel &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$&nbsp; (middle graph).<br>
  
Dieses Ergebnis kann wie folgt interpretiert werden:
+
*Channel equalization &nbsp;$1/H_{\rm K}(f)$&nbsp; extremely amplifies the noise component&nbsp; $d_{\rm N}(t)$&nbsp; of the detection signal.&nbsp; In the right-hand example,&nbsp; equally strong equalization is required over a wide frequency range because of the strong distortion.
*Unter der Voraussetzung eines idealen Kanalentzerrers $1/H_{\rm K}(f)$ ergibt sich auch beim verzerrenden Kanal das gleiche  &bdquo;Augendiagramm ohne Rauschen&rdquo; wie beim idealen Kanal $H_{\rm K}(f) = 1$ (siehe mittlere Grafik).<br>
 
  
*Durch die Kanalentzerrung $1/H_{\rm K}(f)$ wird der Rauschanteil extrem verstärkt. Im rechten Beispiel ist wegen der starken Verzerrung eine eine ebenso starke  Entzerrung über einen weiten Frequenzbereich erforderlich.  Die Rauschleistung $\sigma_d^2$ ist um den Faktor $1300$ größer als bei der linken Konstellation (keine Verzerrung &nbsp;&#8658;&nbsp; keine Entzerrung). Damit ergibt sich die Fehlerwahrscheinlichkeit zu $p_{\rm S}\approx p_{\rm U}\approx 50 \%$.<br>
+
*The noise power &nbsp;$\sigma_d^2$&nbsp; here is larger by a factor of &nbsp;$1300$&nbsp; than in the left constellation&nbsp; $($no distortion &nbsp; &#8658; &nbsp; no equalization$)$.&nbsp; Thus,&nbsp; the error probability results in &nbsp;$p_{\rm S}\approx p_{\rm U}\approx 50 \%$.<br>
  
*Eine akzeptable Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich nur bei kleinerer Rauschleistungsdichte $N_0$. Beispielsweise erhält man mit mit $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 50 \ \rm dB$ (statt $30 \ \rm dB$) folgendes Ergebnis:
+
*An acceptable worst-case error probability results only with smaller noise power density &nbsp;$N_0$.&nbsp; For example,&nbsp; with &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 50 \ \rm dB$&nbsp; $($instead of $30 \ \rm dB)$&nbsp; the following result is obtained:
 
:$$10 \cdot {\rm
 
:$$10 \cdot {\rm
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = -4.6 +20 \approx 15.4\,{\rm dB}
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = -4.6 +20 \approx 15.4\,{\rm dB}
Line 58: Line 66:
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm S} \ge p_{\rm U}/4 \approx 0.5 \cdot 10^{-9}\hspace{0.05cm}.$$}}<br>
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm S} \ge p_{\rm U}/4 \approx 0.5 \cdot 10^{-9}\hspace{0.05cm}.$$}}<br>
  
== Erhöhung der Rauschleistung durch lineare Entzerrung (1) ==
+
== Increase of the noise power by linear equalization==
 
<br>
 
<br>
Die Augendiagramme auf der letzten Seite dokumentieren eindrucksvoll die Erhöhung der Rauschleistung <i>&sigma;<sub>d</sub></i><sup>2</sup> bei unveränderter vertikaler Augenöffnung, wenn man den Kanalfrequenzgang <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) empfangsseitig durch dessen Inverse kompensiert. Dieses Ergebnis soll nun anhand der Rauschleistungsdichte <i>&Phi;</i><sub><i>d</i>N</sub>(<i>f</i>) nach dem Empfangsfilter (vor dem Entscheider) interpretiert werden, wobei folgende Einstellungen gelten:
+
The eye diagrams on the last section impressively document the increase of the noise power &nbsp;$\sigma_d^2$&nbsp; with unchanged vertical eye opening,&nbsp; if one compensates the channel frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; on the receiving side by its inverse.&nbsp; This result shall now be interpreted in terms of the noise power density &nbsp;${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f)$&nbsp; after the receiver filter&nbsp; (before the decision),&nbsp; with the following settings:
*Der Kanal sei ein Koaxialkabel mit dem Betragsfrequenzgang
+
*Let the channel be a &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Causes_and_Effects_of_Intersymbol_Interference#Frequency_response_of_a_coaxial_cable|coaxial cable]]&nbsp; with the magnitude frequency response
 
+
:$$|H_{\rm K}(f)| = {\rm exp}\left [- a_{\star}\cdot \sqrt{2  f
::<math>|H_{\rm K}(f)| = {\rm exp}\left [- a_{\star}\cdot \sqrt{2  f
+
  T}\hspace{0.05cm} \right ]\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm} a_{\star}
  T}\hspace{0.05cm} \right ]\hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm} a_{\star}
+
= 1.7\,\,{\rm Np}\hspace{0.2cm} ({\rm corresponding \hspace{0.2cm} to} \hspace{0.2cm}
= 1.7\,\,{\rm Np}\hspace{0.2cm} ({\rm entsprechend} \hspace{0.2cm}
+
15\,\,{\rm dB}) \hspace{0.05cm}.$$
15\,\,{\rm dB}) \hspace{0.05cm}.</math>
+
[[File:P ID1399 Dig T 3 3 S2 version1.png|right|frame|Noise power-spectral density before the decision due to distorting channel.<br>Note that here,&nbsp; for reasons of presentation,&nbsp; the characteristic cable attenuation of &nbsp;$a_\star = 15 \ \rm dB$&nbsp; &nbsp;$($corresponding to &nbsp;$1.7 \ \rm Np)$&nbsp; is chosen to be significantly smaller than in the right eye diagram in &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization#Ideal_channel_equalizer|Example 1]]&nbsp; in the last section &nbsp;$($valid for &nbsp;$a_\star = 40 \ \rm dB)$.|class=fit]]
 
+
*The &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization#Ideal_channel_equalizer|ideal channel equalizer]]&nbsp; $1/H_{\rm K}(f)$&nbsp; compensates the channel frequency response completely.&nbsp; No statement is made here about the realization of the attenuation and phase equalization.<br>
*Der ideale Kanalentzerrer <i>H</i><sub>K</sub><sup>&ndash;1</sup>(<i>f</i>) kompensiert den Kanalfrequenzgang vollständig. Über die Realisierung der Dämpfungs&ndash; und Phasenentzerrung wird hier keine Aussage getroffen.<br>
 
 
 
*Zur Rauschleistungsbegrenzung wird ein Gaußtiefpass eingesetzt:
 
 
 
::<math>|H_{\rm G}(f)| = {\rm exp}\left [- \pi \cdot \left (\frac{f }{2 f_{\rm G}}\right )^2  \right ]\hspace{0.2cm}{\rm
 
mit}\hspace{0.2cm} f_{\rm G} = 0.8/T \hspace{0.2cm} {\rm
 
bzw.} \hspace{0.2cm} f_{\rm G} = 0.4/T \hspace{0.05cm}.</math>
 
 
 
Damit gilt für die Rauschleistungsdichte vor dem Entscheider:
 
  
:<math>{\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = \frac{N_0}{2} \cdot \frac{|H_{\rm G
+
*For noise power limitation a &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Some_Low-Pass_Functions_in_Systems_Theory#Gaussian_low-pass_filter|Gaussian low-pass filter]]&nbsp; is used:
}(f)|^2}{|H_{\rm K}(f)|^2} = \frac{N_0}{2} \cdot {\rm exp}\left [2 \cdot
+
:$$|H_{\rm G}(f)| = {\rm exp}\left [- \pi \cdot \left (\frac{f }{2 f_{\rm G}}\right )^2 \right ] \hspace{0.05cm}.$$
a_{\star}\cdot \sqrt{2  f  T} - {\pi}/{2} \cdot \left ({f }/{f_{\rm G}}\right )^2 \right ] \hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Dieser Verlauf ist nachfolgend für die beiden (normierten) Grenzfrequenzen <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.8 (links) bzw. <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.4 (rechts) dargestellt. Die Interpretation erfolgt auf der nächsten Seite.<br>
+
Thus,&nbsp; the noise power-spectral density before the decision is:
 
+
:$${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = \frac{N_0}{2} \cdot \frac{|H_{\rm G
[[File:P ID1399 Dig T 3 3 S2 version1.png|center|frame|Rauschüberhöhung durch verzerrenden Kanal|class=fit]]<br>
+
}(f)|^2}{|H_{\rm K}(f)|^2} $$
 
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = \frac{N_0}{2} \cdot {\rm exp}\left [2 \cdot
Beachten Sie, dass hier aus Darstellungsgründen die charakteristische Kabeldämpfung mit <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 15 dB (entsprechend 1.7 Np) deutlich kleiner gewählt ist als beim [http://en.lntwww.de/index.php?title=Digitalsignal%C3%BCbertragung/Ber%C3%BCcksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung#Idealer_Kanalentzerrer_.282.29 rechten Augendiagramm] auf der letzten Seite (gültig für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 40 dB).<br>
+
a_{\star}\cdot \sqrt{2  f  T} - {\pi}/{2} \cdot \left ({f }/{f_{\rm G}}\right )^2 \right ] \hspace{0.05cm}.$$
 
 
== Erhöhung der Rauschleistung durch lineare Entzerrung (2) ==
 
<br>
 
Die Grafik zeigt nochmals die Rauschleistungsdichte <i>&Phi;</i><sub><i>d</i>N</sub>(<i>f</i>) für zwei verschiedene Grenzfrequenzen.<br>
 
  
[[File:P ID1399 Dig T 3 3 S2 version1.png|Rauschüberhöhung durch verzerrenden Kanal|class=fit]]<br>
+
This curve is shown for two&nbsp; (normalized)&nbsp; cutoff frequencies
 +
*$f_\text{G} \cdot T = 0.8$&nbsp; (on the left),
 +
*$f_\text{G} \cdot T = 0.4$&nbsp; (on the right).
  
Betrachten wir zunächst die linke Grafik für die (normierte) Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.8, die nach den Berechnungen im [http://en.lntwww.de/Digitalsignal%C3%BCbertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Ber%C3%BCcksichtigung_von_Impulsinterferenzen#Optimierung_der_Grenzfrequenz_.281.29 Kapitel 3.2] für <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) = 1 das Optimum darstellt.
 
*Gelb hinterlegt ist die konstante Rauschleistungsdichte <i>N</i><sub>0</sub>/2 am Empfängereingang. Bei idealem Kanal wird diese durch den Gaußtiefpass begrenzt und ergibt die Detektionsrauschleistung <i>&sigma;<sub>d</sub></i><sup>2</sup> (in der Grafik durch die blaue Fläche gekennzeichnet).<br>
 
  
*Werden &ndash; wie bei leitungsgebundener Übertragung üblich &ndash; höhere Frequenzen stark gedämpft, so steigt |<i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>)|<sup>2</sup> aufgrund des idealen Kanalentzerrers sehr stark an, bevor für <i>f</i> &middot; <i>T</i> &#8805; 0.6 (nur gültig für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 15 dB und <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.8) der dämpfende Einfluss des Gaußfilters wirksam wird.<br>
+
Let us first consider the left graph for the (normalized) cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G} \cdot T = 0.8$,&nbsp; which&nbsp; &ndash; according to the calculations in the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference#Optimization_of_the_cutoff_frequency|last chapter]]&nbsp; &ndash;&nbsp; represents the optimum for the ideal channel &nbsp; &rArr; &nbsp; $H_{\rm K}(f) = 1$.&nbsp;
 +
#The constant noise power density &nbsp;$N_0/2$&nbsp; at the receiver input is highlighted in yellow.&nbsp; With an ideal channel,&nbsp; this is limited by the Gaussian receiver filter &nbsp;$H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)$&nbsp; and results in the detection noise power &nbsp;$\sigma_d^2$&nbsp; (indicated by the blue area in the graph).<br><br>
 +
#If &ndash; as usual for&nbsp; "Wireline Transmission Technology"&nbsp; &ndash; higher frequencies are strongly attenuated,  &nbsp;$|H_{\rm E}(f)| = |H_{\rm G}(f)|/|H_{\rm K}(f)|$&nbsp; increases very strongly due to the ideal channel equalizer before the attenuating influence of the Gaussian filter becomes effective for &nbsp;$f \cdot T \ge 0.6$&nbsp; $($only valid for &nbsp;$a_\star = 15 \ \rm dB$&nbsp; and &nbsp;$f_\text{G} \cdot T = 0.8)$.&nbsp; <br><br>
 +
#The noise power &nbsp;$\sigma_d^2$&nbsp; is now equal to the area under the red curve,&nbsp; which is about a factor of &nbsp;$28$&nbsp; larger than the blue area.&nbsp; The effects of these different noise powers can be seen qualitatively in the left and right eye diagrams on the last section,&nbsp; but for &nbsp;$a_\star = 40 \ \rm dB$.<br><br>
  
*Die Rauschleistung <i>&sigma;<sub>d</sub></i><sup>2</sup> ist nun gleich der Fläche unter der roten Kurve, die etwa um den Faktor 28 größer ist als die blaue Fläche. Die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Rauschleistungen erkennt man auch in den Augendiagrammen auf der letzten Seite, allerdings für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 40 dB.<br><br>
+
The right graph shows the noise power density &nbsp;${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f)$&nbsp; for the normalized cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G} \cdot T = 0.4$. Here the noise power is only increased by a factor of &nbsp;$9$&nbsp; by the ideal channel equalizer&nbsp; (ratio between the area under the red curve and the blue area).<br>
  
Die rechte Grafik zeigt die Rauschleistungsdichte <i>&Phi;</i><sub><i>d</i>N</sub>(<i>f</i>) für die normierte Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.4. Hier wird die Rauschleistung durch den idealen Kanalentzerrer nur noch um den Faktor 9 vergrößert (Verhältnis zwischen der Fläche unter der roten Kurve  und der blauen Fläche).<br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; From the above graph and the previous explanations it is already clear that with distorting channel &nbsp; &#8658; &nbsp; $H_{\rm K}(f) \ne 1$ the cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G} \cdot T = 0.8$&nbsp; of the Gaussian low-pass filter  $H_{\rm G}(f)$ will no longer be optimal after the ideal channel equalizer &nbsp;$1/H_{\rm K}(f)$.&nbsp; }}<br>
  
Aus obiger Grafik und den bisherigen Erläuterungen geht bereits hervor, dass bei verzerrendem Kanal &nbsp;&#8658;&nbsp; <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) &ne; 1 die Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.8 nicht mehr optimal sein wird.<br>
 
  
== Optimierung der Grenzfrequenz (1) ==
+
== Optimization of the cutoff frequency==
 
<br>
 
<br>
Die Grafik zeigt die Störabstände 10 &middot; lg <i>&rho;<sub>d</sub></i> (als Maß für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit <i>p</i><sub>S</sub>) sowie 10 &middot; lg <i>&rho;</i><sub>U</sub> (als Maß für die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit <i>p</i><sub>U</sub>) in Abhängigkeit der Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G</sub> des gaußförmigen Gesamtfrequenzgangs <i>H</i><sub>G</sub>(<i>f</i>) = <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) &middot; <i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>). Dieses Bild gilt für
+
The graph shows the signal-to-noise ratios as a function of the cutoff frequency &nbsp;$f_{\rm G}$&nbsp; of the overall Gaussian frequency response &nbsp;$H_{\rm G}(f) = H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f)$.  
*einen koaxialen Übertragungskanal mit der charakteristischen Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 15 dB,<br>
+
[[File:EN Dig T 3 3 S1b.png|right|frame|Optimal cutoff frequency of the Gaussian low-pass with distorting channel &nbsp;$(a_\star = 15 \ \rm dB).$<br>&rArr; &nbsp; The circles show the dB values for &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_d$ &nbsp; &#8658; &nbsp; "mean detection SNR" &nbsp; &#8658; &nbsp; measure of mean error probability &nbsp;$p_{\rm S}$.<br>&rArr; &nbsp; The squares show the dB values for &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U}$ &nbsp; &#8658; &nbsp; "worst-case SNR" &nbsp; &#8658; &nbsp; measure of worst-case error probability &nbsp;$p_{\rm U}$.|class=fit]]
 
 
*AWGN&ndash;Rauschen mit 10 &middot; lg <i>E</i><sub>B</sub>/<i>N</i><sub>0</sub> = 27 dB, wobei <i>E</i><sub>B</sub> = <i>s</i><sub>0</sub><sup>2</sup> &middot; <i>T</i> zu setzen ist.<br><br>
 
 
 
[[File:P ID1401 Dig T 3 3 S3a version1.png|center|frame|Optimale Grenzfrequenz des GTP bei verzerrendem Kanal|class=fit]]<br>
 
  
Man erkennt aus dieser Darstellung und durch Vergleich mit der entsprechenden Grafik in Kapitel 3.2, die für <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) = 1 und 10 &middot; lg <i>E</i><sub>B</sub>/<i>N</i><sub>0</sub> = 13 dB gegolten hat:
+
This graphic is valid for
*Auch bei stark verzerrendem Kanal ist <i>&rho;</i><sub>U</sub> eine geeignete untere Schranke für <i>&rho;<sub>d</sub></i> (das heißt, es ist stets <i>&rho;<sub>d</sub></i> &#8805; <i>&rho;</i><sub>U</sub>) und dementsprechend <i>p</i><sub>U</sub> eine sinnvolle obere Schranke für <i>p</i><sub>S</sub>  &nbsp;&nbsp;&#8658;&nbsp;&nbsp; <i>p</i><sub>U</sub> &#8805; <i>p</i><sub>S</sub>.
+
*a &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Causes_and_Effects_of_Intersymbol_Interference#Frequency_response_of_a_coaxial_cable|coaxial transmission channel]]&nbsp; with characteristic cable attenuation &nbsp;$a_\star = 15 \ \rm dB$,<br>
  
*Bei der hier betrachteten Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 15 dB ist die Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.55 in etwa optimal und es gilt <i>ö</i>(<i>T</i><sub>D</sub>)/<i>s</i><sub>0</sub> &asymp; 1.327 sowie <i>&sigma;<sub>d</sub></i>/<i>s</i><sub>0</sub> &asymp; 0.106. Daraus ergeben sich der (ungünstigste) Störabstand 10 &middot; lg <i>&rho;</i><sub>U</sub> &asymp; 15.9 dB und die  worst&ndash;case&ndash;Fehlerwahrscheinlichkeit <i>p</i><sub>U</sub> &asymp; 2 &middot; 10<sup>&ndash;9</sup>.<br>
+
*AWGN noise with &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 27 \ \rm dB$,&nbsp; with &nbsp;$E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$ &nbsp; &rArr; &nbsp; NRZ rectangular pulses.<br>
  
*Eine kleinere Grenzfrequenz würde zu einer deutlich kleineren Augenöffnung führen, ohne dass dadurch auch <i>&sigma;<sub>d</sub></i> gleichermaßen verkleinert wird. Beispielsweise gilt mit <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.4:
 
  
::<math>\ddot{o}/s_0 \approx 0.735,\hspace{0.2cm}\sigma_d/s_0 \approx 0.072\hspace{0.3cm}\Rightarrow
+
One can see by comparison with the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference#Optimization_of_the_cutoff_frequency|corresponding plot]]&nbsp; in the last chapter, which was valid for &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$,&nbsp; $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 13 \ \rm dB$:&nbsp;
 +
*Even with a highly distorting channel, &nbsp;$\rho_{\rm U}$&nbsp; is a suitable lower bound for &nbsp;$\rho_d$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $\rho_{d} \ge \rho_{\rm U}$. Correspondingly, &nbsp;$p_{\rm U} \ge p_{\rm S} $&nbsp; is also a reasonable upper bound for &nbsp;$p_{\rm S}$.<br>
 +
*For the considered cable attenuation &nbsp;$a_\star = 15 \ \rm dB$,&nbsp; the cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G} \cdot T \approx 0.55$&nbsp; is optimal and &nbsp;$\ddot{o}/s_0 \approx 1.327$&nbsp; and &nbsp;$\sigma_d/s_0 \approx 0.106$&nbsp; hold.<br>
 +
*This gives the&nbsp;  worst-case SNR  &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U} \approx \ \rm 15.9 \ dB$&nbsp; and the  worst&ndash;case error probability &nbsp;$p_{\rm U} \approx  2 \cdot  10^{-9}.$<br>
 +
*A smaller cutoff frequency would result in a significantly smaller eye opening without equally reducing &nbsp;$\sigma_d$.&nbsp; For &nbsp;$f_\text{G} \cdot T = 0.4$:
 +
:$$\ddot{o}/s_0 \approx 0.735,\hspace{0.2cm}\sigma_d/s_0 \approx 0.072$$
 +
:$$\hspace{0.3cm}\Rightarrow
 
\hspace{0.3cm}  10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx
 
\hspace{0.3cm}  10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx
 
14.1\,{\rm dB}
 
14.1\,{\rm dB}
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow
\hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 1.8 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.</math>
+
\hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 1.8 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.$$
 
+
*If the cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G}$&nbsp; is too large, the noise is limited less effectively. <br>For example,&nbsp; the values for the cutoff frequency are &nbsp;$f_\text{G} \cdot T =0.8$:
*Ist die Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G</sub> zu groß, so wird das Rauschen weniger effektiv begrenzt. Beispielsweise lauten die Werte für die Grenzfrequenz  <i>f</i><sub>G</sub> &middot; <i>T</i> = 0.8:
+
:$$\ddot{o}/s_0 \approx 1.819,\hspace{0.2cm}\sigma_d/s_0 \approx 0.178\hspace{0.3cm}\Rightarrow
 
 
::<math>\ddot{o}/s_0 \approx 1.819,\hspace{0.2cm}\sigma_d/s_0 \approx 0.178\hspace{0.3cm}\Rightarrow
 
 
\hspace{0.3cm}  10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx
 
\hspace{0.3cm}  10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx
 
14.2\,{\rm dB}
 
14.2\,{\rm dB}
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow
\hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 1.7 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.</math>
+
\hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 1.7 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.$$
 +
*The optimal values &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{d} \approx 16.2 \ \rm dB$&nbsp; and &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U} \approx \ \rm 15.9 dB$&nbsp; are much more pronounced than for the ideal channel.
  
*Das Optimum mit 10 &middot; lg <i>&rho;<sub>d</sub></i> &asymp; 16.2 dB und 10 &middot; lg <i>&rho;</i><sub>U</sub> &asymp; 15.9 dB ist deutlich ausgeprägter als bei idealem Kanal. Bei einem Vergleich der Störabstände ist allerdings zu berücksichtigen, dass hier 10 &middot; lg <i>E</i><sub>B</sub>/<i>N</i><sub>0</sub> = 27 dB zugrunde liegt; im Kapitel 3.2 wurde stets von 13 dB ausgegangen.<br>
 
  
== Optimierung der Grenzfrequenz (2) ==
+
When comparing the signal-to-noise ratios,&nbsp; however,&nbsp; it must be taken into account that &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 27 \ \rm dB$&nbsp; is the basis here;&nbsp; in contrast, &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 13 \ \rm dB$&nbsp; was assumed in the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference#Optimization_of_the_cutoff_frequency|"corresponding graph"]]&nbsp; for the ideal channel.<br>
 +
 
 +
== Optimal cutoff frequency as a function of cable attenuation==
 
<br>
 
<br>
Die optimale Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G,&nbsp;opt</sub> hängt signifikant von der Stärke der Verzerrungen des Koaxialkabels ab, wie aus der folgenden Grafik hervorgeht (blaue Kreise mit gelber Füllung, linke Achsenbeschriftung). Genauer gesagt: ausschließlich von der charakteristischen Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> bei der halben Bitrate.<br>
+
We further consider
 
+
*a binary system with NRZ transmission pulses &nbsp; &rArr; &nbsp; $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$,<br>
[[File:P ID1403 Dig T 3 3 S3b version1.png|Optimale GTP-Grenzfrequenz und Systemwirkungsgrad bei verzerrendem Kanal|class=fit|center]]<br>
+
*a coaxial cable $H_{\rm K}(f)$,&nbsp; characteristic attenuation &nbsp;$a_\star$,<br>
 
+
*a Gaussian total frequency response &nbsp;$H_{\rm G}(f) = H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f)$.
Man erkennt aus dieser Darstellung:
 
*Je größer die charakteristische Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> ist und damit auch der Einfluss des Rauschens,  um so niedriger ist die optimale Grenzfrequenz <i>f</i><sub>G,opt</sub>.<br>
 
 
 
*Allerdings ist <i>f</i><sub>G,&nbsp;opt</sub> stets größer als 0.27/<i>T</i>. Andernfalls würde sich ein geschlossenes Auge ergeben, gleichbedeutend mit der  &bdquo;Worst&ndash;case&rdquo;&ndash;Fehlerwahrscheinlichkeit <i>p</i><sub>U</sub> = 0.5.<br><br>
 
 
 
Mit roten Rechtecken ist in der Grafik der Systemwirkungsgrad
 
 
 
:<math>\eta = \frac{\rho_d}{\rho_{d, \hspace{0.05cm}{\rm max \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}
 
A}}}= \frac{\rho_d}{2 \cdot s_0^2 \cdot T /N_0}</math>
 
  
als Funktion der charakteristischen Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> dargestellt. <i>&eta;</i> gibt das Verhältnis des mit der betrachteten Konfiguration erreichbaren SNR <i>&rho;<sub>d</sub></i> zum maximal möglichen S/N-Verhältnis an, wobei als Nebenbedingung der Optimierung von [http://en.lntwww.de/Digitalsignal%C3%BCbertragung/Optimierung_der_Basisband%C3%BCbertragungssysteme#Systemoptimierung_bei_Spitzenwertbegrenzung_.281.29 Spitzenwertbegrenzung] ausgegangen wird (<i>Anmerkung:</i> In Kapitel 1.4 wurde dieser Systemwirkungsgrad mit <i>&eta;</i><sub>A</sub> bezeichnet).<br>
 
  
Wegen der NRZ&ndash;Sendeimpulse gilt <i>E</i><sub>B</sub> = <i>s</i><sub>0</sub><sup>2</sup> &middot; <i>T</i>. Ersetzt man <i>p</i><sub>S</sub> durch <i>p</i><sub>U</sub> und damit <i>&rho;<sub>d</sub></i> durch <i>&rho;</i><sub>U</sub>, so lautet obige Gleichung:
+
The blue circles&nbsp; (left axis labels)&nbsp; mark the optimal cutoff frequencies &nbsp;$f_\text{G, opt}$&nbsp; for the respective cable attenuation &nbsp;$a_\star$.
  
:<math>\eta \approx \frac{\rho_{\rm U}}{2 \cdot E_{\rm B}/N_0}\hspace{0.05cm}.</math>
+
In addition,&nbsp; the graph shows with red squares the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Optimization_of_Baseband_Transmission_Systems#System_optimization_with_peak_limitation|"system efficiency"]]&nbsp; (at peak limitation) &nbsp;  $\eta$,&nbsp; which is the ratio of the SNR &nbsp;$\rho_{d}$&nbsp; achievable with the considered configuration to the maximum possible S/N ratio &nbsp;$\rho_{d, \ {\rm max}}$.&nbsp;
 +
[[File:Dig_T_3_3_S3b_version2.png|right|frame|Optimal cutoff frequency and system efficiency as a function of characteristic cable attenuation. In particular:    <br>&rArr; &nbsp; $10 &middot; \lg \eta\hspace{0.05cm}(a_\star = 0 \ \rm dB) =  -1.4 \ dB$;<br>&rArr; &nbsp; $10 &middot; \lg \eta\hspace{0.05cm}(a_\star = 80 \ \rm dB) =  -78.2 \ dB.$|class=fit|center]]
  
Die Diskussion des Kurvenverlaufs <i>&eta;</i> = <i>&eta;</i>(<i>a</i><sub>&#8727;</sub>) folgt auf der nächsten Seite.<br>
 
  
== Systemvergleich mittels Systemwirkungsgrad ==
 
<br>
 
Die roten Rechtecke geben den Systemwirkungsgrad
 
  
:<math>\eta = \frac{\rho_d}{2 \cdot E_{\rm B}/N_0}\approx \frac{\rho_{\rm U}}{2 \cdot E_{\rm B}/N_0}</math>
+
Replacing &nbsp;$\rho_d$&nbsp; by &nbsp;$\rho_{\rm U}$, i.e., &nbsp;$p_{\rm S}$&nbsp; by &nbsp;$p_{\rm U}$, the system efficiency can be represented as follows:
 +
:$$\eta = \eta_{\rm A}=\frac{\rho_d}{\rho_{d, \hspace{0.05cm}{\rm max \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}
 +
A}}}=  \frac{\rho_d}{2 \cdot E_{\rm B}/N_0}\approx \frac{\rho_{\rm U}}{2 \cdot E_{\rm B}/N_0}.$$
 +
 +
One can see from the arrangement of the blue circles:
 +
*The optimal cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G, opt}$&nbsp; depends significantly on the strength of the coaxial cable distortions,&nbsp; &nbsp; exclusively on the characteristic cable attenuation &nbsp;$a_\star$&nbsp; at half the bit rate.
  
in Abhängigkeit von der charakteristischen Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> an. Diese Darstellung gilt für
+
*The larger the cable attenuation &nbsp;$a_\star$&nbsp; and thus the noise influence,&nbsp; the lower the optimal cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G, opt}$.<br>
*ein Binärsystem mit NRZ&ndash;Sendeimpulsen,<br>
 
  
*einen koaxialen Übertragungskanal mit der charakteristischen Dämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub>,<br>
+
*However,&nbsp; always &nbsp;$f_\text{G, opt} > 0.27/T$.&nbsp; Otherwise,&nbsp; the eye would be closed,&nbsp; equivalent to the&nbsp; "worst&ndash;case error probability" &nbsp;$p_{\rm U} = 0.5$.
  
*einen gaußförmigen Gesamtfrequenzgang mit jeweils optimierter Grenzfrequenz (blaue Kreise).<br><br>
 
  
[[File:P ID1406 Dig T 3 3 S3b version1.png|center|frame|Systemwirkungsgrad in Abhängigkeit der charakteristischen Kabeldämpfung|class=fit|center]]<br>
+
Let us now discuss the dependence of the&nbsp; '''system efficiency''' &nbsp;$\eta$&nbsp; (red squares)&nbsp; on the characteristic cable attenuation &nbsp;$a_\star$.&nbsp; The right ordinate starts at the top at &nbsp;$0 \ \rm dB$&nbsp; and extends downward to &nbsp;$-100 \ \rm dB$.
  
Wie nun an einigen Zahlenbeispielen verdeutlicht werden soll, vermeidet die Darstellung <i>&eta;</i> = <i>&eta;</i> (<i>a</i><sub>&#8727;</sub>) einige Probleme, die sich aus dem großen Wertebereich von S/N&ndash;Verhältnissen ergeben:
+
As will now be illustrated by some numerical examples,&nbsp; the representation &nbsp;$\eta = \eta\hspace{0.05cm}(a_\star)$&nbsp;avoids some problems arising from the wide value range  of S/N ratios:
*10 &middot; lg <i>&eta;</i> (<i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 0 dB) = &ndash;1.4 dB sagt aus, dass der bestmögliche Gaußtiefpass (<i>f</i><sub>G</sub>  &middot; <i>T</i> = 0.8) bei <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) = 1 um 1.4 dB schlechter ist als der optimale (Matched-Filter-) Empfänger.<br>
+
* The ordinate value &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}  \eta\hspace{0.05cm}(a_\star = 0 \ \rm dB) = -1.4 \ \rm dB$&nbsp; states that the best possible Gaussian low-pass with cutoff frequency &nbsp;$f_\text{G} \cdot T = 0.8$&nbsp; at ideal channel is &nbsp;$1.4 \ \rm dB$&nbsp; worse than the optimal&nbsp; (matched filter)&nbsp; receiver.<br>
  
*Gehen wir von <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) = 1 und 10 &middot; lg (<i>E</i><sub>B</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>) = 10 dB aus, so besagt die obige Gleichung auch, dass diese Gaußkonfiguration zu folgender (worst-case) Fehlerwahrscheinlichkeit führen wird:
+
*If we assume an ideal channel &nbsp;$(a_\star = 0 \ \rm dB)$&nbsp; and &nbsp;$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$,&nbsp; the above equation also states that this configuration will lead to the following&nbsp; "worst-case error probability":
 
+
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}  =  10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(2) + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(\eta) \approx   10\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}3\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}1.4\, {\rm dB}= 11.6\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 7 \cdot 10^{-5}\hspace{0.05cm}.$$
::<math>10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}  =  10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(2) + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(\eta) \approx </math>
+
*Accordingly, if this worst-case error probability &nbsp;$p_{\rm U} = 7 \cdot 10^{-5}$  &nbsp; &#8658; &nbsp; $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U} = 11.6 \ \rm dB$&nbsp; is not to be exceeded for the channel with characteristic cable attenuation &nbsp;$a_\star = 80 \ \rm dB$,&nbsp; then the following must apply to the &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$&nbsp; ratio:
:::::<math> \approx  10\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}3\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}1.4\, {\rm dB}= 11.6\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 7 \cdot 10^{-5}\hspace{0.05cm}.</math>
 
 
 
*Soll diese (ungünstigste) Fehlerwahrscheinlichkeit <i>p</i><sub>U</sub> = 7 &middot; 10 <sup>&ndash;5</sup> &nbsp;&#8658;&nbsp; 10 &middot; lg <i>&rho;</i><sub>U</sub> = 11.6 dB bei einem Kanal mit der charakteristischen Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 80 dB nicht überschritten werden, so muss demnach für das Verhältnis <i>E</i><sub>B</sub>/<i>N</i><sub>0</sub> gelten:
 
  
 
::<math>10 \cdot {\rm
 
::<math>10 \cdot {\rm
 
lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} \ge 11.6\,{\rm dB}
 
lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} \ge 11.6\,{\rm dB}
\hspace{0.1cm}-3\hspace{0.1cm}3\,{\rm dB}
+
\hspace{0.1cm}-3\,{\rm dB}
 
\hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}(-78.2)\,{\rm dB}= 86.8\,{\rm dB}
 
\hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}(-78.2)\,{\rm dB}= 86.8\,{\rm dB}
 
\hspace{0.2cm} \Rightarrow
 
\hspace{0.2cm} \Rightarrow
Line 194: Line 179:
 
10^{8}\hspace{0.05cm}.</math>
 
10^{8}\hspace{0.05cm}.</math>
  
*Um dies zu erreichen, muss allerdings die Grenzfrequenz des Gaußtiefpasses entsprechend den blauen Kreisen in obiger Gleichung auf  <i>f</i><sub>G</sub> = 0.33/<i>T</i>  herabgesetzt werden.<br>
+
*To achieve this,&nbsp; however,&nbsp; the cutoff frequency of the Gaussian low-pass filter must be lowered to &nbsp;$f_{\rm G}= 0.33/T$&nbsp; according to the blue circles in the graph.<br>
  
== Aufgaben zum Kapitel==
+
== Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:3.3 Rauschen bei Kanalentzerrung|A3.3 Rauschen bei Kanalentzerrung]]
 
  
[[Zusatzaufgaben:3.3 Koaxialkabelsystem - Optimierung]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.3:_Noise_at_Channel_Equalization|Exercise 3.3: Noise at Channel Equalization]]
 +
 
 +
[[Aufgaben:Exercise_3.3Z:_Optimization_of_a_Coaxial_Cable_System|Exercise 3.3Z: Optimization of a Coaxial Cable System]]
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 15:40, 28 June 2022

Ideal channel equalizer


For a transmission system whose channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  causes severe distortion,  we assume the following block diagram  (upper graph)  and  equivalent circuit  (lower graph).  To these representations the following is to be noted:

Block diagram & equivalent circuit diagram for consideration of a channel frequency response
  • The receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  is – at least mentally – composed of an  ideal equalizer  $1/H_{\rm K}(f)$  and a low-pass filter  $H_{\rm G}(f)$.  For the latter we use in this chapter exemplarily a  Gaussian low-pass  with the cutoff frequency  $f_{\rm G}$.
  • If we now move the ideal equalizer – again purely mentally – to the left side of the noise addition point,  nothing changes with respect to the S/N ratio before the decision device and with respect to the error probability compared to the block diagram drawn above.
  • From the equivalent diagram below it can be seen that the channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  does not change anything with respect to the signal component  $d_{\rm S}(t)$  of the detection signal if it is fully compensated with  $1/H_{\rm K}(f)$. 
  • The degradation due to the frequency response  $H_{\rm K}(f)$  is rather shown by a significant increase of the detection noise power, i.e. the variance of the noise component  $d_{\rm N}(t)$  – originating from the noise signal  $n(t)$  at the receiver input:
$$\sigma_d^2 = \frac{N_0}{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} |H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0}{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{1}{|H_{\rm K}(f)|^2}\cdot |H_{\rm G}(f)|^2 \,{\rm d} f \hspace{0.05cm}.$$
  • The prerequisite for a finite noise power  $\sigma_d^2$  is that the Gaussian low-pass  $H_{\rm G}(f)$  attenuates the noise  $n(t)$  at  (very)  high frequencies more than it is raised by the ideal equalizer  $1/H_{\rm K}(f)$. 

Note:   The channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  must be equalized for magnitude and phase,  but only in a limited frequency range specified by  $H_{\rm G}(f)$ .  However,  a complete phase equalization is only possible at the expense of a  (frequency-independent)  delay time,  which will not be considered further in the following.

$\text{Example 1:}$  We consider again a binary system with NRZ rectangular pulses and a Gaussian receiver filter  $H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)$  with  (normalized)  cutoff frequency  $f_\text{G, opt} \cdot T = 0.4$.  Due to this unfavorable receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  intersymbol interference  $\rm (ISI)$ occurs in all variants presented here.

  • The middle graph shows the eye diagram of the signal component  $d_{\rm S}(t)$ of the detection signal for this case – i.e. without taking the noise into account.
Binary eye diagrams  (noisy or noiseless)  with intersymbol interferences


⇒   The left  (noisy)  diagram is obtained for the ideal channel, i.e., for 

$$H_{\rm K}(f) = 1 \ \ ⇒ \ \ 1/H_{\rm K}(f) = 1.$$

It takes into account the AWGN noise,  but here it was assumed to be very small,  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 30 \ \rm dB$.  For this configuration,  the  worst-case  SNR it was determined by simulation:

$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx 26.8\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}< 10^{-40}\hspace{0.05cm}.$$

⇒   The right  (also noisy)  diagram applies to a  coaxial cable,  where the characteristic cable attenuation  $a_\star = 40 \ \rm dB$.  This results in significantly worse system performance for the same  $E_{\rm B}/N_0$: 

$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx -4.6\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 0.28\hspace{0.05cm}.$$

This result can be interpreted as follows:

  • Assuming an ideal channel equalizer  $1/H_{\rm K}(f)$,  the same  "eye diagram without noise"  (left diagram)  results for the distorting channel as for the ideal, distortion-free channel  $H_{\rm K}(f) = 1$  (middle graph).
  • Channel equalization  $1/H_{\rm K}(f)$  extremely amplifies the noise component  $d_{\rm N}(t)$  of the detection signal.  In the right-hand example,  equally strong equalization is required over a wide frequency range because of the strong distortion.
  • The noise power  $\sigma_d^2$  here is larger by a factor of  $1300$  than in the left constellation  $($no distortion   ⇒   no equalization$)$.  Thus,  the error probability results in  $p_{\rm S}\approx p_{\rm U}\approx 50 \%$.
  • An acceptable worst-case error probability results only with smaller noise power density  $N_0$.  For example,  with  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 50 \ \rm dB$  $($instead of $30 \ \rm dB)$  the following result is obtained:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = -4.6 +20 \approx 15.4\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 2 \cdot 10^{-9} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm S} \ge p_{\rm U}/4 \approx 0.5 \cdot 10^{-9}\hspace{0.05cm}.$$


Increase of the noise power by linear equalization


The eye diagrams on the last section impressively document the increase of the noise power  $\sigma_d^2$  with unchanged vertical eye opening,  if one compensates the channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  on the receiving side by its inverse.  This result shall now be interpreted in terms of the noise power density  ${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f)$  after the receiver filter  (before the decision),  with the following settings:

  • Let the channel be a  coaxial cable  with the magnitude frequency response
$$|H_{\rm K}(f)| = {\rm exp}\left [- a_{\star}\cdot \sqrt{2 f T}\hspace{0.05cm} \right ]\hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm} a_{\star} = 1.7\,\,{\rm Np}\hspace{0.2cm} ({\rm corresponding \hspace{0.2cm} to} \hspace{0.2cm} 15\,\,{\rm dB}) \hspace{0.05cm}.$$
Noise power-spectral density before the decision due to distorting channel.
Note that here,  for reasons of presentation,  the characteristic cable attenuation of  $a_\star = 15 \ \rm dB$   $($corresponding to  $1.7 \ \rm Np)$  is chosen to be significantly smaller than in the right eye diagram in  Example 1  in the last section  $($valid for  $a_\star = 40 \ \rm dB)$.
  • The  ideal channel equalizer  $1/H_{\rm K}(f)$  compensates the channel frequency response completely.  No statement is made here about the realization of the attenuation and phase equalization.
$$|H_{\rm G}(f)| = {\rm exp}\left [- \pi \cdot \left (\frac{f }{2 f_{\rm G}}\right )^2 \right ] \hspace{0.05cm}.$$

Thus,  the noise power-spectral density before the decision is:

$${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = \frac{N_0}{2} \cdot \frac{|H_{\rm G }(f)|^2}{|H_{\rm K}(f)|^2} $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\it \Phi}_{d{\rm N}}(f) = \frac{N_0}{2} \cdot {\rm exp}\left [2 \cdot a_{\star}\cdot \sqrt{2 f T} - {\pi}/{2} \cdot \left ({f }/{f_{\rm G}}\right )^2 \right ] \hspace{0.05cm}.$$

This curve is shown for two  (normalized)  cutoff frequencies

  • $f_\text{G} \cdot T = 0.8$  (on the left),
  • $f_\text{G} \cdot T = 0.4$  (on the right).


Let us first consider the left graph for the (normalized) cutoff frequency  $f_\text{G} \cdot T = 0.8$,  which  – according to the calculations in the  last chapter  –  represents the optimum for the ideal channel   ⇒   $H_{\rm K}(f) = 1$. 

  1. The constant noise power density  $N_0/2$  at the receiver input is highlighted in yellow.  With an ideal channel,  this is limited by the Gaussian receiver filter  $H_{\rm E}(f) = H_{\rm G}(f)$  and results in the detection noise power  $\sigma_d^2$  (indicated by the blue area in the graph).

  2. If – as usual for  "Wireline Transmission Technology"  – higher frequencies are strongly attenuated,  $|H_{\rm E}(f)| = |H_{\rm G}(f)|/|H_{\rm K}(f)|$  increases very strongly due to the ideal channel equalizer before the attenuating influence of the Gaussian filter becomes effective for  $f \cdot T \ge 0.6$  $($only valid for  $a_\star = 15 \ \rm dB$  and  $f_\text{G} \cdot T = 0.8)$. 

  3. The noise power  $\sigma_d^2$  is now equal to the area under the red curve,  which is about a factor of  $28$  larger than the blue area.  The effects of these different noise powers can be seen qualitatively in the left and right eye diagrams on the last section,  but for  $a_\star = 40 \ \rm dB$.

The right graph shows the noise power density  ${\it \Phi}_{d{\rm N}}(f)$  for the normalized cutoff frequency  $f_\text{G} \cdot T = 0.4$. Here the noise power is only increased by a factor of  $9$  by the ideal channel equalizer  (ratio between the area under the red curve and the blue area).

$\text{Conclusion:}$  From the above graph and the previous explanations it is already clear that with distorting channel   ⇒   $H_{\rm K}(f) \ne 1$ the cutoff frequency  $f_\text{G} \cdot T = 0.8$  of the Gaussian low-pass filter $H_{\rm G}(f)$ will no longer be optimal after the ideal channel equalizer  $1/H_{\rm K}(f)$. 



Optimization of the cutoff frequency


The graph shows the signal-to-noise ratios as a function of the cutoff frequency  $f_{\rm G}$  of the overall Gaussian frequency response  $H_{\rm G}(f) = H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f)$.

Optimal cutoff frequency of the Gaussian low-pass with distorting channel  $(a_\star = 15 \ \rm dB).$
⇒   The circles show the dB values for  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_d$   ⇒   "mean detection SNR"   ⇒   measure of mean error probability  $p_{\rm S}$.
⇒   The squares show the dB values for  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U}$   ⇒   "worst-case SNR"   ⇒   measure of worst-case error probability  $p_{\rm U}$.

This graphic is valid for

  • AWGN noise with  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 27 \ \rm dB$,  with  $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$   ⇒   NRZ rectangular pulses.


One can see by comparison with the  corresponding plot  in the last chapter, which was valid for  $H_{\rm K}(f) = 1$,  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 13 \ \rm dB$: 

  • Even with a highly distorting channel,  $\rho_{\rm U}$  is a suitable lower bound for  $\rho_d$   ⇒   $\rho_{d} \ge \rho_{\rm U}$. Correspondingly,  $p_{\rm U} \ge p_{\rm S} $  is also a reasonable upper bound for  $p_{\rm S}$.
  • For the considered cable attenuation  $a_\star = 15 \ \rm dB$,  the cutoff frequency  $f_\text{G} \cdot T \approx 0.55$  is optimal and  $\ddot{o}/s_0 \approx 1.327$  and  $\sigma_d/s_0 \approx 0.106$  hold.
  • This gives the  worst-case SNR  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U} \approx \ \rm 15.9 \ dB$  and the worst–case error probability  $p_{\rm U} \approx 2 \cdot 10^{-9}.$
  • A smaller cutoff frequency would result in a significantly smaller eye opening without equally reducing  $\sigma_d$.  For  $f_\text{G} \cdot T = 0.4$:
$$\ddot{o}/s_0 \approx 0.735,\hspace{0.2cm}\sigma_d/s_0 \approx 0.072$$
$$\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx 14.1\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 1.8 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.$$
  • If the cutoff frequency  $f_\text{G}$  is too large, the noise is limited less effectively.
    For example,  the values for the cutoff frequency are  $f_\text{G} \cdot T =0.8$:
$$\ddot{o}/s_0 \approx 1.819,\hspace{0.2cm}\sigma_d/s_0 \approx 0.178\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U}\approx 14.2\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 1.7 \cdot 10^{-7}\hspace{0.05cm}.$$
  • The optimal values  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{d} \approx 16.2 \ \rm dB$  and  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U} \approx \ \rm 15.9 dB$  are much more pronounced than for the ideal channel.


When comparing the signal-to-noise ratios,  however,  it must be taken into account that  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 27 \ \rm dB$  is the basis here;  in contrast,  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 13 \ \rm dB$  was assumed in the  "corresponding graph"  for the ideal channel.

Optimal cutoff frequency as a function of cable attenuation


We further consider

  • a binary system with NRZ transmission pulses   ⇒   $E_{\rm B} = s_0^2 \cdot T$,
  • a coaxial cable $H_{\rm K}(f)$,  characteristic attenuation  $a_\star$,
  • a Gaussian total frequency response  $H_{\rm G}(f) = H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f)$.


The blue circles  (left axis labels)  mark the optimal cutoff frequencies  $f_\text{G, opt}$  for the respective cable attenuation  $a_\star$.

In addition,  the graph shows with red squares the  "system efficiency"  (at peak limitation)   $\eta$,  which is the ratio of the SNR  $\rho_{d}$  achievable with the considered configuration to the maximum possible S/N ratio  $\rho_{d, \ {\rm max}}$. 

Optimal cutoff frequency and system efficiency as a function of characteristic cable attenuation. In particular:
⇒   $10 · \lg \eta\hspace{0.05cm}(a_\star = 0 \ \rm dB) = -1.4 \ dB$;
⇒   $10 · \lg \eta\hspace{0.05cm}(a_\star = 80 \ \rm dB) = -78.2 \ dB.$


Replacing  $\rho_d$  by  $\rho_{\rm U}$, i.e.,  $p_{\rm S}$  by  $p_{\rm U}$, the system efficiency can be represented as follows:

$$\eta = \eta_{\rm A}=\frac{\rho_d}{\rho_{d, \hspace{0.05cm}{\rm max \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} A}}}= \frac{\rho_d}{2 \cdot E_{\rm B}/N_0}\approx \frac{\rho_{\rm U}}{2 \cdot E_{\rm B}/N_0}.$$

One can see from the arrangement of the blue circles:

  • The optimal cutoff frequency  $f_\text{G, opt}$  depends significantly on the strength of the coaxial cable distortions,    exclusively on the characteristic cable attenuation  $a_\star$  at half the bit rate.
  • The larger the cable attenuation  $a_\star$  and thus the noise influence,  the lower the optimal cutoff frequency  $f_\text{G, opt}$.
  • However,  always  $f_\text{G, opt} > 0.27/T$.  Otherwise,  the eye would be closed,  equivalent to the  "worst–case error probability"  $p_{\rm U} = 0.5$.


Let us now discuss the dependence of the  system efficiency  $\eta$  (red squares)  on the characteristic cable attenuation  $a_\star$.  The right ordinate starts at the top at  $0 \ \rm dB$  and extends downward to  $-100 \ \rm dB$.

As will now be illustrated by some numerical examples,  the representation  $\eta = \eta\hspace{0.05cm}(a_\star)$ avoids some problems arising from the wide value range of S/N ratios:

  • The ordinate value  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \eta\hspace{0.05cm}(a_\star = 0 \ \rm dB) = -1.4 \ \rm dB$  states that the best possible Gaussian low-pass with cutoff frequency  $f_\text{G} \cdot T = 0.8$  at ideal channel is  $1.4 \ \rm dB$  worse than the optimal  (matched filter)  receiver.
  • If we assume an ideal channel  $(a_\star = 0 \ \rm dB)$  and  $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$,  the above equation also states that this configuration will lead to the following  "worst-case error probability":
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(2) + 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}(\eta) \approx 10\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}+\hspace{0.1cm}3\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}1.4\, {\rm dB}= 11.6\,{\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U}\approx 7 \cdot 10^{-5}\hspace{0.05cm}.$$
  • Accordingly, if this worst-case error probability  $p_{\rm U} = 7 \cdot 10^{-5}$   ⇒   $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U} = 11.6 \ \rm dB$  is not to be exceeded for the channel with characteristic cable attenuation  $a_\star = 80 \ \rm dB$,  then the following must apply to the  $E_{\rm B}/N_0$  ratio:
\[10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} \ge 11.6\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}-3\,{\rm dB} \hspace{0.1cm}-\hspace{0.1cm}(-78.2)\,{\rm dB}= 86.8\,{\rm dB} \hspace{0.2cm} \Rightarrow \hspace{0.2cm}{E_{\rm B}}/{N_0}\approx 5 \cdot 10^{8}\hspace{0.05cm}.\]
  • To achieve this,  however,  the cutoff frequency of the Gaussian low-pass filter must be lowered to  $f_{\rm G}= 0.33/T$  according to the blue circles in the graph.

Exercises for the chapter


Exercise 3.3: Noise at Channel Equalization

Exercise 3.3Z: Optimization of a Coaxial Cable System