Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2: ISDN and PCM"

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{{quiz-Header|Buchseite=Beispiele von Nachrichtensystemen/Allgemeine Beschreibung von ISDN
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{{quiz-Header|Buchseite=Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN
 
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[[File:P_ID1578__Bei_A_1_2.png|right|frame|Komponenten eines PCM-Senders]]
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[[File:EN_Bei_A_1_2.png|right|frame|Components of PCM transmitter]]
Die Umwandlung des analogen Sprachsignals $q(t)$ in das Binärsignal $q_{\rm C}(t)$ geschieht bei ISDN (''Integrated Services Digital Network'') entsprechend den Richtlinien der Pulscodemodulation (PCM) durch
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The conversion of the analog speech signal  $q(t)$  into the binary signal  $q_{\rm C}(t)$  is done at   $\rm ISDN$  ("Integrated Services Digital Network")  according to the guidelines of  "pulse code modulation"  $\rm (PCM)$  by
*Abtastung im Abstand $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
+
*sampling in the interval  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
*Quantisierung auf $M = 256$ diskrete Werte,
 
*binäre PCM–Codierung mit $N \ \rm Bit$ pro Quantisierungswert.
 
  
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*quantization to  $M = 256$  discrete values,
  
Die Netto–Datenrate eines so genannten B–Kanals (''Bearer Channel'') ist $64 \ \rm kbit/s$ und entspricht der Bitrate des redundanzfreien Binärsignals $q_{\rm C}(t)$. Wegen der anschließenden redundanten Kanalcodierung und der eingefügten Signalisierungsbits ist allerdings die Brutto–Datenrate – also die Übertragungsrate des Sendesignals $s(t)$ – größer.
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*binary PCM encoding with  $N$  bits per quantization value.
  
  
Ein Maß für die Qualität des gesamten (ISDN–)Übertragungssystems ist das Sinken–SNR
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The net data rate of a  $\rm B$ channel  ("Bearer Channel") is  $64 \ \rm kbit/s$  and corresponds to the bit rate of the redundancy-free binary signal  $q_{\rm C}(t)$. 
:$$\rho_{\upsilon} = \frac{P_q}{P_{\epsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) -q(t)]^2}}$$
 
  
als das Verhältnis der Leistungen des auf den Bereich $300 \ {\rm Hz} ... 3400 \ {\rm Hz}$ bandbegrenzten Analogsignals $q(t)$ und des Fehlersignals $\varepsilon (t) = \upsilon (t) q(t)$. Für das Sinkensignal $\upsilon (t)$ wird hierbei eine ideale Signalrekonstruktion mit einem idealen rechteckförmigen Tiefpass vorausgesetzt.
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However,  because of the subsequent redundant channel coding and the inserted signaling bits,  the gross data rate – i.e.,  the transmission rate of the transmitted signal  $s(t)$  is greater.
  
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A measure for the quality of the entire ISDN transmission system is the sink SNR
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:$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$
  
''Hinweis:''
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as the ratio of the powers
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*of the analog signal  $q(t)$  bandlimited to the range  $300 \ {\rm Hz}\  \text{...}\  3400 \ {\rm Hz}$ 
  
Die Aufgabe bezieht sich auf [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS|Allgemeine Beschreibung von ISDN]] dieses Buches sowie auf [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]] des Buches „Modulationsverfahren”.
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*and the error signal  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.
===Fragebogen===
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An ideal signal reconstruction with an ideal rectangular low-pass filter is assumed here for the sink signal  $v (t)$. 
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<u>Notes:</u>
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*The exercise refers to the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN|"General Description of ISDN"]] of this book.
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*Reference is also made to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]]&nbsp; of the book&nbsp; "Modulation Methods".
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Mit wievielen Bit wird jeder (quantisierte) Abtastwert repräsentiert?
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{With how many bits&nbsp; $(N)$&nbsp; is each quantized sample represented?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N \ = \ $ { 8 3% }  
 
$N \ = \ $ { 8 3% }  
  
{Wie groß ist die Abtastrate?
+
{What is the sampling rate&nbsp; $f_{\rm A} $?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $ \ \rm kHz $
 
$f_{\rm A} \ = \ $ { 8 3% } $ \ \rm kHz $
  
{Ist damit das Abtasttheorem erfüllt?
+
{Does this satisfy the sampling theorem?
|type="[]"}
+
|type="()"}
+ ja,
+
+ Yes,
- nein.
+
- no.
  
{Ist das Sinken–SNR ρυ bei ISDN durch folgende Effekte begrenzt?
+
{Is the sink SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; at ISDN limited by the following effects?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Abtastung (falls Abtasttheorem erfüllt),
+
- Sampling&nbsp; (if sampling theorem is satisfied),
+ AWGN–Rauschen (Übertragungsfehler).
+
+ AWGN noise&nbsp; (transmission error).
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Die Quantisierungsstufenzahl $M$ wird meist als Zweierpotenz gewählt und für die Bitanzahl $N = {\rm ld}(M)$. Aus $M = 2^{8} = 256$ folgt $\underline{N = 8}$.
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'''(1)'''&nbsp; The quantization level number&nbsp; $M$&nbsp; is usually chosen as a power of two and for the number of bits&nbsp; $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.  
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*From&nbsp; $M = 2^{8} = 256$&nbsp; follows&nbsp; $\underline{N = 8}$.
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'''(2)'''&nbsp;  For the bit rate,&nbsp; $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.
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*Thus,&nbsp; from&nbsp; $R_{\rm B} = 64 \ \rm  kbit/s$&nbsp; and&nbsp; $N = 8$,&nbsp; we get&nbsp; $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.
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'''(3)'''&nbsp;  Due to the bandwidth limitation,&nbsp; the highest frequency contained in the signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is equal to&nbsp; $3.4 \ \rm kHz$.
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*Therefore,&nbsp; according to the sampling theorem,&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$&nbsp; should hold.
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*With&nbsp;  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$&nbsp; the condition is fulfilled &nbsp; &rArr; &nbsp; $\underline {\rm YES}$.
  
'''(2)'''&nbsp;  Für die Bitrate gilt $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$. Aus $R_{\rm B} = 64 \ \rm  kbit/s$ und $N = 8$ erhält man somit $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$.
 
  
'''(3)'''&nbsp;  Durch die Bandbegrenzung ist die höchste im Signal $q(t)$ enthaltene Frequenz gleich $3.4 \ \rm kHz$. Nach dem Abtasttheorem müsste deshalb $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$ gelten. Mit  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$ ist die Bedingung erfüllt $\Rightarrow \underline {\rm JA}$.
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'''(4)'''&nbsp;  The&nbsp; <u>last statement</u>&nbsp; is correct:
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*Even if the influence of the AWGN noise is small&nbsp; $($small noise power density&nbsp; $N_{0})$,&nbsp; the sink SNR&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; cannot fall below a limit given by the quantization noise:
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:$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(4)'''&nbsp; Auch wenn der Einfluss des AWGN–Rauschens gering ist (kleine Rauschleistungsdichte $N_{0}$), kann das Sinken–SNR $\rho_{\upsilon}$ einen durch das Quantisierungsrauschen gegebenen Grenzwert nicht unterschreiten:
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*With larger noise interference,&nbsp; $\rho_{v}$&nbsp; can further&nbsp; (significantly)&nbsp; be reduced by the transmission errors.
:$$\rho_{\upsilon} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{\upsilon} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
Bei größerer Rauschstörung wird $\rho_{\upsilon}$ durch die dann vorhandenen Übertragungsfehler weiter (signifikant) verringert. Dagegen führt die Abtastung zu keinem Qualitätsverlust, wenn das Abtasttheorem eingehalten wird. Die Abtastung kann dann vollständig rückgängig gemacht werden, wenn das Quellensignal $q(t)$ bandbegrenzt ist und die Signalrekonstruktion (ein idealer Tiefpass) richtig dimensioniert ist. Richtig sind somit <u>die beiden letzten Aussagen</u>.
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*In contrast,&nbsp; sampling results in no loss of quality if the sampling theorem is obeyed.
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*Sampling can then be completely undone if the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is bandlimited and the signal reconstruction is correctly dimensioned &nbsp;  &rArr;  &nbsp; ideal low-pass.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^1.1 Allgemeine Beschreibung von ISDN^]]
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[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^1.1 General Description of ISDN^]]

Latest revision as of 16:36, 23 January 2023

Components of PCM transmitter

The conversion of the analog speech signal  $q(t)$  into the binary signal  $q_{\rm C}(t)$  is done at  $\rm ISDN$  ("Integrated Services Digital Network")  according to the guidelines of  "pulse code modulation"  $\rm (PCM)$  by

  • sampling in the interval  $T_{\rm A} = 1/f_{\rm A}$,
  • quantization to  $M = 256$  discrete values,
  • binary PCM encoding with  $N$  bits per quantization value.


The net data rate of a  $\rm B$ channel  ("Bearer Channel") is  $64 \ \rm kbit/s$  and corresponds to the bit rate of the redundancy-free binary signal  $q_{\rm C}(t)$. 

However,  because of the subsequent redundant channel coding and the inserted signaling bits,  the gross data rate – i.e.,  the transmission rate of the transmitted signal  $s(t)$  – is greater.

A measure for the quality of the entire ISDN transmission system is the sink SNR

$$\rho_{v} = \frac{P_q}{P_{\varepsilon}} = \frac{\overline{q(t)^2}}{\overline{[\upsilon(t) - q(t)]^2}}$$

as the ratio of the powers

  • of the analog signal  $q(t)$  bandlimited to the range  $300 \ {\rm Hz}\ \text{...}\ 3400 \ {\rm Hz}$ 
  • and the error signal  $\varepsilon (t) = v (t) - q(t)$.


An ideal signal reconstruction with an ideal rectangular low-pass filter is assumed here for the sink signal  $v (t)$. 



Notes:


Questions

1

With how many bits  $(N)$  is each quantized sample represented?

$N \ = \ $

2

What is the sampling rate  $f_{\rm A} $?

$f_{\rm A} \ = \ $

$ \ \rm kHz $

3

Does this satisfy the sampling theorem?

Yes,
no.

4

Is the sink SNR  $\rho_{v}$  at ISDN limited by the following effects?

Sampling  (if sampling theorem is satisfied),
AWGN noise  (transmission error).


Solution

(1)  The quantization level number  $M$  is usually chosen as a power of two and for the number of bits  $N = {\log_2}\hspace{0.05cm}(M)$.

  • From  $M = 2^{8} = 256$  follows  $\underline{N = 8}$.


(2)  For the bit rate,  $R_{\rm B} = N \cdot f_{\rm A}$.

  • Thus,  from  $R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s$  and  $N = 8$,  we get  $f_{\rm A} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm kHz}$.


(3)  Due to the bandwidth limitation,  the highest frequency contained in the signal  $q(t)$  is equal to  $3.4 \ \rm kHz$.

  • Therefore,  according to the sampling theorem,  $f_{\rm A} ≥ 6.8 \ \rm kHz$  should hold.
  • With  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$  the condition is fulfilled   ⇒   $\underline {\rm YES}$.


(4)  The  last statement  is correct:

  • Even if the influence of the AWGN noise is small  $($small noise power density  $N_{0})$,  the sink SNR  $\rho_{v}$  cannot fall below a limit given by the quantization noise:
$$\rho_{v} \approx \rho_{\rm Q} = 2^{2M} = 2^{16} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{v} \approx 48\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • With larger noise interference,  $\rho_{v}$  can further  (significantly)  be reduced by the transmission errors.
  • In contrast,  sampling results in no loss of quality if the sampling theorem is obeyed.
  • Sampling can then be completely undone if the source signal  $q(t)$  is bandlimited and the signal reconstruction is correctly dimensioned   ⇒   ideal low-pass.