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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.6Z: Two Optimal Systems"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Optimierung der Basisbandübertragungssysteme
+
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Optimization_of_Baseband_Transmission_Systems
 
}}
 
}}
  
  
[[File:P_ID1293__Dig_Z_1_6.png|right|frame|Optimalsysteme im Zeit- und Frequenzbereich]]
+
[[File:P_ID1293__Dig_Z_1_6.png|right|frame|Optimal systems in time and frequency domain]]
Betrachtet werden zwei binäre Übertragungssysteme '''A''' und '''B''', die bei einem AWGN–Kanal mit Rauschleistungsdichte N0 das gleiche Fehlerverhalten aufweisen. In beiden Fällen gilt für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit:
+
Consider two binary transmission systems  $\rm A  and  \rm B$,  which have the same error behavior for an AWGN channel with noise power density  N0.  In both cases,  the bit error probability is:
 
:pB=Q(2EB/N0).
 
:pB=Q(2EB/N0).
*Das System '''A''' verwendet den NRZ–Sendegrundimpuls gs(t) gemäß der oberen Skizze mit der Amplitude s0=1 V und der Dauer $T = 0.5\ \mu s$.  
+
*System  $\rm A$  uses the NRZ basic transmission pulse  gs(t)  according to the upper sketch with amplitude  s0=1 V  and duration  $T = 0.5\ \rm µ s$.  
*Dagegen besitzt das System '''B''', das mit der gleichen Bitrate wie das System A arbeiten soll, ein rechteckförmiges Sendegrundimpulsspektrum:
+
*In contrast,  system  $\rm B$,  which is to operate at the same bit rate as system  $\rm A$,  has a rectangular basic transmission pulse spectrum:
 
:$$G_s(f)  =  \left\{ \begin{array}{c} G_0  \\
 
:$$G_s(f)  =  \left\{ \begin{array}{c} G_0  \\
 
  0 \\  \end{array} \right.\quad
 
  0 \\  \end{array} \right.\quad
\begin{array}{*{1}c} {\rm{f\ddot{u}r}}
+
\begin{array}{*{1}c} {\rm{for}}
\\  {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}
+
\\  {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c}
 
|f| < f_0 \hspace{0.05cm}, \\
 
|f| < f_0 \hspace{0.05cm}, \\
 
  |f| > f_0 \hspace{0.05cm}.\\
 
  |f| > f_0 \hspace{0.05cm}.\\
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''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Digitalsignalübertragung/Optimierung_der_Basisbandübertragungssysteme|Optimierung der Basisbandübertragungssysteme]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
*Beachten Sie bitte, dass hier die Impulsamplitude in „Volt” angegeben ist, so dass die mittlere Energie pro Bit (EB) die Einheit V2/Hz aufweist.
 
  
  
  
===Fragebogen===
+
Notes:
 +
*The exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Digital_Signal_Transmission/Optimization_of_Baseband_Transmission_Systems|"Optimization of Baseband Transmission Systems"]].
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 +
*Here,&nbsp; the pulse amplitude is given in&nbsp; "volts",&nbsp; so that the average energy per bit &nbsp;(EB)&nbsp; has the unit &nbsp;V2/Hz.&nbsp;
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 +
 
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Mit welcher Bitrate arbeiten die beiden Systeme?
+
{At what bit rate do the two systems operate?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
R =  { 2 3% }  Mbit/s
 
R =  { 2 3% }  Mbit/s
  
{Berechnen Sie die Energie pro Bit für das System '''A'''.
+
{Calculate the energy per bit for system &nbsp;$\rm A$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
EB =  { 0.5 3% }  106 V2/Hz
 
EB =  { 0.5 3% }  106 V2/Hz
  
{Welche Aussagen gelten für die Empfangsfilter der Systeme '''A''' und '''B'''?
+
{Which statements are true for the receiver filters of systems &nbsp;$\rm A&nbsp; and &nbsp;\rm B$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+Bei System '''A''' hat HE(f) einen si–förmigen Verlauf.
+
+For system &nbsp;$\rm A$,&nbsp; &nbsp;HE(f)&nbsp; has a sinc-shaped curve.
+Bei System '''B''' ist HE(f) ein idealer, rechteckförmiger Tiefpass.  
+
+For system &nbsp;$\rm B$,&nbsp; &nbsp;HE(f)&nbsp; is an ideal rectangular low-pass filter.
-HE(f) lässt sich bei System '''B''' durch einen Integrator realisieren.
+
-HE(f)&nbsp; can be realized by an integrator in system &nbsp;$\rm B$.&nbsp;
  
{Für welche Grenzfrequenz f0 weist das System '''B''' die Symboldauer T auf?
+
{For which cutoff frequency &nbsp;f0&nbsp; does system &nbsp;$\rm B$&nbsp; have the symbol duration &nbsp;T?&nbsp;
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
f0 = { 1 3% }  MHz
 
f0 = { 1 3% }  MHz
  
{Wie groß ist die konstante Höhe G0 des Spektrums von '''B''' zu wählen, damit sich die gleiche Energie pro Bit ergibt wie bei System '''A'''?
+
{How large should the constant height &nbsp;G0&nbsp; of the spectrum &nbsp;$\rm B&nbsp; be chosen so that the same energy per bit results as for system &nbsp;\rm A$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
G0 =  { 0.5 3% }  106 V/Hz
 
G0 =  { 0.5 3% }  106 V/Hz
  
{Wäre eines der beiden Systeme auch bei Spitzenwertbegrenzung geeignet?
+
{Would one of the two systems be suitable even with peak limitation?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+System '''A''',
+
+System &nbsp;$\rm A$,
- System '''B'''.
+
- System &nbsp;$\rm B$.
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Beide Systeme arbeiten gemäß der Angabe mit gleicher Bitrate. Der NRZ–Sendegrundimpuls von System '''A''' hat die Symboldauer $T = 0.5\ \rm \mu s$. Daraus ergibt sich für die Bitrate R=1/T =2 Mbit/s_.
+
'''(1)'''&nbsp; Both systems operate according to the specification with the same bit rate.  
 +
*The NRZ basic transmission pulse of system&nbsp; $\rm A$&nbsp; has the symbol duration $T = 0.5\ \rm &micro; s$.  
 +
*This results in the bit rate&nbsp; R=1/T =2 Mbit/s_.
  
'''(2)'''&nbsp; Die Energie des NRZ–Sendegrundimpulses von System '''A''' ergibt sich zu
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; The energy of the NRZ basic transmission pulse of system&nbsp; $\rm A$&nbsp; is given by
 
:$$E_{\rm B} =
 
:$$E_{\rm B} =
 
  \int_{-\infty}^{+\infty}g_s^2 (t)\,{\rm d} t  =
 
  \int_{-\infty}^{+\infty}g_s^2 (t)\,{\rm d} t  =
 
  s_0^2 \cdot T =  {1\,{\rm V^2}}\cdot {0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline { = 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  s_0^2 \cdot T =  {1\,{\rm V^2}}\cdot {0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline { = 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(3)'''&nbsp; Die <u>beiden ersten Aussagen treffen zu</u>:  
+
 
*In beiden Fällen muss hE(t) formgleich mit gs(t) und HE(f) formgleich mit Gs(f) sein.  
+
'''(3)'''&nbsp; The&nbsp; <u>first two statements are true</u>:  
*Somit ergibt sich beim System '''A''' eine rechteckförmige Impulsantwort hE(t) und damit ein si–förmiger Frquenzgang HE(f). *Beim System '''B''' ist HE(f) wie Gs(f) rechteckförmig und damit die Impulsantwort hE(t) eine si–Funktion.
+
*In both cases&nbsp; hE(t)&nbsp; must be equal in form to&nbsp; gs(t)&nbsp; and&nbsp; HE(f)&nbsp; must be equal in form to&nbsp; Gs(f).  
*Die letzte Aussage ist falsch: Ein Integrator besitzt eine rechteckförmige Impulsantwort und würde sich für die Realisierung von System '''A''' anbieten, nicht jedoch für System '''B'''.
+
*Thus, for system&nbsp; $\rm A$,&nbsp; the impulse response&nbsp; hE(t)&nbsp; is rectangular and the frequency response&nbsp; HE(f)&nbsp; is sinc-shaped.  
 +
*For system&nbsp; $\rm B$,&nbsp; HE(f)&nbsp; is rectangular like&nbsp; Gs(f)&nbsp; and thus the impulse response&nbsp; hE(t)&nbsp; is an sinc-function.
 +
*Statement 3 is false: &nbsp;  An integrator has a rectangular impulse response and would be suitable for the realization of system&nbsp; $\rm A$,&nbsp; but not for system&nbsp; $\rm B$.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Beim System '''B''' stimmt Gd(f) mit Gs(f) nahezu überein. Lediglich bei der Nyquistfrequenz gibt es einen Unterschied, der sich aber für die hier angestellten Betrachtungen nicht weiter auswirkt: Während Gs(fNyq)=1/2 gilt, ist Gd(fNyq)=1/4.
+
'''(4)'''&nbsp; For system&nbsp; $\rm B$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Gd(f)&nbsp; nearly coincides with&nbsp; Gs(f).  
 +
*There is only a difference in the Nyquist frequency,&nbsp; but this does not affect the considerations here:
 +
*While&nbsp; Gs(fNyq)=1/2,&nbsp; Gd(fNyq)=1/4.
  
Es ergibt sich also ein Nyquistsystem mit Rolloff–Faktor r=0. Daraus folgt für die Nyquistfrequenz aus der Bedingung, dass die Symboldauer ebenfalls $T = 0.5\ \rm \mu s$ sein soll:
+
*This results in a Nyquist system with rolloff factor&nbsp; r=0.  
 +
*From this follows for the Nyquist frequency from the condition that the symbol duration should also be&nbsp; $T = 0.5\ \rm &micro; s$:
 
:f0=fNyq=12T=120.5106s=1MHz_.
 
:f0=fNyq=12T=120.5106s=1MHz_.
 
+
'''(5)'''&nbsp; Für die Energie des Sendegrundimpulses kann auch geschrieben werden:
+
 +
'''(5)'''&nbsp; For the energy of the basic transmission pulse can also be written:
 
:$$E_{\rm B} =
 
:$$E_{\rm B} =
 
  \int_{-\infty}^{+\infty}|G_s(f)|^2 \,{\rm d} f  = G_0^2
 
  \int_{-\infty}^{+\infty}|G_s(f)|^2 \,{\rm d} f  = G_0^2
 
  \cdot 2 f_0\hspace{0.05cm}.$$
 
  \cdot 2 f_0\hspace{0.05cm}.$$
Mit den Ergebnissen aus (2) und (4) folgt daraus:
+
*Using the results from&nbsp; '''(2)'''&nbsp; and&nbsp; '''(4)''',&nbsp; it follows:
 
:$$G_0^2 = \frac{E_{\rm B}}{2 f_0} = \frac{5 \cdot 10^{-7}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 10^{6}\,{\rm
 
:$$G_0^2 = \frac{E_{\rm B}}{2 f_0} = \frac{5 \cdot 10^{-7}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 10^{6}\,{\rm
 
  Hz}}= 2.5 \cdot 10^{-13}\,{\rm V^2/Hz^2}
 
  Hz}}= 2.5 \cdot 10^{-13}\,{\rm V^2/Hz^2}
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'''(6)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1</u>:
+
'''(6)'''&nbsp; <u>Solution 1</u>&nbsp; is correct:
*Das System '''A''' stellt auch bei Spitzenwertbegrenzung das optimale System dar.  
+
*System&nbsp; $\rm A$&nbsp; represents the optimal system even with peak limitation.
*Dagegen wäre das System '''B''' aufgrund des äußerst ungünstigen Crestfaktors hierfür denkbar ungeeignet.  
+
*On the other hand,&nbsp; system&nbsp; $\rm B$&nbsp; would be unsuitable due to the extremely unfavorable crest factor.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^1.4 Optimierung der Basisbandsysteme^]]
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[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.4 Optimization of Baseband Systems^]]

Latest revision as of 11:24, 4 May 2022


Optimal systems in time and frequency domain

Consider two binary transmission systems  A  and  B,  which have the same error behavior for an AWGN channel with noise power density  N0.  In both cases,  the bit error probability is:

pB=Q(2EB/N0).
  • System  A  uses the NRZ basic transmission pulse  gs(t)  according to the upper sketch with amplitude  s0=1 V  and duration  T = 0.5\ \rm µ s.
  • In contrast,  system  \rm B,  which is to operate at the same bit rate as system  \rm A,  has a rectangular basic transmission pulse spectrum:
G_s(f) = \left\{ \begin{array}{c} G_0 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} |f| < f_0 \hspace{0.05cm}, \\ |f| > f_0 \hspace{0.05cm}.\\ \end{array}



Notes:

  • Here,  the pulse amplitude is given in  "volts",  so that the average energy per bit  (E_{\rm B})  has the unit  \rm V^{2}/Hz


Questions

1

At what bit rate do the two systems operate?

R \ = \

\ \rm Mbit/s

2

Calculate the energy per bit for system  \rm A.

E_{\rm B} \ = \

\ \cdot 10^{-6} \ \rm V^{2}/Hz

3

Which statements are true for the receiver filters of systems  \rm A  and  \rm B?

For system  \rm A,   H_{\rm E}(f)  has a sinc-shaped curve.
For system  \rm B,   H_{\rm E}(f)  is an ideal rectangular low-pass filter.
H_{\rm E}(f)  can be realized by an integrator in system  \rm B

4

For which cutoff frequency  f_{0}  does system  \rm B  have the symbol duration  T

f_{0} \ = \

\ \rm MHz

5

How large should the constant height  G_{0}  of the spectrum  \rm B  be chosen so that the same energy per bit results as for system   \rm A?

G_{0} \ = \

\ \cdot 10^{-6} \ \rm V/Hz

6

Would one of the two systems be suitable even with peak limitation?

System  \rm A,
System  \rm B.


Solution

(1)  Both systems operate according to the specification with the same bit rate.

  • The NRZ basic transmission pulse of system  \rm A  has the symbol duration T = 0.5\ \rm µ s.
  • This results in the bit rate  R = 1/T \underline{= 2\ \rm Mbit/s}.


(2)  The energy of the NRZ basic transmission pulse of system  \rm A  is given by

E_{\rm B} = \int_{-\infty}^{+\infty}g_s^2 (t)\,{\rm d} t = s_0^2 \cdot T = {1\,{\rm V^2}}\cdot {0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline { = 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}}\hspace{0.05cm}.


(3)  The  first two statements are true:

  • In both cases  h_{\rm E}(t)  must be equal in form to  g_{s}(t)  and  H_{\rm E}(f)  must be equal in form to  G_{s}(f).
  • Thus, for system  \rm A,  the impulse response  h_{\rm E}(t)  is rectangular and the frequency response  H_{\rm E}(f)  is sinc-shaped.
  • For system  \rm BH_{\rm E}(f)  is rectangular like  G_{s}(f)  and thus the impulse response  h_{\rm E}(t)  is an sinc-function.
  • Statement 3 is false:   An integrator has a rectangular impulse response and would be suitable for the realization of system  \rm A,  but not for system  \rm B.


(4)  For system  \rm B   ⇒   G_{d}(f)  nearly coincides with  G_{s}(f).

  • There is only a difference in the Nyquist frequency,  but this does not affect the considerations here:
  • While  G_{s}(f_{\rm Nyq}) = 1/2G_{d}(f_{\rm Nyq}) = 1/4.
  • This results in a Nyquist system with rolloff factor  r = 0.
  • From this follows for the Nyquist frequency from the condition that the symbol duration should also be  T = 0.5\ \rm µ s:
f_{\rm 0} = f_{\rm Nyq} = \frac{1 } {2 \cdot T} = \frac{1 } {2 \cdot 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline {= 1\,{\rm MHz}}\hspace{0.05cm}.


(5)  For the energy of the basic transmission pulse can also be written:

E_{\rm B} = \int_{-\infty}^{+\infty}|G_s(f)|^2 \,{\rm d} f = G_0^2 \cdot 2 f_0\hspace{0.05cm}.
  • Using the results from  (2)  and  (4),  it follows:
G_0^2 = \frac{E_{\rm B}}{2 f_0} = \frac{5 \cdot 10^{-7}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 10^{6}\,{\rm Hz}}= 2.5 \cdot 10^{-13}\,{\rm V^2/Hz^2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_0 \hspace{0.1cm}\underline {= 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V/Hz}} \hspace{0.05cm}.


(6)  Solution 1  is correct:

  • System  \rm A  represents the optimal system even with peak limitation.
  • On the other hand,  system  \rm B  would be unsuitable due to the extremely unfavorable crest factor.