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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.10Z: Gaussian Band-Pass"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1697__Dig_Z_4_3.png|right|frame|Gaußförmiger Bandpasskanal]]
+
[[File:P_ID1697__Dig_Z_4_3.png|right|frame|Gaussian band-pass channel]]
Für diese Aufgabe setzen wir voraus:
+
For this exercise we assume:
*Zur Modulation wird binäre Phasenmodulation (BPSK) verwendet.
+
*Binary phase modulation  $\rm (BPSK)$  is used for modulation.
* Die Demodulation erfolgt frequenz– und phasensynchron.  
+
*Demodulation is  synchronous in frequency and phase.  
  
  
Bei trägerfrequenzmodulierter Übertragung muss der Kanalfrequenzgang HK(f) stets als Bandpass angesetzt werden. Die Kanalparameter sind zum Beispiel die Mittenfrequenz fM und die Bandbreite ΔfK, wobei die Mittenfrequenz fM oft mit der Trägerfrequenz fT übereinstimmt.  
+
For carrier frequency modulated transmission,  the channel frequency response  HK(f)  must always be assumed to be a band-pass.  The channel parameters are  e.g.  the center frequency  fM  and the bandwidth  ΔfK,  where the center frequency  (German:  "Mittenfrequenz"   ⇒   subscipt:  "M")  fM  often coincides with the carrier frequency  (German:  "Trägerfrequenz"   ⇒   subscipt:  "T")  fT.  
  
In dieser Aufgabe soll insbesondere von einem Gaußbandpass entsprechend der Grafik ausgegangen werden. Für dessen Frequenzgang gilt:
+
In this exercise we will assume a Gaussian band-pass according to the diagram.  For its frequency response holds:
 
:$$H_{\rm K}(f) = {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f - f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]
 
:$$H_{\rm K}(f) = {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f - f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]
 
  +{\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f + f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]$$
 
  +{\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f + f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]$$
  
Zur einfacheren Beschreibung benutzt man oft den äquivalenten TP–Frequenzgang HK,TP(f). Dieser ergibt sich aus HK(f) durch
+
For a simpler description,  one often uses the equivalent low-pass  ("TP")  frequency response  HK,TP(f).  This results from  HK(f)  by
*Abschneiden der Anteile bei negativen Frequenzen,
+
*truncating the components at negative frequencies,
*Verschieben des Spektrums um fT  nach links.
 
  
Im betrachteten Beispiel ergibt sich mit fT=fM für den äquivalenten TP–Frequenzgang:
+
*shifting the spectrum by  fT  to the left.
 +
 
 +
 
 +
In the considered example with  fT=fM  for the equivalent low-pass frequency response results:
 
:HK,TP(f)=eπ(f/ΔfK)2.
 
:HK,TP(f)=eπ(f/ΔfK)2.
Die entsprechende Zeitfunktion (Fouruerrücktransformierte) lautet:
+
The corresponding time function  ("inverse Fourier transform")  is:
 
:hK,TP(t)=ΔfKeπ(ΔfKt)2.
 
:hK,TP(t)=ΔfKeπ(ΔfKt)2.
Zur Beschreibung eines phasensynchronen BPSK–Systems im Tiefpassbereich eignet sich aber auch der Frequenzgang
+
However,  the frequency response is also suitable for describing a phase-synchronous BPSK system in the low-pass range
 
:HMKD(f)=1/2[HK(ffT)+HK(f+fT)],
 
:HMKD(f)=1/2[HK(ffT)+HK(f+fT)],
wobei „MKD” für Modulator – Kanal – Demodulator steht. Häufig – aber nicht immer – sind HMKD(f) und HK,TP(f) identisch.
+
where  "MKD"  stands for  "modulator channel (Kanal) demodulator".  Often - but not always -  HMKD(f)  and  HK,TP(f)  are identical.
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Notes:
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*The exercise belongs to the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|"Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation"]].
  
''Hinweise:''
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*Reference is made in particular to the section  [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation#Baseband_model_for_ASK_and_BPSK|"Baseband model for ASK and BPSK"]].  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]].
+
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite [[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation#Basisbandmodell_f.C3.BCr_ASK_und_BPSK|Basisbandmodell für ASK und BPSK]].  
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Geben Sie die Impulsantwort hK(t) des Gauß–Bandpasskanals an. Welcher (normierte) Wert ergibt sich für den Zeitpunkt t=0?
+
{Give the impulse response &nbsp;hK(t)&nbsp; of the Gaussian band-pass channel.&nbsp; What is the&nbsp; (normalized)&nbsp; value for time &nbsp;t=0?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
hK(t)/ΔfK =  { 2 3% }
 
hK(t)/ΔfK =  { 2 3% }
  
  
{Welche Aussagen gelten unter der Voraussetzung fT=fM?
+
{Which statements are valid under the condition &nbsp;fT=fM?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
-HK,TP(f) und HMKD(f) stimmen vollständig überein.
+
-HK,TP(f)&nbsp; and &nbsp;HMKD(f)&nbsp; coincide completely.
+HK,TP(f) und HMKD(f) sind für tiefe Frequenzen gleich.
+
+HK,TP(f)&nbsp; and &nbsp;HMKD(f)&nbsp; are the same for low frequencies.
+Die Zeitfunktion hK,TP(t) ist reell.
+
+The time function &nbsp;hK,TP(t)&nbsp; is real.
+Die Zeitfunktion hMKD(t) ist reell.
+
+The time function &nbsp;hMKD(t)&nbsp; is real.
  
{Welche Aussagen gelten unter der Voraussetzung fTfM?
+
{Which statements are true under the condition&nbsp; fTfM?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
-HK,TP(f) und HMKD(f) stimmen vollständig überein.
+
-HK,TP(f)&nbsp; and &nbsp;HMKD(f)&nbsp; coincide completely.
-HK,TP(f) und HMKD(f) sind für tiefe Frequenzen gleich.
+
-HK,TP(f)&nbsp; and &nbsp;HMKD(f)&nbsp; are the same for low frequencies.
-Die Zeitfunktion hK,TP(t) ist reell.
+
-The time function &nbsp;hK,TP(t)&nbsp; is real.
+Die Zeitfunktion hMKD(t) ist reell.
+
+The time function &nbsp;hMKD(t)&nbsp; is real.
  
{Was sollte im Hinblick auf eine kleinere Bitfehlerwahrscheinlichkeit gelten?
+
{What should be true with respect to a smaller bit error probability?
|type="[]"}
+
|type="()"}
 
+fM=fT,
 
+fM=fT,
 
- fMfT.
 
- fMfT.
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Für den Bandpass–Frequenzgang HK(f) kann geschrieben werden:
+
'''(1)'''&nbsp; For the band-pass frequency response&nbsp; HK(f)&nbsp; we can write:
:$$H_{\rm K}(f) = H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) \star \left [ \delta (f - f_{\rm M}) + \delta (f + f_{\rm M}) \right ] .$$
+
:$$H_{\rm K}(f) = H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) \star \big [ \delta (f - f_{\rm M}) + \delta (f + f_{\rm M}) \big ] .$$
Die Fourierrücktransformierte des Klammerausdrucks liefert eine Cosinusfunktion der Frequenz fM mit der Amplitude 2. Nach dem Faltungssatz gilt somit:
+
*The Fourier inverse transform of the bracket expression yields a cosine function of frequency&nbsp; fM&nbsp; with amplitude&nbsp; 2.  
 +
 
 +
*Thus,&nbsp; according to the convolution theorem:
 
:hK(t)=2ΔfKexp[π(ΔfKt)2]cos(2πfMt)hK(t=0)/ΔfK=2_.
 
:hK(t)=2ΔfKexp[π(ΔfKt)2]cos(2πfMt)hK(t=0)/ΔfK=2_.
Das heißt: Die TP–Impulsantwort hK,TP(t) ist formgleich mit der Hüllkurve der BP–Impulsantwort hK(t), aber doppelt so groß.
+
*This means:&nbsp; The low-pass impulse response&nbsp; hK,TP(t)&nbsp; is identical in shape to the envelope of the band-pass impulse response&nbsp; hK(t),&nbsp; but twice as large.
 +
 
 +
 
 +
[[File:P_ID1698__Dig_Z_4_3_b.png|right|frame|Resulting baseband frequency response for fT=fM]]
 +
'''(2)'''&nbsp;  <u>Statements 2, 3 and 4</u>&nbsp; are correct:
 +
*The first statement is false because&nbsp; HMKD(f)&nbsp; also has components around&nbsp; ±2fT.
 +
 
 +
*The time function&nbsp; hK,TP(t)&nbsp; is real according to the given equation.
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 2, 3 und 4:</u>
+
*The same is true for&nbsp; hMKD(t)&nbsp; also considering the&nbsp; ±2fT&nbsp; parts,&nbsp; since&nbsp; HMKD(f)&nbsp; is an even function with respect&nbsp; to f=0.
*Die erste Aussage ist falsch, da HMKD(f) auch Anteile um ±2fT besitzt.
+
*Die Zeitfunktion hK,TP(t) ist entsprechend der angegebenen Gleichung reell.
+
*The diagram shows&nbsp; HMKD(f),&nbsp; which also has components around&nbsp; ±2fT.&nbsp; At low frequencies,&nbsp; HK,TP(f)&nbsp; is identical to&nbsp; HMKD(f).
*Gleiches gilt für hMKD(t) auch unter Berücksichtigung der ±2fT–Anteile, da HMKD(f) eine bezüglich f=0 gerade Funktion ist.  
 
*Die Grafik zeigt  HMKD(f), der auch Anteile um ±2fT besitzt. Bei tiefen Frequenzen ist HK,TP(f) identisch mit HMKD(f).
 
  
  
[[File:P_ID1698__Dig_Z_4_3_b.png|center|frame|Resultierender Basisbandfrequenzgang für fM=fT]]
 
  
'''(3)'''&nbsp;  Richtig ist nur der <u>Lösungsvorschlag 4:</u>
+
[[File:P_ID1699__Dig_Z_4_3c.png|right|frame|Resulting baseband frequency response for fTfM]]
*Hier unterscheiden sich HK,TP(f) und HMKD(f) auch bei den tiefen Frequenzen.  
+
'''(3)'''&nbsp;  Only <u>solution 4</u> is correct:
*HK,TP(f) ist eine Gaußfunktion mit dem Maximum bei $f_{ε} = f_{\rm M} f_{\rm T}$.  
+
*Here HK,TP(f) and HMKD(f) differ even at the low frequencies.
*Aufgrund dieser Unsymmetrie ist hK,TP(t) komplex.  
+
*HK,TP(f)&nbsp; is a Gaussian function with maximum at&nbsp; $f_{ε} = f_{\rm M} - f_{\rm T}$.  
*Dagegen ist HMKD(f) weiterhin eine bezüglich f=0 gerade Funktion mit reeller Impulsantwort hMKD(t). HMKD(f) setzt sich aus zwei Gaußfunktionen bei ± f_ε zusammen.  
+
*Because of this asymmetry,&nbsp; h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)&nbsp; is complex.
 +
*In contrast,&nbsp; H_{\rm MKD}(f)&nbsp; is still an even function with respect to&nbsp; f = 0&nbsp; with real impulse response&nbsp; h_{\rm MKD}(t).  
 +
*H_{\rm MKD}(f)&nbsp; is composed of two Gaussian functions at&nbsp; ± f_ε.  
  
  
[[File:P_ID1699__Dig_Z_4_3c.png|center|frame|Resultierender Basisbandfrequenzgangfür f_{\rm M} \ne f_{\rm T}]]
 
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist natürlich die <u>erste Antwort.</u>
+
'''(4)'''&nbsp; Correct is of course the&nbsp; <u>first answer.</u>
  
  
Line 98: Line 110:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^1.5 Lineare digitale Modulation^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.5 Linear Digital Modulation^]]

Latest revision as of 16:13, 7 May 2022

Gaussian band-pass channel

For this exercise we assume:

  • Binary phase modulation  \rm (BPSK)  is used for modulation.
  • Demodulation is synchronous in frequency and phase.


For carrier frequency modulated transmission,  the channel frequency response  H_{\rm K}(f)  must always be assumed to be a band-pass.  The channel parameters are  e.g.  the center frequency  f_{\rm M}  and the bandwidth  \Delta f_{\rm K},  where the center frequency  (German:  "Mittenfrequenz"   ⇒   subscipt:  "M")  f_{\rm M}  often coincides with the carrier frequency  (German:  "Trägerfrequenz"   ⇒   subscipt:  "T")  f_{\rm T}

In this exercise we will assume a Gaussian band-pass according to the diagram.  For its frequency response holds:

H_{\rm K}(f) = {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f - f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ] +{\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f + f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]

For a simpler description,  one often uses the equivalent low-pass  ("TP")  frequency response  H_{\rm K,TP}(f).  This results from  H_{\rm K}(f)  by

  • truncating the components at negative frequencies,
  • shifting the spectrum by  f_{\rm T}  to the left.


In the considered example with  f_{\rm T} = f_{\rm M}  for the equivalent low-pass frequency response results:

H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) = {\rm e}^ { - \pi \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\left ( {f }/{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 }.

The corresponding time function  ("inverse Fourier transform")  is:

h_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(t) = \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm e}^ { - \pi \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 }.

However,  the frequency response is also suitable for describing a phase-synchronous BPSK system in the low-pass range

H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \left [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\right ] ,

where  "MKD"  stands for  "modulator – channel (Kanal) – demodulator".  Often - but not always -  H_{\rm MKD}(f)  and  H_{\rm K,TP}(f)  are identical.



Notes:


Questions

1

Give the impulse response  h_{\rm K}(t)  of the Gaussian band-pass channel.  What is the  (normalized)  value for time  t = 0?

h_{\rm K}(t)/\Delta f_{\rm K} \ = \

2

Which statements are valid under the condition  f_{\rm T} = f_{\rm M}?

H_{\rm K,TP}(f)  and  H_{\rm MKD}(f)  coincide completely.
H_{\rm K,TP}(f)  and  H_{\rm MKD}(f)  are the same for low frequencies.
The time function  h_{\rm K,TP}(t)  is real.
The time function  h_{\rm MKD}(t)  is real.

3

Which statements are true under the condition  f_{\rm T} \neq f_{\rm M}?

H_{\rm K,TP}(f)  and  H_{\rm MKD}(f)  coincide completely.
H_{\rm K,TP}(f)  and  H_{\rm MKD}(f)  are the same for low frequencies.
The time function  h_{\rm K,TP}(t)  is real.
The time function  h_{\rm MKD}(t)  is real.

4

What should be true with respect to a smaller bit error probability?

f_{\rm M} = f_{\rm T},
f_{\rm M} \neq f_{\rm T}.


Solution

(1)  For the band-pass frequency response  H_{\rm K}(f)  we can write:

H_{\rm K}(f) = H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) \star \big [ \delta (f - f_{\rm M}) + \delta (f + f_{\rm M}) \big ] .
  • The Fourier inverse transform of the bracket expression yields a cosine function of frequency  f_{\rm M}  with amplitude  2.
  • Thus,  according to the convolution theorem:
h_{\rm K}(t) = 2 \cdot \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 \right ] \cdot \cos(2 \pi f_{\rm M} t ) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm K}(t = 0)/\Delta f_{\rm K} \hspace{0.1cm}\underline {= 2}.
  • This means:  The low-pass impulse response  h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)  is identical in shape to the envelope of the band-pass impulse response  h_{\rm K}(t),  but twice as large.


Resulting baseband frequency response for f_{\rm T} = f_{\rm M}

(2)  Statements 2, 3 and 4  are correct:

  • The first statement is false because  H_{\rm MKD}(f)  also has components around  \pm 2f_{\rm T}.
  • The time function  h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)  is real according to the given equation.
  • The same is true for  h_{\rm MKD}(t)  also considering the  \pm 2f_{\rm T}  parts,  since  H_{\rm MKD}(f)  is an even function with respect  to f = 0.
  • The diagram shows  H_{\rm MKD}(f),  which also has components around  \pm 2f_{\rm T}.  At low frequencies,  H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)  is identical to  H_{\rm MKD}(f).


Resulting baseband frequency response for f_{\rm T} \ne f_{\rm M}

(3)  Only solution 4 is correct:

  • Here H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f) and H_{\rm MKD}(f) differ even at the low frequencies.
  • H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)  is a Gaussian function with maximum at  f_{ε} = f_{\rm M} - f_{\rm T}.
  • Because of this asymmetry,  h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)  is complex.
  • In contrast,  H_{\rm MKD}(f)  is still an even function with respect to  f = 0  with real impulse response  h_{\rm MKD}(t).
  • H_{\rm MKD}(f)  is composed of two Gaussian functions at  ± f_ε.


(4)  Correct is of course the  first answer.