Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.6: Free Space Attenuation"

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[[File:P_ID1016__Mod_A_2_6.jpg|right|frame|Sendeanlage]]
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[[File:P_ID1016__Mod_A_2_6.jpg|right|frame|Photo of a transmitter]]
Ein gemäß dem Modulationsverfahren „ZSB–AM mit Träger” betriebener Kurzwellensender arbeitet mit der Trägerfrequenz  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$  und der Sendeleistung  $P_{\rm S} = 100\ \rm  kW$. Er ist für eine Bandbreite von  $B_{\rm NF} = 8 \ \rm kHz$  ausgelegt.
+
A shortwave transmitter operated according to the modulation method  "DSB-AM with carrier" works with carrier frequency  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$  and transmit power $P_{\rm S} = 100\ \rm  kW$.  It is designed for a low-frequency bandwidth of  $B_{\rm NF} = 8 \ \rm kHz$.
  
 
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For test operation,  a mobile receiver is used, which operates with a synchronous demodulator.   If this is located at distance   $d$  from the transmitter,  the attenuation function of the transmission channel can be approximated as follows:  
Zum Testbetrieb wird ein mobiler Empfänger eingesetzt, der mit einem Synchrondemodulator arbeitet. Befindet sich dieser in der Distanz $d$  zum Sender, so kann die Dämpfungsfunktion des Übertragungskanals wie folgt angenähert werden:
 
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f)}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{f}{\rm MHz}
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f)}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{f}{\rm MHz}
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
Die Gleichung beschreibt die so genannte ''Freiraumdämpfung'', die auch von der (Träger-)Frequenz abhängt.
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This equation describes so-called  '''free space attenuation''',  which also depends on the (carrier) frequency.
  
 +
It can be assumed that the entire DSB-AM spectrum is attenuated like the carrier frequency.   This means that
 +
*the slightly larger attenuation of the upper sideband (USB), and
 +
*the slightly smaller attenuation of the lower sideband (LSB)
  
Man kann davon ausgehen, dass das gesamte ZSB–AM–Spektrum wie die Trägerfrequenz gedämpft wird. Das bedeutet, dass
 
*die etwas größere Dämpfung des oberen Seitenbandes (OSB), bzw.
 
*die geringfügig kleinere Dämpfung des unteren Seitenbandes (USB) 
 
  
 +
are compensated for by a corresponding pre-distortion at the transmitter.
  
durch eine entsprechende Vorverzerrung beim Sender ausgeglichen wird.
+
Let the effective noise power density at the receiver be  $N_0 = 10^{–14}  \ \rm W/Hz.$
  
Die am Empfänger wirksame Rauschleistungsdichte sei  $N_0 = 10^{–14}  \ \rm W/Hz.$
 
  
 +
For the first two subtasks,  it is assumed that the transmitter transmits only the carrier,  which is equivalent to the modulation depth being  $m = 0$.
  
Für die beiden ersten Teilaufgaben wird vorausgesetzt, dass der Sender nur den Träger überträgt, was gleichbedeutend dafür ist, dass der Modulationsgrad  $m = 0$  ist.
 
  
  
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+
Hints:  
''Hinweise:''
+
*This exercise belongs to the chapter   [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|Synchronous Demodulation]].
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation|Synchrondemodulation]].
+
*Particular reference is made to the page   [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation#Sink_SNR_and_the_performance_parameter|Sink SNR and the performance parameter]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite   [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation#Sinken-SNR_und_Leistungskenngr.C3.B6.C3.9Fe|Sinken-SNR und Leistungskenngröße]].
 
 
   
 
   
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{ Welche Leistung wird im Abstand &nbsp;$d = 10 \ \rm km$&nbsp; vom Sender empfangen, wenn nur der Träger abgestrahlt wird &nbsp;($m = 0$)?
+
{ What power is received at a distance &nbsp;$d = 10 \ \rm km$&nbsp; from the transmitter when only the carrier is transmitted &nbsp;$(m = 0)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$P_{\rm E} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm mW$
 
$P_{\rm E} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm mW$
  
{ In welcher Entfernung &nbsp;$d$&nbsp; vom Sender befindet sich der Empfänger, wenn die empfangene Leistung &nbsp;$P_{\rm E} = 100 \ \rm &micro; W$ beträgt??
+
{ At what distance &nbsp;$d$&nbsp; from the transmitter is the receiver located when the received power is &nbsp;$P_{\rm E} = 100 \ \rm &micro; W$??
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$d \ = \ $ { 31.6 3% } $\ \rm km$
 
$d \ = \ $ { 31.6 3% } $\ \rm km$
  
{Welches Sinken–SNR ergibt sich bei der unter '''(2)''' berechneten Distanz &nbsp;$d$, wenn der Modulationsgrad &nbsp;$m = 0.5$&nbsp; beträgt?
+
{Which sink SNR results from the distance &nbsp;$d$&nbsp; calculated in subtask&nbsp; '''(2)'''&nbsp; when the modulation depth is &nbsp;$m = 0.5$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$10 · \lg ρ_v \ = \ $  { 51.5 3% } $\ \text{dB}$
 
$10 · \lg ρ_v \ = \ $  { 51.5 3% } $\ \text{dB}$
  
{Wie groß muss der Modulationsgrad &nbsp;$m$&nbsp; mindestens gewählt werden, damit sich ein Sinken–Störabstand von &nbsp;$60  \ \rm dB$&nbsp; ergibt?
+
{What is the minimum modulation depth &nbsp;$m$&nbsp; that can be chosen for a resulting sink-to-noise ratio of &nbsp;$60  \ \rm dB$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m_{\min} \ = \ $ { 2.83 5% }   
 
$m_{\min} \ = \ $ { 2.83 5% }   
  
{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ ZSB–AM mit Träger macht aus energetischen Gründen keinen Sinn, wenn ein Synchrondemodulator verwendet wird.
+
+ "DSB–AM with carrier"&nbsp; does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
- ZSB–AM ohne Träger macht aus energetischen Gründen keinen Sinn, wenn ein Synchrondemodulator verwendet wird.
+
- "DSB–AM without carrier"&nbsp; does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
+ Ein kleiner Trägeranteil kann für die erforderliche Frequenz– und Phasensynchronisation hilfreich sein.
+
+ A small carrier component can be helpful for the required frequency and phase synchronization.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Entsprechend der Gleichung für die Freiraumdämpfung gilt mit $d = 10\ \rm  km$ und $f_{\rm T} = 20 \ \rm  MHz$:
+
'''(1)'''&nbsp; According to the equation for free space attenuation,&nbsp; when &nbsp; $d = 10\ \rm  km$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm T} = 20 \ \rm  MHz$,&nbsp; then:
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB}  =  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}=  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB}  =  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}=  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
Dies entspricht einer Leistungsverminderung um den Faktor $10^{8}$:
+
*This corresponds to a power reduction by a factor of&nbsp; $10^{8}$:
 
:$$P_{\rm E}= 10^{-8} \cdot P_{\rm S}= 10^{-8} \cdot 100\,{\rm kW}\hspace{0.15cm}\underline {= 1\, {\rm mW} \hspace{0.05cm}}.$$
 
:$$P_{\rm E}= 10^{-8} \cdot P_{\rm S}= 10^{-8} \cdot 100\,{\rm kW}\hspace{0.15cm}\underline {= 1\, {\rm mW} \hspace{0.05cm}}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Aus $P_{\rm S} = 10^5 \ \rm  W$, $P_{\rm E} = 10{^–4}\ \rm  W$ folgt eine Freiraumdämpfung von $90 \ \rm  dB$. Daraus erhält man weiter:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; From&nbsp; $P_{\rm S} = 10^5 \ \rm  W$,&nbsp; $P_{\rm E} = 10{^–4}\ \rm  W$&nbsp; follows a free space attenuation of&nbsp; $90 \ \rm  dB$.&nbsp; From this,&nbsp; we further obtain:
 
:$$20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} = ( 90-34 - 26)\hspace{0.1cm}{\rm dB}= 30\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}
 
:$$20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} = ( 90-34 - 26)\hspace{0.1cm}{\rm dB}= 30\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm} d = 10^{1.5}\,{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline { = 31.6\,{\rm km}\hspace{0.05cm}}.$$
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm} d = 10^{1.5}\,{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline { = 31.6\,{\rm km}\hspace{0.05cm}}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp; Bei ZSB–AM ohne Träger, das heißt für den Modulationsgrad $m → ∞$, würde gelten:
+
 
 +
'''(3)'''&nbsp; For DSB–AM without carrier,&nbsp; that is,&nbsp; for a modulation depth&nbsp; $m → ∞$,&nbsp; the following would hold:
 
:$$ \rho_{v } = \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}} = \frac{ P_{\rm E}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}= \frac{10^{-4}\,{\rm W}}{10^{-14}\,{\rm W/Hz}\cdot 8 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} } = 1.25 \cdot 10^6\hspace{0.3cm}
 
:$$ \rho_{v } = \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}} = \frac{ P_{\rm E}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}= \frac{10^{-4}\,{\rm W}}{10^{-14}\,{\rm W/Hz}\cdot 8 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} } = 1.25 \cdot 10^6\hspace{0.3cm}
 
  \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \approx 61\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
 
  \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \approx 61\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
Mit dem Modulationsgrad $m = 0.5$ wird das Sinken–SNR um den Faktor $[1 +{2}/{m^2}]^{-1} = {1}/{9}$ kleiner. Der Sinken–Störabstand ist somit ebenfalls geringer:
+
*With modulation depth&nbsp; $m = 0.5$&nbsp; the sink SNR becomes smaller by a factor of&nbsp; $[1 +{2}/{m^2}]^{-1} = {1}/{9}$&nbsp;.&nbsp; Thus,&nbsp; the signal-to-noise ratio at the sink is also smaller:
 
:$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } = 61\,{\rm dB}- 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(9) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 51.5\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}}.$$
 
:$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } = 61\,{\rm dB}- 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(9) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 51.5\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Entsprechend den Berechnungen zur Teilaufgabe (3) muss nun folgende Bedingung erfüllt sein:
+
 
 +
'''(4)'''&nbsp; According to the calculations in subtask&nbsp; '''(3)''',&nbsp; the following condition must be satisfied:
 
:$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\left({1 + {2}/{m^2}}\right) < 1\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 1 +{2}/{m^2} < 10^{0.1}=1.259
 
:$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\left({1 + {2}/{m^2}}\right) < 1\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 1 +{2}/{m^2} < 10^{0.1}=1.259
 
\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{2}/{m^2} < 0.259 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m > \sqrt{8}\approx 2.83 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.83} \hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{2}/{m^2} < 0.259 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m > \sqrt{8}\approx 2.83 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.83} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Vorschläge 1 und 3</u>:
+
 
*Bei Verwendung eines Synchrondemodulators macht die Zusetzung des Trägers keinen Sinn, außer, dieser ist für die erforderliche Trägerrückgewinnung nützlich.  
+
'''(5)'''&nbsp; <u>Answers 1 and 3</u>&nbsp; are correct:
*Da der Träger zur Demodulation nicht genutzt werden kann, steht nur ein Bruchteil der Sendeleistung für die Demodulation zur Verfügung (ein Drittel bei $m = 1$, ein Neuntel bei $m = 0.5$).  
+
*When using a synchronous demodulator, the addition of the carrier makes no sense unless the former is useful for the required carrier recovery.
 +
*Since the carrier cannot be used for demodulation,&nbsp; only a fraction of the transmit power is available for demodulation &nbsp; $($one third for &nbsp; $m = 1$,&nbsp; one ninth for&nbsp; $m = 0.5)$.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu  Modulationsverfahren|^2.2 Synchrondemodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.2 Synchronous Demodulation^]]

Latest revision as of 17:38, 8 December 2021

Photo of a transmitter

A shortwave transmitter operated according to the modulation method  "DSB-AM with carrier" works with carrier frequency  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$  and transmit power $P_{\rm S} = 100\ \rm kW$.  It is designed for a low-frequency bandwidth of  $B_{\rm NF} = 8 \ \rm kHz$.

For test operation,  a mobile receiver is used, which operates with a synchronous demodulator.  If this is located at distance   $d$  from the transmitter,  the attenuation function of the transmission channel can be approximated as follows:

$$\frac{a_{\rm K}(d, f)}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{f}{\rm MHz} \hspace{0.05cm}.$$

This equation describes so-called  free space attenuation,  which also depends on the (carrier) frequency.

It can be assumed that the entire DSB-AM spectrum is attenuated like the carrier frequency.  This means that

  • the slightly larger attenuation of the upper sideband (USB), and
  • the slightly smaller attenuation of the lower sideband (LSB)


are compensated for by a corresponding pre-distortion at the transmitter.

Let the effective noise power density at the receiver be  $N_0 = 10^{–14} \ \rm W/Hz.$


For the first two subtasks,  it is assumed that the transmitter transmits only the carrier,  which is equivalent to the modulation depth being  $m = 0$.




Hints:


Questions

1

What power is received at a distance  $d = 10 \ \rm km$  from the transmitter when only the carrier is transmitted  $(m = 0)$?

$P_{\rm E} \ = \ $

$\ \rm mW$

2

At what distance  $d$  from the transmitter is the receiver located when the received power is  $P_{\rm E} = 100 \ \rm µ W$??

$d \ = \ $

$\ \rm km$

3

Which sink SNR results from the distance  $d$  calculated in subtask  (2)  when the modulation depth is  $m = 0.5$ ?

$10 · \lg ρ_v \ = \ $

$\ \text{dB}$

4

What is the minimum modulation depth  $m$  that can be chosen for a resulting sink-to-noise ratio of  $60 \ \rm dB$ ?

$m_{\min} \ = \ $

5

Which of the following statements are true?

"DSB–AM with carrier"  does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
"DSB–AM without carrier"  does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
A small carrier component can be helpful for the required frequency and phase synchronization.


Solution

(1)  According to the equation for free space attenuation,  when   $d = 10\ \rm km$  and  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$,  then:

$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}= 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • This corresponds to a power reduction by a factor of  $10^{8}$:
$$P_{\rm E}= 10^{-8} \cdot P_{\rm S}= 10^{-8} \cdot 100\,{\rm kW}\hspace{0.15cm}\underline {= 1\, {\rm mW} \hspace{0.05cm}}.$$


(2)  From  $P_{\rm S} = 10^5 \ \rm W$,  $P_{\rm E} = 10{^–4}\ \rm W$  follows a free space attenuation of  $90 \ \rm dB$.  From this,  we further obtain:

$$20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} = ( 90-34 - 26)\hspace{0.1cm}{\rm dB}= 30\,{\rm dB}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} d = 10^{1.5}\,{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline { = 31.6\,{\rm km}\hspace{0.05cm}}.$$


(3)  For DSB–AM without carrier,  that is,  for a modulation depth  $m → ∞$,  the following would hold:

$$ \rho_{v } = \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}} = \frac{ P_{\rm E}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}= \frac{10^{-4}\,{\rm W}}{10^{-14}\,{\rm W/Hz}\cdot 8 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} } = 1.25 \cdot 10^6\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \approx 61\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • With modulation depth  $m = 0.5$  the sink SNR becomes smaller by a factor of  $[1 +{2}/{m^2}]^{-1} = {1}/{9}$ .  Thus,  the signal-to-noise ratio at the sink is also smaller:
$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } = 61\,{\rm dB}- 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(9) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 51.5\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}}.$$


(4)  According to the calculations in subtask  (3),  the following condition must be satisfied:

$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\left({1 + {2}/{m^2}}\right) < 1\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 1 +{2}/{m^2} < 10^{0.1}=1.259 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{2}/{m^2} < 0.259 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m > \sqrt{8}\approx 2.83 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.83} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Answers 1 and 3  are correct:

  • When using a synchronous demodulator, the addition of the carrier makes no sense unless the former is useful for the required carrier recovery.
  • Since the carrier cannot be used for demodulation,  only a fraction of the transmit power is available for demodulation   $($one third for   $m = 1$,  one ninth for  $m = 0.5)$.