Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.6Z: Comparison of Rayleigh and Rice"

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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile_Communications/Non-Frequency_Selective_Fading_With_Direct_Component}}
 +
[[File:P_ID2135__Mob_Z_1_6.png|right|frame|Phase diagram of the factor&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$&nbsp; <br>for Rayleigh and Rice fading]]
  
[[File:P_ID2135__Mob_Z_1_6.png|right|frame|Phasendiagramm des Faktors&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$&nbsp; <br>bei Rayleigh und Rice]]
+
In this task "Rayleigh fading" and "Rice fading" are to be compared with each other.
In dieser Aufgabe sollen <i>Rayleigh&ndash;Fading</i> und <i>Rice&ndash;Fading</i> miteinander verglichen werden.
 
  
Die Grafik zeigt den komplexen Faktor&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$&nbsp; in der komplexen Ebene. Für das Tiefpass&ndash;Sendesignal&nbsp; $s(t) = 1$, was bezüglich eines Bandpass&ndash;Systems einer Cosinusschwingung mit der Amplitude&nbsp; $1$&nbsp; entspricht, ist das Tiefpass&ndash;Empfangssignal&nbsp; $r(t)$&nbsp; identisch mit&nbsp; $z(t)$.  
+
The graph shows the complex factor&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$ &nbsp; in the complex plane.&nbsp; For the low-pass transmission signal&nbsp; $s(t) = 1$&nbsp; $($which with respect to a band-pass system corresponds to a cosine oscillation with amplitude&nbsp; $1)$,&nbsp; the low-pass reception signal is&nbsp; $r(t)=z(t)$.  
  
*Das obere Diagramm beschreibt&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh%E2%80%93Fadings#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading| Rayleigh&ndash;Fading]], wobei die Komponentensignale&nbsp; $x(t)$&nbsp; und&nbsp; $y(t)$&nbsp; jeweils gaußverteilt sind mit der Varianz&nbsp; $\sigma^2$. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Betrags&nbsp; $a(t) = |z(t)|$&nbsp; lautet für&nbsp; $a &#8805; 0$:
+
*The upper diagram describes&nbsp; [[Mobile_Communications/Probability_Density_of_Rayleigh_Fading| Rayleigh fading]], where the component signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; are each Gaussian distributed with variance&nbsp; $\sigma^2$.&nbsp;  For&nbsp; $a &#8805; 0$, the probability density function of the magnitude&nbsp; $a(t) = |z(t)|$&nbsp; is:
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 }{2\sigma^2}] \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$f_a(a) = {a}/{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{  -{a^2 }/({2\sigma^2})} \hspace{0.05cm}.$$
  
:Der quadratische Erwartungswert von&nbsp; $z(t)$&nbsp; ist &nbsp;$1$:
+
:The noncentral second moment&nbsp; ("power")&nbsp; of&nbsp; $z(t)$&nbsp; is &nbsp;$1$:
 
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2  \sigma^2 = 1 \hspace{0.3cm}
 
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2  \sigma^2 = 1 \hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}
Line 15: Line 15:
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
*Das untere Phasendiagramm entsteht bei&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rice.E2.80.93Fading|Rice&ndash;Fading]]. Auch hier sind&nbsp; $x(t)$&nbsp; und&nbsp; $y(t)$&nbsp; gaußverteilt mit der Varianz&nbsp; $\sigma^2$, aber nun mit Mittelwert&nbsp; $x_0$&nbsp; bzw.&nbsp; $y_0$. Die WDF lautet mit der modifizierten Besselfunktion&nbsp; ${\rm I}_0$&nbsp; für&nbsp; $a &#8805; 0$:
+
*The lower phase diagram is the result of&nbsp; [[Mobile_Communications/Non-Frequency_Selective_Fading_With_Direct_Component#Example_of_signal_behaviour_with_Rice_fading|Rice fading]].&nbsp; Here, too, &nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; are Gaussian distributed with variance&nbsp; $\sigma^2$, but now with mean value&nbsp; $x_0$&nbsp; and&nbsp; $y_0$.&nbsp; The PDF for&nbsp; $a &#8805; 0$ &nbsp; is
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm exp} \left[ -\frac{a^2 + |z_0|^2}{2\sigma^2}\right] \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot |z_0|}{\sigma^2} \right ]\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$f_a(a) ={a}/{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{  -{(a^2+ |z_0|^2) }/({2\sigma^2})}\cdot {\rm I}_0 \left [ {a \cdot |z_0|}/{\sigma^2} \right ]\hspace{0.05cm}.$$
 
+
:where&nbsp; ${\rm I}_0$&nbsp; is the modified Bessel function of the first kind.&nbsp; The power now includes the contribution of the direct component&nbsp; $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$:
:Der quadratische Mittelwert beinhaltet nun auch die Direktkomponente&nbsp; $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$:
 
 
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2 \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2 \hspace{0.05cm}.$$
  
Für den Systemvergleich
+
For the system comparison
* ist von konstantem&nbsp; ${\rm E}\big[|z(t)|^2\big] = 1$&nbsp; auszugehen,
+
* the second moment is assumed to be constant:&nbsp; ${\rm E}\big[|z(t)|^2\big] = 1$,
* wird beim <i>Rice&ndash;Fading</i> von der aus der Grafik erkennbaren Vorzugsrichtung ausgegangen,  
+
* the Rice fading is based on the direction shown in the graph,  
* sei die Leistung zwischen dem Direktpfad&nbsp; $(|z_0|^2)$&nbsp; und den Streupfaden &nbsp;$(2\sigma^2)$&nbsp; im Verhältnis &nbsp;$4:1$&nbsp; aufgeteilt.
+
* let the power be split between the direct path&nbsp; $(|z_0|^2)$&nbsp; and the scattering paths &nbsp;$(2\sigma^2)$&nbsp; in the ratio &nbsp;$4:1$&nbsp;.
  
  
Für die Teilaufgaben '''(1)''' bis '''(4)''' gelte&nbsp; $s(t) = 1$, während in den Teilaufgaben '''(5)''' bzw. '''(6)''' ein BPSK&ndash;Signal vorausgesetzt wird. Das Tiefpass&ndash;Signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; hat somit einen rechteckförmigen Verlauf mit den möglichen Werten&nbsp; $&plusmn;1$. Die Dauer eines Rechteckimpulses sei&nbsp; $T = 10 \ \rm ms$.
+
For the subtasks&nbsp; '''(1)'''&nbsp; to&nbsp; '''(4)''',&nbsp; let&nbsp; $s(t) = 1$.&nbsp; For the subtasks&nbsp; '''(5)'''&nbsp; and&nbsp; '''(6)''', a BPSK signal is assumed .&nbsp; The low-pass signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; thus has a rectangular shape with the possible values&nbsp; $&plusmn;1$.&nbsp; The duration of each rectangular impulse is&nbsp; $T = 10 \ \rm ms$.
  
  
Line 35: Line 34:
  
  
''Hinweise:''
+
''Notes:''
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente| Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente]].
+
* This task belongs to chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/Non-frequency_selective_fading_with_direct_component|Non-frequency selective fading with direct component]].
* Die in der Grafik eingezeichneten Kreise (violett und grün) beziehen sich auf die Teilaufgaben '''(3)''' und '''(4)'''.
+
* The circles drawn in the graph&nbsp; (violet and green)&nbsp; refer to the subtasks&nbsp; '''(3)'''&nbsp; and&nbsp; '''(4)'''.
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie ergibt sich aus dem Rice&ndash;Modell ein idealer Kanal &nbsp; &#8658; &nbsp; $H(f) = 1$?
+
{When does the Rice model result in an ideal channel &nbsp; &#8658; &nbsp; $H(f) = 1$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Mit&nbsp; $x_0 = y_0 = 0, \ \ \sigma^2 = 1$.
+
- With&nbsp; $x_0 = y_0 = 0, \ \ \sigma^2 = 1$.
+ Mit&nbsp; $x_0 = 1, \ \ y_0 = 0, \ \ \sigma^2 = 0$.
+
+ With&nbsp; $x_0 = 1, \ \ y_0 = 0, \ \ \ \sigma^2 = 0$.
- Mit&nbsp; $x_0 = 0, \ \ y_0 = 1, \ \ \sigma^2 = 0$.
+
- With&nbsp; $x_0 = 0, \ \ \ y_0 = 1, \ \ \ \sigma^2 = 0$.
  
{Ermitteln Sie aus der komplexen&nbsp; $z(t)$&ndash;Darstellung auf der Angabenseite die verwendeten Rice&ndash;Parameter.
+
{Determine the Rice parameters using the given assumptions and the graph.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma \ = \ $ { 0.316 3% }
 
$\sigma \ = \ $ { 0.316 3% }
Line 56: Line 55:
 
$y_0 \ = \ $ { 0.632 3% }
 
$y_0 \ = \ $ { 0.632 3% }
  
{Bei welchem Kanal wird&nbsp; ${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| &#8804; -6 \ \rm dB)$&nbsp; größer sein?
+
{For which channel is&nbsp; ${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| &#8804; -6 \ \ \rm dB)$&nbsp; larger?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Beim vorliegenden Rayleigh&ndash;Kanal.
+
+ The Rayleigh channel.
- Beim vorliegenden Rice&ndash;Kanal.
+
- The Rice channel.
- Die Wahrscheinlichkeiten sind näherungsweise gleich.
+
- The probabilities are approximately equal.
  
{Bei welchem Kanal wird&nbsp; ${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| &#8804; 0 \ \rm dB)$&nbsp; größer sein?
+
{For which channel is&nbsp; ${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| &#8804; 0 \ \ \rm dB)$&nbsp; larger?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Beim vorliegenden Rayleigh&ndash;Kanal.
+
- The Rayleigh channel.
- Beim vorliegenden Rice&ndash;Kanal.
+
- The Rice channel.
+ Die Wahrscheinlichkeiten sind näherungsweise gleich.
+
+ The probabilities are approximately equal.
  
{Welche Aussagen treffen für ein BPSK&ndash;Sendesignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; zu, wenn man die komplexe Darstellung des Empfangssignals&nbsp; $r(t)$&nbsp; betrachtet?
+
{Which statements apply to a BPSK transmission signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; when considering the complex representation of the received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Rayleigh&ndash;Fading bewirkt Punktwolken in Quadrant &nbsp;$1$&nbsp; und &nbsp;$3$.
+
- Rayleigh fading causes point clouds in quadrants &nbsp;$1$&nbsp; and &nbsp;$3$.
+ Rice&ndash;Fading bewirkt Punktwolken in Quadrant &nbsp;$1$&nbsp; und &nbsp;$3$.
+
+ Rice fading causes point clouds in quadrants &nbsp;$1$&nbsp; and &nbsp;$3$.
+ Bei Rayleigh ist die WDF von&nbsp; $|r(t)|$&nbsp; gleich der WDF von&nbsp; $|z(t)|$.
+
+ For Rayleigh, the PDF of&nbsp; $|r(t)|$&nbsp; is equal to the PDF of&nbsp; $|z(t)|$.
- Bei Rice ist die WDF von&nbsp; $|r(t)|$&nbsp; gleich der WDF von&nbsp; $|z(t)|$.
+
- For Rice, the PDF of&nbsp; $|r(t)|$&nbsp; is equal to the PDF of&nbsp; $|z(t)|$.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Solution 2</u> is correct:  
*Der erste Vorschlag liefert ein <i>Rayleigh&ndash;Fading</i>&ndash;Modell. Mit der letzten Einstellung ergäbe sich:
+
*The first suggestion corresponds to a Rayleigh fading model.&nbsp; With the last setting, we would have
 
:$$|z(t)| = {\rm j}  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} r(t) = s(t) \cdot z(t) = {\rm j} \cdot s(t)  
 
:$$|z(t)| = {\rm j}  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} r(t) = s(t) \cdot z(t) = {\rm j} \cdot s(t)  
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
*Berücksichtigen wir, dass wir uns im äquivalenten Tiefpassbereich befinden, so würde dann bei einem cosinusförmigen Eingang ein minus&ndash;sinusförmiges Ausgangssignal $r_{\rm BP}(t)$ auftreten.  
+
*If we take into account that we are in the equivalent low-pass range, then a cosine input would produce a negative sinusoidal band-pass signal $r_{\rm BP}(t)$.  
*Dagegen gilt mit dem Lösungsvorschlag 2 für alle möglichen Signale:
+
*On the other hand, solution 2 applies to all possible signals:
:$$|z(t)| = x_0 = 1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} r(t) = s(t)   
+
:$$|z(t)| = x_0 = 1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} r(t) = s(t)   
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Beim gegebenem <i>Rayleigh&ndash;Fading</i> beträgt der Parameter $\sigma^2 = 0.5$. Damit ergibt sich für den quadratischen Mittelwert des multiplikativen Faktors $z(t)$:
+
'''(2)'''&nbsp; For the given Rayleigh fading, we have&nbsp; $\sigma^2 = 0.5$.&nbsp; For the second moment of the multiplicative factor&nbsp; $z(t)$, this results in:
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \sigma^2 = 1  
+
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \sigma^2 = 1  
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Das <i>Rice&ndash;Fading</i> soll genau die gleiche Leistung besitzen. Das heißt, es soll gelten:
+
The Rice fading should have exactly the same performance.&nbsp; That is, it should apply:
:$$|z_0|^2 + 2 \sigma^2 = 1  
+
:$$|z_0|^2 + 2 \sigma^2 = 1  
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Weiterhin wurde gefordert:
+
Furthermore, it was requested:
* Das Verhältnis der Leistungen von deterministischen Anteil ($|z_0|^2$) und stochastischem Anteil ($2\sigma^2$) sei $4$. Daraus folgt:
+
* The ratio of the power of the deterministic part&nbsp; $(|z_0|^2)$&nbsp; and the stochastic part&nbsp; $(2\sigma^2)$&nbsp; is&nbsp; $4$.&nbsp; It follows from this:
:$$2 \sigma^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \sigma^2 = 0.1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}    \sigma = \frac{1}{\sqrt{10}} \hspace{0.25cm} \underline{ \approx 0.316} \hspace{0.05cm},$$
+
:$$2 \sigma^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \sigma^2 = 0.1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}    \sigma = \frac{1}{\sqrt{10}} \hspace{0.25cm} \underline{ \approx 0.316} \hspace{0.05cm},$$
 
:$$|z_0|^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} |z_0| = 0.894
 
:$$|z_0|^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} |z_0| = 0.894
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
* Die Aufteilung von $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$ ergibt sich aus der Grafik. Man erkennt, dass $y_0 = x_0$ sein muss (Mittelpunkt der Wolke im ersten Quadranten unter $45^\circ$):
+
* The phase of&nbsp; $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$&nbsp; results from the graph.&nbsp; You can see that&nbsp; $y_0 = x_0$&nbsp; $($center of the cloud in the first quadrant below $45^\circ)$:
 
:$$x_0 = y_0 = \frac{|z_0|}{\sqrt{2}} = \frac{0.894}{\sqrt{2}} \hspace{0.25cm} \underline{ \approx 0.632} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$x_0 = y_0 = \frac{|z_0|}{\sqrt{2}} = \frac{0.894}{\sqrt{2}} \hspace{0.25cm} \underline{ \approx 0.632} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp; Der Bereich &bdquo;$20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| &#8804; \, &ndash;6 \ \rm dB$&rdquo; ist gleich bedeutend mit &bdquo;$|z(t)|&#8804;0.5$&rdquo;.  
+
[[File:P_ID2136__Mob_Z_1_6c.png|right|frame|PDF $f_a(a)$&nbsp; for Rayleigh and Rice and signal cutout]]
*Dieser Bereich ist in der Grafik auf der Angabenseite durch den violetten Kreis markiert.  
+
'''(3)'''&nbsp; The range&nbsp; $20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| &#8804; \, &ndash;6 \ \ \rm dB$&nbsp; is equal to&nbsp; $|z(t)|&#8804;0.5$.  
*Man erkennt daraus, dass die <u>Aussage 1 richtig</u> ist, da sich bei Rayleigh mehr Punkte innerhalb des violetten Kreises befinden.
+
*This area is marked by the purple circle in the graph on the first page.  
 +
*You can see from this that <u>statement 1 is correct</u>, because with Rayleigh there are more points within the violet circle.
  
  
[[File:P_ID2136__Mob_Z_1_6c.png|right|frame|Signalausschnitt und WDF $f_a(a)$ bei Rayleigh und Rice]]
+
The graph shows the result of a system simulation with the program "Mobile radio channel" from the (former) practical course "Simulation of digital transmission systems".
 +
:Both from the signal section as well as from the PDF one can see that the blue curve (Rayleigh) has more parts under the violet curve than the red curve (Rice).
  
Diese Grafik zeigt das Ergebnis einer Systemsimulation mit dem Programm &bdquo;Mobilfunkkanal&rdquo; aus dem (früheren) Praktikum &bdquo;Simulation digitaler Übertragungssysteme&rdquo;.
+
 
*Sowohl aus dem Signalausschnitt als auch aus der WDF erkennt man, dass die blaue Kurve (Rayleigh) mehr Anteile unter der violetten Kurve besitzt als die rote Kurve (Rice).
+
'''(4)'''&nbsp; Correct is <u>solution 3</u>:  
<br clear=all>
+
*For the Rayleigh distribution, the requested probability is
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist <u>Lösungsvorschlag 3</u>:  
+
:$${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} a(t) \le 0\,\,{\rm dB}) = {\rm Pr}(a(t) \le 1) = 1 - {\rm e}^{-1} \approx 63\%\,\,\
*Für die Rayleighverteilung ergibt sich die Wahrscheinlichkeit
 
:$${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} a(t) \le 0\,\,{\rm dB}) = {\rm Pr}(a(t) \le 1) =   1 - {\rm e}^{-1} \approx 63\,\,\%
 
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
*Aus der Grafik erahnt man, dass sich für die Riceverteilung (mit den gewählten Parametern) etwa die gleiche Unterschreitungswahrscheinlichkeit ergibt.
+
*From the graph you can see that the probability for the Rice version (with the selected parameters) is about the same as the probability of falling below. &nbsp;
*Auch aus der komplexen Darstellung von $z(t)$ auf der Angabenseite ist dieses Ergebnis zu erahnen (leichter dann, wenn man das Ergebnis schon kennt).
+
*This result can also be guessed from the complex representation of&nbsp; $z(t)$&nbsp; on the first page (easier if you already know the result).
* Unter anderem deshalb, weil die Spitze der Gaußwolke noch innerhalb des grünen Kreises liegt.
+
* Among other things, because the center of the Gaussian cloud is still within the green circle.
 
 
 
 
[[File:P_ID2137__Mob_Z_1_6e.png|right|frame|Komplexes Empfangssignal $r(t)$ bei Rayleigh und Rice]]
 
'''(5)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
 
* Bei <i>Rice&ndash;Fading</i> liegt die Punktwolke von $z(t)$ im ersten Quadranten. Multipliziert man $z(t)$ mit $s(t) = &plusmn;1$, so erhält man zwei Punktwolken im ersten und dritten Quadranten. An der WDF $f_a(a)$ des Betrags ändert sich dadurch nichts.
 
* Auch beim <i>Rayleigh&ndash;Fading</i> weisen die Dichtefunktionen $f_a(a)$ des Betrags für $|z(t)|$ und $|r(t)|$ keine Unterschiede auf. Da zudem die Phase $\phi$ gleichverteilt ist, ergeben sich im Endergebnis auch gleiche Punktwolken.
 
*Betrachtet man allerdings die Entstehung der komplexen Darstellung von $z(t)$ und $r(t)$ dynamisch, so gibt es sehr wohl Unterschiede.
 
*Bei der komplexen Darstellung von $r(t)$ treten größere Sprünge auf, immer dann, wenn es im Sendesignal $s(t)$ zu Phasensprüngen um $&plusmn;180^\circ$ kommt, also bei Symbolwechseln.
 
*Somit unterscheiden sich bei Rice&ndash;Fading auch ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$ und ${\it \Phi}_r(f_{\rm D})$ &ndash; letzteres ist breiter &ndash; und dementsprechend auch die zugehörigen Autokorrelationsfunktion.
 
  
  
 +
[[File:P_ID2137__Mob_Z_1_6e.png|right|frame|Complex received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; for Rayleigh and Rice]]
 +
'''(5)''' <u>Solutions 2 and 3</u> are correct:
 +
* With Rice fading, the point cloud of&nbsp; $z(t)$&nbsp; is in the first quadrant.&nbsp; If you multiply&nbsp; $z(t)$&nbsp; by&nbsp; $s(t) = &plusmn;1$, you get two point clouds in the first and third quadrant.&nbsp; This does not change the PDF $f_a(a)$&nbsp; of the magnitude.
 +
* Also with Rayleigh fading, the density functions $f_a(a)$&nbsp; of the magnitudes of&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; and&nbsp; $|r(t)|$&nbsp; do not show any differences.&nbsp; Since the phase&nbsp; $\phi$&nbsp; is equally distributed, the final result also has the same point clouds.
 +
*However, if you look at the development of the complex representation of&nbsp; $z(t)$&nbsp; and&nbsp; $r(t)$&nbsp; dynamically, there are indeed differences.
 +
*Larger jumps occur in the complex representation of&nbsp; $r(t)$, whenever there are phase jumps by&nbsp; $&plusmn;180^\circ$&nbsp; in the transmitted signal&nbsp; $s(t)$, i.e. when changing symbols.
 +
*Thus,&nbsp; ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$&nbsp; and&nbsp; ${\it \Phi}_r(f_{\rm D})$&nbsp; are different for Rice fading (the latter is wider) and accordingly the corresponding auto-correlation function.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
+
[[Category:Mobile Communications: Exercises|^1.4 Fading with Direct Path Component^]]
[[Category:Exercises for Mobile Communications|^1.4 Fading with Direct Path Component^]]
 

Latest revision as of 13:19, 18 January 2023

Phase diagram of the factor  $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$ 
for Rayleigh and Rice fading

In this task "Rayleigh fading" and "Rice fading" are to be compared with each other.

The graph shows the complex factor  $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$   in the complex plane.  For the low-pass transmission signal  $s(t) = 1$  $($which with respect to a band-pass system corresponds to a cosine oscillation with amplitude  $1)$,  the low-pass reception signal is  $r(t)=z(t)$.

  • The upper diagram describes  Rayleigh fading, where the component signals  $x(t)$  and  $y(t)$  are each Gaussian distributed with variance  $\sigma^2$.  For  $a ≥ 0$, the probability density function of the magnitude  $a(t) = |z(t)|$  is:
$$f_a(a) = {a}/{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -{a^2 }/({2\sigma^2})} \hspace{0.05cm}.$$
The noncentral second moment  ("power")  of  $z(t)$  is  $1$:
$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \sigma^2 = 1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \sigma = {1}/{\sqrt{2}} \approx 0.707 \hspace{0.05cm}.$$
  • The lower phase diagram is the result of  Rice fading.  Here, too,   $x(t)$  and  $y(t)$  are Gaussian distributed with variance  $\sigma^2$, but now with mean value  $x_0$  and  $y_0$.  The PDF for  $a ≥ 0$   is
$$f_a(a) ={a}/{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -{(a^2+ |z_0|^2) }/({2\sigma^2})}\cdot {\rm I}_0 \left [ {a \cdot |z_0|}/{\sigma^2} \right ]\hspace{0.05cm}.$$
where  ${\rm I}_0$  is the modified Bessel function of the first kind.  The power now includes the contribution of the direct component  $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$:
$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2 \hspace{0.05cm}.$$

For the system comparison

  • the second moment is assumed to be constant:  ${\rm E}\big[|z(t)|^2\big] = 1$,
  • the Rice fading is based on the direction shown in the graph,
  • let the power be split between the direct path  $(|z_0|^2)$  and the scattering paths  $(2\sigma^2)$  in the ratio  $4:1$ .


For the subtasks  (1)  to  (4),  let  $s(t) = 1$.  For the subtasks  (5)  and  (6), a BPSK signal is assumed .  The low-pass signal  $s(t)$  thus has a rectangular shape with the possible values  $±1$.  The duration of each rectangular impulse is  $T = 10 \ \rm ms$.




Notes:



Questions

1

When does the Rice model result in an ideal channel   ⇒   $H(f) = 1$?

With  $x_0 = y_0 = 0, \ \ \sigma^2 = 1$.
With  $x_0 = 1, \ \ y_0 = 0, \ \ \ \sigma^2 = 0$.
With  $x_0 = 0, \ \ \ y_0 = 1, \ \ \ \sigma^2 = 0$.

2

Determine the Rice parameters using the given assumptions and the graph.

$\sigma \ = \ $

$x_0 \ = \ $

$y_0 \ = \ $

3

For which channel is  ${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| ≤ -6 \ \ \rm dB)$  larger?

The Rayleigh channel.
The Rice channel.
The probabilities are approximately equal.

4

For which channel is  ${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| ≤ 0 \ \ \rm dB)$  larger?

The Rayleigh channel.
The Rice channel.
The probabilities are approximately equal.

5

Which statements apply to a BPSK transmission signal  $s(t)$  when considering the complex representation of the received signal  $r(t)$ ?

Rayleigh fading causes point clouds in quadrants  $1$  and  $3$.
Rice fading causes point clouds in quadrants  $1$  and  $3$.
For Rayleigh, the PDF of  $|r(t)|$  is equal to the PDF of  $|z(t)|$.
For Rice, the PDF of  $|r(t)|$  is equal to the PDF of  $|z(t)|$.


Solution

(1)  Solution 2 is correct:

  • The first suggestion corresponds to a Rayleigh fading model.  With the last setting, we would have
$$|z(t)| = {\rm j} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} r(t) = s(t) \cdot z(t) = {\rm j} \cdot s(t) \hspace{0.05cm}.$$
  • If we take into account that we are in the equivalent low-pass range, then a cosine input would produce a negative sinusoidal band-pass signal $r_{\rm BP}(t)$.
  • On the other hand, solution 2 applies to all possible signals:
$$|z(t)| = x_0 = 1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} r(t) = s(t) \hspace{0.05cm}.$$


(2)  For the given Rayleigh fading, we have  $\sigma^2 = 0.5$.  For the second moment of the multiplicative factor  $z(t)$, this results in:

$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \sigma^2 = 1 \hspace{0.05cm}.$$

The Rice fading should have exactly the same performance.  That is, it should apply:

$$|z_0|^2 + 2 \sigma^2 = 1 \hspace{0.05cm}.$$

Furthermore, it was requested:

  • The ratio of the power of the deterministic part  $(|z_0|^2)$  and the stochastic part  $(2\sigma^2)$  is  $4$.  It follows from this:
$$2 \sigma^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \sigma^2 = 0.1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \sigma = \frac{1}{\sqrt{10}} \hspace{0.25cm} \underline{ \approx 0.316} \hspace{0.05cm},$$
$$|z_0|^2 \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} |z_0| = 0.894 \hspace{0.05cm}.$$
  • The phase of  $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$  results from the graph.  You can see that  $y_0 = x_0$  $($center of the cloud in the first quadrant below $45^\circ)$:
$$x_0 = y_0 = \frac{|z_0|}{\sqrt{2}} = \frac{0.894}{\sqrt{2}} \hspace{0.25cm} \underline{ \approx 0.632} \hspace{0.05cm}.$$


PDF $f_a(a)$  for Rayleigh and Rice and signal cutout

(3)  The range  $20 \cdot {\rm lg} \, |z(t)| ≤ \, –6 \ \ \rm dB$  is equal to  $|z(t)|≤0.5$.

  • This area is marked by the purple circle in the graph on the first page.
  • You can see from this that statement 1 is correct, because with Rayleigh there are more points within the violet circle.


The graph shows the result of a system simulation with the program "Mobile radio channel" from the (former) practical course "Simulation of digital transmission systems".

Both from the signal section as well as from the PDF one can see that the blue curve (Rayleigh) has more parts under the violet curve than the red curve (Rice).


(4)  Correct is solution 3:

  • For the Rayleigh distribution, the requested probability is
$${\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} a(t) \le 0\,\,{\rm dB}) = {\rm Pr}(a(t) \le 1) = 1 - {\rm e}^{-1} \approx 63\%\,\,\ \hspace{0.05cm}.$$
  • From the graph you can see that the probability for the Rice version (with the selected parameters) is about the same as the probability of falling below.  
  • This result can also be guessed from the complex representation of  $z(t)$  on the first page (easier if you already know the result).
  • Among other things, because the center of the Gaussian cloud is still within the green circle.


Complex received signal  $r(t)$  for Rayleigh and Rice

(5) Solutions 2 and 3 are correct:

  • With Rice fading, the point cloud of  $z(t)$  is in the first quadrant.  If you multiply  $z(t)$  by  $s(t) = ±1$, you get two point clouds in the first and third quadrant.  This does not change the PDF $f_a(a)$  of the magnitude.
  • Also with Rayleigh fading, the density functions $f_a(a)$  of the magnitudes of  $|z(t)|$  and  $|r(t)|$  do not show any differences.  Since the phase  $\phi$  is equally distributed, the final result also has the same point clouds.
  • However, if you look at the development of the complex representation of  $z(t)$  and  $r(t)$  dynamically, there are indeed differences.
  • Larger jumps occur in the complex representation of  $r(t)$, whenever there are phase jumps by  $±180^\circ$  in the transmitted signal  $s(t)$, i.e. when changing symbols.
  • Thus,  ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$  and  ${\it \Phi}_r(f_{\rm D})$  are different for Rice fading (the latter is wider) and accordingly the corresponding auto-correlation function.