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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.3Z: Optimization of a Coaxial Cable System"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Ber%C3%BCcksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1409__Dig_Z_3_3.png|right|frame|Normierte Systemgrößen für verschiedene Grenzfrequenzen]]
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[[File:P_ID1409__Dig_Z_3_3.png|right|frame|Normalized system parameters for different cutoff frequencies]]
Wir betrachten ein redundanzfreies binäres Übertragungssystem mit folgenden Spezifikationen:
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We consider a redundancy-free binary transmission system with the following specifications:
* Die Sendeimpulse sind NRZ–rechteckförmig und besitzen die Energie  EB=s20T.  
+
* The transmission pulses are NRZ rectangular and have energy  EB=s20T.
* Der Kanal ist ein Koaxialkabel mit der charakteristischen Kabeldämpfung  a=40dB.
+
* Es liegt AWGN–Rauschen mit der Rauschleistungsdichte  N0=0.0001EB  vor.  
+
* The channel is a coaxial cable with characteristic cable attenuation  a=40dB.
* Der Empfängerfrequenzgang  HE(f)  beinhaltet einen idealen Kanalentzerrer  H1K(f)  und einen Gaußtiefpass  HG(f)  mit Grenzfrequenz  fG  zur Rauschleistungsbegrenzung.
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* AWGN noise with (one-sided) noise power density  N0=0.0001EB  is present.
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* The receiver frequency response  HE(f)  includes an ideal channel equalizer  H1K(f)  and a Gaussian low-pass filter  HG(f)  with cutoff frequency  fG  for noise power limitation.
  
  
Die Tabelle zeigt die Augenöffnung  ¨o(TD)  sowie den Detektionsrauscheffektivwert  σd  – jeweils normiert auf die Sendeamplitude  s0  – für verschiedene Grenzfrequenzen  fG. Die Grenzfrequenz ist so zu wählen, dass die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit möglichst klein ist, wobei folgende Definition gilt:
+
The table shows the eye opening   ¨o(TD)   as well as the detection noise rms value   σd   – each normalized to the transmitted amplitude  s0  – for different cutoff frequencies  fG.  The cutoff frequency is to be chosen such that the worst-case error probability is as small as possible,  with the following definition:
 
:$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d}
 
:$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})/2}{ \sigma_d}
 
   \right) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}\right)$$
 
   \right) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}\right)$$
  
*Diese Größe stellt eine obere Schranke für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit  pS  dar:    pSpU.  
+
*This quantity represents an upper bound for the mean error probability    pSpU.
*Für  f_{\rm G} \cdot T ≥ 0.4  kann auch eine untere Schranke angegeben werden:    pSpU/4.
+
 +
*For  f_{\rm G} \cdot T ≥ 0.4,  a lower bound can also be given:    pSpU/4.
  
  
  
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Notes:
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*The exercise belongs to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Consideration_of_Channel_Distortion_and_Equalization|"Consideration of Channel Distortion and Equalization"]].
  
 
+
* Use the interaction module  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]]  for numerical evaluation of the Q-function.
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Ber%C3%BCcksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung|Berücksichtigung von Kanalverzerrungen und Entzerrung]].
 
* Verwenden Sie zur numerischen Auswertung der Q–Funktion das Interaktionsmodul  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]].
 
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Bestimmen Sie innerhalb des vorgegebenen Rasters die optimale Grenzfrequenz hinsichtlich des Kriteriums &bdquo;ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit&rdquo;.
+
{Within the given grid,&nbsp; determine the optimal cutoff frequency with respect to the&nbsp; "worst-case error probability"&nbsp; criterion.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
fG, optT =   { 0.4 3% }
 
fG, optT =   { 0.4 3% }
  
{Welche Werte ergeben sich damit für den ungünstigsten Störabstand und die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit?
+
{What values does this give for the&nbsp; "worst-case signal-to-noise ratio"&nbsp; and the worst-case error probability?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
fG=G, opt:10lgρU =  { 5.41 3% }  dB
 
fG=G, opt:10lgρU =  { 5.41 3% }  dB
 
pU =  { 3.1 3% }  %
 
pU =  { 3.1 3% }  %
  
{Auf welchen Wert müsste man die Rauschleistungsdichte &nbsp;N0&nbsp; (bezogen auf die Signalenergie) verringern, damit &nbsp;pU&nbsp; nicht größer ist als &nbsp;106?
+
{To what value would we need to reduce the noise power density &nbsp;N0&nbsp; (with respect to signal energy)&nbsp; so that &nbsp;pU&nbsp; is not greater than &nbsp;106?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
N0/EB =  { 1.53 3% }  105
 
N0/EB =  { 1.53 3% }  105
  
{Geben Sie für den unter '''(3)''' getroffenen Annahmen eine untere und eine obere Schranke für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit &nbsp;pS&nbsp; an.
+
{For the assumptions made in&nbsp; '''(3)''',&nbsp; give a lower  and an upper bound for the&nbsp; "average error probability" &nbsp; pS.&nbsp;  
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
p S, min =  { 0.25 3% }  106
 
p S, min =  { 0.25 3% }  106
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Für die Optimierung genügt es , den Quotienten ¨o(TD)/σd zu maximieren:  
+
'''(1)'''&nbsp; For the optimization it is sufficient to maximize the quotient&nbsp; ¨o(TD)/σd:  
*Dieser ist von den in der Tabelle gegebenen Werten für die Grenzfrequenz &nbsp;fG,optT=0.4_&nbsp; mit 0.735/0.1973.73 maximal.  
+
*This is maximized from the values given in the table for the cutoff frequency &nbsp;fG,optT=0.4_&nbsp; with&nbsp; 0.735/0.1973.73.  
*Zum Vergleich: &nbsp; Für &nbsp;fGT=0.3&nbsp; ergibt sich aufgrund der kleineren Augenöffnung 0.192/0.0942.04 und für &nbsp;fGT=0.5&nbsp; ist der Quotient ebenfalls kleiner als beim Optimum: 1.159/0.3793.05.
+
*As a comparison: &nbsp; For &nbsp;fGT=0.3&nbsp; the result is&nbsp; 0.192/0.0942.04&nbsp; due to the smaller eye opening.
*Eine noch größere Grenzfrequenz führt zu einem sehr großen Störeffektivwert, ohne dass gleichzeitig die vertikale Augenöffnung in gleicher Weise vergrößert wird.
+
*For &nbsp;fGT=0.5&nbsp; the quotient is also smaller than for the optimum:&nbsp; 1.159/0.3793.05.
 +
*An even larger cutoff frequency leads to a very large noise rms value without simultaneously increasing the vertical eye opening in the same way.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Mit dem Ergebnis aus '''(1)''' erhält man weiter:
+
'''(2)'''&nbsp; Using the result from&nbsp; '''(1)''',&nbsp; we further obtain:
 
:$$\rho_{\rm U} = \left ( {3.73}/{2} \right )^2 \approx 3.48 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$\rho_{\rm U} = \left ( {3.73}/{2} \right )^2 \approx 3.48 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  10 \cdot {\rm
 
  10 \cdot {\rm
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'''(3)'''&nbsp;  
+
'''(3)'''&nbsp; With the given&nbsp; 10lgEB/N0=40 dB,&nbsp; i.e. EB/N0=104,&nbsp; the worst-case signal-to-noise ratio has been found to be&nbsp; 10lgρU5.41dB.  
*Mit dem gegebenen 10lgEB/N0=40 dB, also EB/N0=104 hat sich der ungünstigste Störabstand zu 10lgρU5.41dB ergeben.  
+
*However,&nbsp; for the worst-case error probability&nbsp; pU=106 &nbsp; &rArr; &nbsp;  10lgρU>13.55dB&nbsp; must be obtained.
*Für die ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit pU=106 muss aber 10lgρU>13.55dB sein.  
+
*This is achieved by increasing the quotient&nbsp; EB/N0&nbsp; accordingly:
*Dies erreicht man, indem man den Quotienten EB/N0 entsprechend erhöht:
 
 
:$$10 \cdot {\rm
 
:$$10 \cdot {\rm
 
lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} = 40\,{\rm dB}
 
lg}\hspace{0.1cm}{E_{\rm B}}/{N_0} = 40\,{\rm dB}
Line 81: Line 84:
  
 
'''(4)'''&nbsp;  
 
'''(4)'''&nbsp;  
*Die obere Schranke für pS ist gleich der ungünstigsten Fehlerwahrscheinlichkeit pU=106_.  
+
*The upper bound&nbsp; for pS&nbsp; is equal to the worst-case error probability&nbsp; pU=106_.
*Die untere Schranke liegt bei 0.25106_, ist also um den Faktor 4 kleiner.
+
 +
*The lower bound is&nbsp; 0.25106_,&nbsp; which is smaller by a factor of&nbsp; $4$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^3.3 Kanalverzerrungen und Entzerrung^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^3.3 Channel Distortion and Equalization^]]

Latest revision as of 15:06, 28 June 2022

Normalized system parameters for different cutoff frequencies

We consider a redundancy-free binary transmission system with the following specifications:

  • The transmission pulses are NRZ rectangular and have energy  EB=s20T.
  • The channel is a coaxial cable with characteristic cable attenuation  a=40dB.
  • AWGN noise with (one-sided) noise power density  N0=0.0001EB  is present.
  • The receiver frequency response  HE(f)  includes an ideal channel equalizer  H1K(f)  and a Gaussian low-pass filter  HG(f)  with cutoff frequency  fG  for noise power limitation.


The table shows the eye opening   ¨o(TD)   as well as the detection noise rms value   σd   – each normalized to the transmitted amplitude  s0  – for different cutoff frequencies  fG.  The cutoff frequency is to be chosen such that the worst-case error probability is as small as possible,  with the following definition:

pU=Q(¨o(TD)/2σd)pU=Q(ρU)
  • This quantity represents an upper bound for the mean error probability   pSpU.
  • For  fGT0.4,  a lower bound can also be given:   pSpU/4.


Notes:



Questions

1

Within the given grid,  determine the optimal cutoff frequency with respect to the  "worst-case error probability"  criterion.

fG, optT = 

2

What values does this give for the  "worst-case signal-to-noise ratio"  and the worst-case error probability?

fG=G, opt:10lgρU = 

 dB
pU = 

 %

3

To what value would we need to reduce the noise power density  N0  (with respect to signal energy)  so that  pU  is not greater than  106?

N0/EB = 

 105

4

For the assumptions made in  (3),  give a lower and an upper bound for the  "average error probability"   pS

p S, min = 

 106
p S, max = 

 106


Solution

(1)  For the optimization it is sufficient to maximize the quotient  ¨o(TD)/σd:

  • This is maximized from the values given in the table for the cutoff frequency  fG,optT=0.4_  with  0.735/0.1973.73.
  • As a comparison:   For  fGT=0.3  the result is  0.192/0.0942.04  due to the smaller eye opening.
  • For  fGT=0.5  the quotient is also smaller than for the optimum:  1.159/0.3793.05.
  • An even larger cutoff frequency leads to a very large noise rms value without simultaneously increasing the vertical eye opening in the same way.


(2)  Using the result from  (1),  we further obtain:

ρU=(3.73/2)23.4810lgρU=5.41dB_pU=Q(3.73/2)0.031_.


(3)  With the given  10lgEB/N0=40 dB,  i.e. EB/N0=104,  the worst-case signal-to-noise ratio has been found to be  10lgρU5.41dB.

  • However,  for the worst-case error probability  pU=106   ⇒   10lgρU>13.55dB  must be obtained.
  • This is achieved by increasing the quotient  EB/N0  accordingly:
10lgEB/N0=40dB+13.55dB5.41dB=48.14dBEB/N0=104.81465163N0/EB=1.53105_.


(4) 

  • The upper bound  for pS  is equal to the worst-case error probability  pU=106_.
  • The lower bound is  0.25106_,  which is smaller by a factor of  4.