Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.8: Asymmetrical Channel"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Hüllkurvendemodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Envelope_Demodulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1038__Mod_A_2_8.png|right|frame|Äquivalentes Tiefpass–Signal <br>in der komplexen Ebene]]
+
[[File:P_ID1038__Mod_A_2_8.png|right|frame|Equivalent low-pass signal  <br>in the complex plane]]
Ein cosinusförmiges Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; mit der Amplitude &nbsp;$A_{\rm N}$&nbsp; und der Frequenz &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; wird ZSB–amplitudenmoduliert, so dass für das modulierte Signal gilt:
+
A cosine-shaped source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; with amplitude &nbsp;$A_{\rm N}$&nbsp; and frequency &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; is double-sideband amplitude modulated.&nbsp; The modulated signal is given by:
 
:$$ s(t) = \big[ q(t) + A_{\rm T}\big] \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ s(t) = \big[ q(t) + A_{\rm T}\big] \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
Der Übertragungskanal weist lineare Verzerrungen auf:  
+
The transmission channel exhibits linear distortions:  
*Während das untere Seitenband $($USB-Frequenz: &nbsp; &nbsp;$f_{\rm T} - f_{\rm N})$&nbsp; und auch der Träger unverfälscht übertragen werden,  
+
*While the lower sideband $($LSB frequency: &nbsp; &nbsp;$f_{\rm T} - f_{\rm N})$&nbsp; and the carrier are transmitted undistorted,  
*wird das obere Seitenband $($OSB-Frequenz: &nbsp; &nbsp;$f_{\rm T} + f_{\rm N})$&nbsp; mit dem Dämpfungsfaktor &nbsp;$α_{\rm O} = 0.25$&nbsp; gewichtet.
+
*the upper sideband $($USB frequency: &nbsp; &nbsp;$f_{\rm T} + f_{\rm N})$&nbsp; is weighted with the attenuation factor  &nbsp;$α_{\rm O} = 0.25$.
  
  
Die Grafik zeigt die Ortskurve, also die Darstellung des äquivalenten Tiefpass–Signals &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in der komplexen Ebene.  
+
The graph shows the locus curve, i.e.,&nbsp; the representation of the equivalent low-pass signal &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in the complex plane.  
  
Wertet man das Signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; mit einem idealen Hüllkurvendemodulator aus, so erhält man ein Sinkensignal &nbsp;$v(t)$, das wie folgt angenähert werden kann:
+
Evaluating the signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; with an ideal envelope demodulator,&nbsp; we obtain a sink signal&nbsp;$v(t)$,&nbsp; which can be approximated as follows:
 
:$$v(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t ) -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )-\text{ ...}$$
 
:$$v(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t ) -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )-\text{ ...}$$
Für diese Messung wurde die Nachrichtenfrequenz &nbsp;$f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz$&nbsp; benutzt.
+
For this measurement,&nbsp; the message frequency &nbsp;$f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz$&nbsp; was used.
  
In der Teilaufgabe&nbsp; '''(7)'''&nbsp; soll das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis&nbsp; $\rm (SNR)$&nbsp; wie folgt berechnet werden:
+
In subtask&nbsp; '''(7)'''&nbsp; the signal-to-noise power ratio &nbsp; $\rm (SNR)$&nbsp; should be calculated as follows:
:$$ \rho_{v } = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ \rho_{v } = P_{v 1}/P_{\varepsilon } \hspace{0.05cm}.$$
Hierbei bezeichnen &nbsp;$P_{v1} = α^2 · P_q$&nbsp; und &nbsp;$P_ε$&nbsp; die „Leistungen” der beiden Signale:
+
Here, &nbsp;$P_{v1} = α^2 · P_q$&nbsp; and &nbsp;$P_ε$&nbsp; denote the&nbsp; "powers"&nbsp; of both signals:
 
:$$ v_1(t)  =  2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t )\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ v_1(t)  =  2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t )\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ \varepsilon(t)  =  v(t) - v_1(t) \approx -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ \varepsilon(t)  =  v(t) - v_1(t) \approx -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
Line 27: Line 27:
  
  
 
+
Hints:  
 
+
*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation|Envelope Demodulation]].
 
+
*Particular reference is made to the section&nbsp;  [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation#Description_using_the_equivalent_low-pass_signal|Description using the equivalent low-pass signal]].
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation|Hüllkurvendemodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf das Kapitel&nbsp;  [[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation#Beschreibung_mit_Hilfe_des_.C3.A4quivalenten_Tiefpass.E2.80.93Signals|Beschreibung mit Hilfe des äquivalenten Tiefpass-Signals]].
 
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Geben Sie das Tiefpass-Signal &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in analytischer Form an.&nbsp; Welcher Wert ergibt sich für die Zeit  &nbsp;$t = 0$?
+
{Give the low-pass signal &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in its analytical form.&nbsp; What value results for time &nbsp;$t = 0$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$r_{\rm TP}(t=0) \ = \ $ { 15 3% } $\ \rm V$
 
$r_{\rm TP}(t=0) \ = \ $ { 15 3% } $\ \rm V$
  
{Wie lauten die Amplitudenwerte &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; und &nbsp;$A_{\rm N}$?
+
{What are the amplitude values &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; and &nbsp;$A_{\rm N}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$A_{\rm T} \ = \ $ { 10 3% } $\ \rm V$  
 
$A_{\rm T} \ = \ $ { 10 3% } $\ \rm V$  
 
$A_{\rm N} \ = \ $ { 8 3% } $\ \rm V$
 
$A_{\rm N} \ = \ $ { 8 3% } $\ \rm V$
  
{Es gelte &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.&nbsp; Zu welcher Zeit &nbsp;$t_1$&nbsp; wird der Startpunkt&nbsp; '''(1)'''&nbsp; zum ersten Mal nach &nbsp;$t = 0$&nbsp; wieder erreicht?
+
{Let &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.&nbsp; At which time &nbsp;$t_1$&nbsp; is the starting point &nbsp; '''(1)'''&nbsp; first reached again after &nbsp;$t = 0$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$t_1 \ = \ $ { 0.5 3% } $\ \rm ms$  
 
$t_1 \ = \ $ { 0.5 3% } $\ \rm ms$  
  
{Zu welchem Zeitpunkt &nbsp;$t_2$&nbsp; wird der Ellipsenpunkt&nbsp; '''(2)'''&nbsp; mit dem Wert &nbsp;$\rm j · 3\ V$&nbsp; zum ersten Mal erreicht?
+
{At which time  &nbsp;$t_2$&nbsp; is the elliptical point &nbsp; '''(2)'''&nbsp; with value &nbsp;$\rm j · 3\ V$&nbsp; reached first?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$t_2 \ = \ $ { 0.375 3% } $\ \rm ms$  
 
$t_2 \ = \ $ { 0.375 3% } $\ \rm ms$  
 
   
 
   
{Berechnen Sie die Betragsfunktion (Hüllkurve) &nbsp;$a(t)$&nbsp; und die Phasenfunktion &nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; für diesen Zeitpunkt &nbsp;$t_2$.
+
{Calculate the  magnitude function&nbsp; (envelope) &nbsp;$a(t)$&nbsp; and the phase function &nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; for this time point &nbsp;$t_2$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$a(t = t_2) \ = \ $ { 10.44 3% } $\ \rm V$
 
$a(t = t_2) \ = \ $ { 10.44 3% } $\ \rm V$
$ϕ(t = t_2)\ = \ $ { 16.7 3% } $\ \rm Grad$  
+
$ϕ(t = t_2)\ = \ $ { 16.7 3% } $\ \rm degrees$  
  
{Berechnen Sie den Klirrfaktor &nbsp;$K$&nbsp; für &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.
+
{Calculate the distortion factor &nbsp;$K$&nbsp; for &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K \ = \ $ { 6.6 3% } $\ \text{%}$  
 
$K \ = \ $ { 6.6 3% } $\ \text{%}$  
  
{Berechnen Sie für &nbsp;$f_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2 \ \rm kHz}$&nbsp; das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis &nbsp;$\rm (SNR)$&nbsp;  gemäß der angegebenen Definition.
+
{Calculate the signal-to-noise power ratio &nbsp;$\rm (SNR)$&nbsp;for &nbsp;$f_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2 \ \rm kHz}$&nbsp; according to the given definition.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$ρ_v \ = \ $ { 230 3% }  
 
$ρ_v \ = \ $ { 230 3% }  
  
{ Welcher Klirrfaktor &nbsp;$K$&nbsp; ergibt sich bei ansonsten gleichen Bedingungen mit der Nachrichtenfrequenz &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \rm kHz}$?
+
{What distortion factor results from otherwise equal conditions for the message frequency &nbsp;$f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \rm kHz}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$K \ = \ $ { 6.6 3% } $\ \text{%}$  
 
$K \ = \ $ { 6.6 3% } $\ \text{%}$  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Bei cosinusförmigem Quellensignal und Dämpfung des oberen Seitenbandes gilt:
+
'''(1)'''&nbsp;  For a cosine-shaped source signal and attenuation of the upper sideband,&nbsp; it holds that:
 
:$$ r_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot \alpha_{\rm O} \cdot{\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot{\rm e}^{-{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ r_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot \alpha_{\rm O} \cdot{\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot{\rm e}^{-{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t}\hspace{0.05cm}.$$
*Zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; zeigen alle Vektoren in Richtung der reellen Achse.  
+
*At time &nbsp; $t = 0$&nbsp; all vectors point in the direction of the real axis.  
*Somit kann aus der Grafik auf der Angabenseite&nbsp; $r_{\rm TP}(t = 0)\hspace{0.15cm}\underline { = 15 \ \rm V}$&nbsp; abgelesen werden.
+
*Thus &nbsp; $r_{\rm TP}(t = 0)\hspace{0.15cm}\underline { = 15 \ \rm V}$&nbsp; can be read from the graph on the exercise page.
  
  
  
  
'''(2)'''&nbsp;  Die Trägeramplitude ist durch den Ellipsenmittelpunkt festgelegt:&nbsp; $A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline { = 10 \ \rm V}$.  
+
'''(2)'''&nbsp;  The carrier amplitude is defined by the center of the ellipse:
*Aus der in der ersten Teilaufgabe angegebenen Gleichung kann somit auch die Amplitude&nbsp; $A_{\rm N}$&nbsp; berechnet werden:
+
&nbsp; $A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline { = 10 \ \rm V}$.  
 +
*From the equation given in the first subtask,&nbsp; the amplitude&nbsp; $A_{\rm N}$&nbsp; can thus also be calculated:
 
:$$ \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1+ \alpha_0) = r_{\rm TP}(t= 0) - A_{\rm T} = 5 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 8 \,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1+ \alpha_0) = r_{\rm TP}(t= 0) - A_{\rm T} = 5 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 8 \,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
*Zur Kontrolle kann der in der Grafik markierte Punkt&nbsp; '''(2)'''&nbsp; herangezogen werden:
+
*The point marked &nbsp; '''(2)'''&nbsp; can be used as a check:
 
:$$\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1- \alpha_0) = 3 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} = 8 \,{\rm V} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1- \alpha_0) = 3 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} = 8 \,{\rm V} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Die für einen Umlauf benötigte Zeit&nbsp; $t_1$&nbsp; ist gleich der Periodendauer des Quellensignals, also
+
'''(3)'''&nbsp;  The necessary time for one cycle &nbsp; $t_1$&nbsp; is equal to the time period of the source signal:
 
:$$t_1= 1/f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {=0.5 \ \rm ms}.$$
 
:$$t_1= 1/f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {=0.5 \ \rm ms}.$$
  
  
  
'''(4)'''&nbsp;  Da das USB größer ist als das OSB, bewegt sich die Spitze des Zeigerverbundes auf der Ellipse im Uhrzeigersinn.  
+
'''(4)'''&nbsp;  Since the lower sideband is larger than the upper sideband,&nbsp; the peak of the pointer composite moves clockwise around the ellipse.  
*Der Punkt&nbsp; '''(2)'''&nbsp; wird zum Zeitpunkt&nbsp; $t_2 = 3/4 · t_1\hspace{0.15cm}\underline { = 0.375 \ \rm ms}$&nbsp; zum ersten Mal erreicht.
+
*Point&nbsp; '''(2)'''&nbsp; is first reached at time&nbsp; $t_2 = 3/4 · t_1\hspace{0.15cm}\underline { = 0.375 \ \rm ms}$.
  
  
  
[[File:P_ID1039__Mod_A_2_8_e.png|right|frame|Zur Berechnung von&nbsp; $t_2$&nbsp; und&nbsp; $t_3$]]
+
[[File:P_ID1039__Mod_A_2_8_e.png|right|frame|Calculation of &nbsp; $t_2$&nbsp; and&nbsp; $t_3$]]
'''(5)'''&nbsp;  Die Zeigerlänge zur Zeit&nbsp; $t_2$&nbsp; kann mit dem&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Satz_des_Pythagoras Satz von Pythagoras]&nbsp; bestimmt werden:
+
'''(5)'''&nbsp;  The pointer length at time &nbsp; $t_2$&nbsp; can be determined with the &nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Pythagorean_theorem Pythagorean Theorem]&nbsp;:
 
:$$ a(t = t_2) = \sqrt{(10 \,{\rm V})^2 + (3 \,{\rm V})^2}\hspace{0.15cm}\underline { = 10.44 \,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ a(t = t_2) = \sqrt{(10 \,{\rm V})^2 + (3 \,{\rm V})^2}\hspace{0.15cm}\underline { = 10.44 \,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
*Für die Phasenfunktion gilt:
+
*The phase function is:
 
:$$\phi(t = t_2) = {\rm arctan} \frac{3 \,{\rm V}}{10 \,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 16.7^{\circ}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\phi(t = t_2) = {\rm arctan} \frac{3 \,{\rm V}}{10 \,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 16.7^{\circ}}\hspace{0.05cm}.$$
*Die maximale Phase&nbsp; $ϕ_{\rm max}$&nbsp; ist geringfügig größer.&nbsp; Sie tritt (mit positivem Vorzeichen) zum Zeitpunkt&nbsp; $t_3 < t_2$&nbsp; dann auf, wenn eine Gerade vom Koordinatenursprung die Ellipse tangiert.  
+
*The maximum phase&nbsp; $ϕ_{\rm max}$&nbsp; is slightly larger.&nbsp;  
*Durch Aufstellen der Ellipsengleichung kann dieser Punkt&nbsp; $(x_3$,&nbsp; $y_3)$&nbsp; analytisch exakt berechnet werden.  
+
*It occurs (with a positive sign) at time &nbsp; $t_3 < t_2$&nbsp; when a straight line from the origin is tangent to the ellipse.  
*Daraus würde für die maximale Phase gelten:&nbsp; $\phi_{\rm max} = {\rm arctan} \ {y_3}/{x_3} \hspace{0.05cm}.$
+
*By setting up the ellipse equation, this point &nbsp; $(x_3$,&nbsp; $y_3)$&nbsp; can be accurately calculated analytically.  
 +
*From this, the following would hold for the maximum phase:
 +
:$$\phi_{\rm max} = {\rm arctan} \ {y_3}/{x_3} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
  
'''(6)'''&nbsp;  Die Klirrfaktoren zweiter und dritter Ordnung können aus der angegebenen Gleichung für&nbsp; $v(t)$&nbsp; $($gültig für $f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz)$&nbsp; ermittelt werden und  lauten:
+
'''(6)'''&nbsp;  The distortion factors of second and third order can be obtained from the equation given for&nbsp; $v(t)$&nbsp; $($valid for $f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz)$:
 
:$$ K_2 = \frac{0.148 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.061, \hspace{0.3cm} K_3 = \frac{0.056 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.023 \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ K_2 = \frac{0.148 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.061, \hspace{0.3cm} K_3 = \frac{0.056 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.023 \hspace{0.05cm}.$$
*Damit erhält man für den Gesamtklirrfaktor:
+
*Thus,&nbsp; for the total distortion factor we get:
 
:$$K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 }\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}.$$
 
:$$K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 }\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}.$$
  
  
  
'''(7)'''&nbsp;  Für die Leistungen von Nutz– und Störsignal erhält man:
+
'''(7)'''&nbsp;  From the power of the useful signal and the interference signal,&nbsp; we obtain:
 
:$$ P_{v 1} = \frac{(2.424 \,{\rm V})^2}{2} = 2.94 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} P_{\varepsilon} = \frac{(-0.148 \,{\rm V})^2}{2} + \frac{(0.056 \,{\rm V})^2}{2}= 0.0125 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm}$$
 
:$$ P_{v 1} = \frac{(2.424 \,{\rm V})^2}{2} = 2.94 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} P_{\varepsilon} = \frac{(-0.148 \,{\rm V})^2}{2} + \frac{(0.056 \,{\rm V})^2}{2}= 0.0125 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm}$$
*Damit ergibt sich für das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis&nbsp; $\rm (SNR)$:
+
*This gives the signal-to-noise power ratio &nbsp; $\rm (SNR)$:
 
:$$\rho_{v} = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }}= \frac{(2.94 \,{\rm V})^2}{0.0125 \,{\rm V}^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 230} = \frac{1}{K^2} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\rho_{v} = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }}= \frac{(2.94 \,{\rm V})^2}{0.0125 \,{\rm V}^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 230} = \frac{1}{K^2} \hspace{0.05cm}.$$
*Würde man dagegen die Amplitudenverfälschung ebenfalls dem Fehlersignal zuweisen, so käme man zu einem deutlich kleineren&nbsp; $\rm SNR$.&nbsp; &nbsp;
+
*If,&nbsp; on the other hand,&nbsp; the amplitude distortion were also assigned to the error signal,&nbsp; we would arrive at a much smaller&nbsp; $\rm SNR$.
*Mit $P_q = A_{\rm N}^2/2 = 8 \ \rm V^2$&nbsp; und&nbsp; $P_{\varepsilon}\hspace{0.02cm}' = \overline{(v(t)-q(t))^2} = {1}/{2}\cdot ( 4 \,{\rm V} - 2.424 \,{\rm V})^2 + P_{\varepsilon}= 1.254 \,{\rm V}^2$&nbsp; würde man dann erhalten:
+
*When&nbsp; $P_q = A_{\rm N}^2/2 = 8 \ \rm V^2$&nbsp; and&nbsp; $P_{\varepsilon}\hspace{0.02cm}' = \overline{(v(t)-q(t))^2} = {1}/{2}\cdot ( 4 \,{\rm V} - 2.424 \,{\rm V})^2 + P_{\varepsilon}= 1.254 \,{\rm V}^2$&nbsp; one would get:
 
:$$\rho_{v }\hspace{0.02cm}' = \frac{8 \,{\rm V}^2}{1.254 \,{\rm V}^2} \approx 6.4\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\rho_{v }\hspace{0.02cm}' = \frac{8 \,{\rm V}^2}{1.254 \,{\rm V}^2} \approx 6.4\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(8)'''&nbsp;  Alle Berechnungen gelten unabhängig von der Nachrichtenfrequenz&nbsp; $f_{\rm N}$, wenn der Dämpfungsfaktor des OSB weiterhin&nbsp; $α_{\rm O} = 0.25$&nbsp; beträgt.  
+
'''(8)'''&nbsp;  All calculations are valid regardless of the message frequency &nbsp; $f_{\rm N}$ if the attenuation factor of the upper sideband remains at &nbsp; $α_{\rm O} = 0.25$&nbsp;.  
*Damit erhält man auch für&nbsp; $f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz$&nbsp; den gleichen Klirrfaktor&nbsp; $K\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}$.
+
*Thus,&nbsp; the same distortion factor &nbsp; $K\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}$&nbsp; is obtained even for &nbsp; $f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz$&nbsp;.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Latest revision as of 16:30, 31 March 2022

Equivalent low-pass signal
in the complex plane

A cosine-shaped source signal  $q(t)$  with amplitude  $A_{\rm N}$  and frequency  $f_{\rm N}$  is double-sideband amplitude modulated.  The modulated signal is given by:

$$ s(t) = \big[ q(t) + A_{\rm T}\big] \cdot \cos(2 \pi \cdot f_{\rm T} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$

The transmission channel exhibits linear distortions:

  • While the lower sideband $($LSB frequency:    $f_{\rm T} - f_{\rm N})$  and the carrier are transmitted undistorted,
  • the upper sideband $($USB frequency:    $f_{\rm T} + f_{\rm N})$  is weighted with the attenuation factor  $α_{\rm O} = 0.25$.


The graph shows the locus curve, i.e.,  the representation of the equivalent low-pass signal  $r_{\rm TP}(t)$  in the complex plane.

Evaluating the signal  $r(t)$  with an ideal envelope demodulator,  we obtain a sink signal $v(t)$,  which can be approximated as follows:

$$v(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t ) -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )-\text{ ...}$$

For this measurement,  the message frequency  $f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz$  was used.

In subtask  (7)  the signal-to-noise power ratio   $\rm (SNR)$  should be calculated as follows:

$$ \rho_{v } = P_{v 1}/P_{\varepsilon } \hspace{0.05cm}.$$

Here,  $P_{v1} = α^2 · P_q$  and  $P_ε$  denote the  "powers"  of both signals:

$$ v_1(t) = 2.424 \,{\rm V} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t )\hspace{0.05cm},$$
$$ \varepsilon(t) = v(t) - v_1(t) \approx -0.148 \,{\rm V} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} \cdot t )+ 0.056 \,{\rm V} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$



Hints:



Questions

1

Give the low-pass signal  $r_{\rm TP}(t)$  in its analytical form.  What value results for time  $t = 0$?

$r_{\rm TP}(t=0) \ = \ $

$\ \rm V$

2

What are the amplitude values  $A_{\rm T}$  and  $A_{\rm N}$?

$A_{\rm T} \ = \ $

$\ \rm V$
$A_{\rm N} \ = \ $

$\ \rm V$

3

Let  $f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.  At which time  $t_1$  is the starting point   (1)  first reached again after  $t = 0$?

$t_1 \ = \ $

$\ \rm ms$

4

At which time  $t_2$  is the elliptical point   (2)  with value  $\rm j · 3\ V$  reached first?

$t_2 \ = \ $

$\ \rm ms$

5

Calculate the magnitude function  (envelope)  $a(t)$  and the phase function  $ϕ(t)$  for this time point  $t_2$.

$a(t = t_2) \ = \ $

$\ \rm V$
$ϕ(t = t_2)\ = \ $

$\ \rm degrees$

6

Calculate the distortion factor  $K$  for  $f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 2 \ \rm kHz}$.

$K \ = \ $

$\ \text{%}$

7

Calculate the signal-to-noise power ratio  $\rm (SNR)$ for  $f_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2 \ \rm kHz}$  according to the given definition.

$ρ_v \ = \ $

8

What distortion factor results from otherwise equal conditions for the message frequency  $f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline{= 4 \ \rm kHz}$?

$K \ = \ $

$\ \text{%}$


Solution

(1)  For a cosine-shaped source signal and attenuation of the upper sideband,  it holds that:

$$ r_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot \alpha_{\rm O} \cdot{\rm e}^{{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot{\rm e}^{-{\rm j} \cdot \hspace{0.03cm}\omega_{\rm N}\cdot t}\hspace{0.05cm}.$$
  • At time   $t = 0$  all vectors point in the direction of the real axis.
  • Thus   $r_{\rm TP}(t = 0)\hspace{0.15cm}\underline { = 15 \ \rm V}$  can be read from the graph on the exercise page.



(2)  The carrier amplitude is defined by the center of the ellipse:   $A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline { = 10 \ \rm V}$.

  • From the equation given in the first subtask,  the amplitude  $A_{\rm N}$  can thus also be calculated:
$$ \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1+ \alpha_0) = r_{\rm TP}(t= 0) - A_{\rm T} = 5 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {= 8 \,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
  • The point marked   (2)  can be used as a check:
$$\frac{A_{\rm N}}{2} \cdot ( 1- \alpha_0) = 3 \,{\rm V}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm N} = 8 \,{\rm V} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  The necessary time for one cycle   $t_1$  is equal to the time period of the source signal:

$$t_1= 1/f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline {=0.5 \ \rm ms}.$$


(4)  Since the lower sideband is larger than the upper sideband,  the peak of the pointer composite moves clockwise around the ellipse.

  • Point  (2)  is first reached at time  $t_2 = 3/4 · t_1\hspace{0.15cm}\underline { = 0.375 \ \rm ms}$.


Calculation of   $t_2$  and  $t_3$

(5)  The pointer length at time   $t_2$  can be determined with the   Pythagorean Theorem :

$$ a(t = t_2) = \sqrt{(10 \,{\rm V})^2 + (3 \,{\rm V})^2}\hspace{0.15cm}\underline { = 10.44 \,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The phase function is:
$$\phi(t = t_2) = {\rm arctan} \frac{3 \,{\rm V}}{10 \,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 16.7^{\circ}}\hspace{0.05cm}.$$
  • The maximum phase  $ϕ_{\rm max}$  is slightly larger. 
  • It occurs (with a positive sign) at time   $t_3 < t_2$  when a straight line from the origin is tangent to the ellipse.
  • By setting up the ellipse equation, this point   $(x_3$,  $y_3)$  can be accurately calculated analytically.
  • From this, the following would hold for the maximum phase:
$$\phi_{\rm max} = {\rm arctan} \ {y_3}/{x_3} \hspace{0.05cm}.$$


(6)  The distortion factors of second and third order can be obtained from the equation given for  $v(t)$  $($valid for $f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz)$:

$$ K_2 = \frac{0.148 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.061, \hspace{0.3cm} K_3 = \frac{0.056 \,{\rm V}}{2.424 \,{\rm V}} = 0.023 \hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  for the total distortion factor we get:
$$K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 }\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}.$$


(7)  From the power of the useful signal and the interference signal,  we obtain:

$$ P_{v 1} = \frac{(2.424 \,{\rm V})^2}{2} = 2.94 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} P_{\varepsilon} = \frac{(-0.148 \,{\rm V})^2}{2} + \frac{(0.056 \,{\rm V})^2}{2}= 0.0125 \,{\rm V}^2\hspace{0.05cm}$$
  • This gives the signal-to-noise power ratio   $\rm (SNR)$:
$$\rho_{v} = \frac{P_{v 1}}{P_{\varepsilon }}= \frac{(2.94 \,{\rm V})^2}{0.0125 \,{\rm V}^2} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 230} = \frac{1}{K^2} \hspace{0.05cm}.$$
  • If,  on the other hand,  the amplitude distortion were also assigned to the error signal,  we would arrive at a much smaller  $\rm SNR$.
  • When  $P_q = A_{\rm N}^2/2 = 8 \ \rm V^2$  and  $P_{\varepsilon}\hspace{0.02cm}' = \overline{(v(t)-q(t))^2} = {1}/{2}\cdot ( 4 \,{\rm V} - 2.424 \,{\rm V})^2 + P_{\varepsilon}= 1.254 \,{\rm V}^2$  one would get:
$$\rho_{v }\hspace{0.02cm}' = \frac{8 \,{\rm V}^2}{1.254 \,{\rm V}^2} \approx 6.4\hspace{0.05cm}.$$


(8)  All calculations are valid regardless of the message frequency   $f_{\rm N}$ if the attenuation factor of the upper sideband remains at   $α_{\rm O} = 0.25$ .

  • Thus,  the same distortion factor   $K\hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.6 \%}$  is obtained even for   $f_{\rm N} = 4 \ \rm kHz$ .