Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2Z: Puls Code Modulation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Prinzip der Nachrichtenübertragung}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Signal_classification}}
==Z1.1 Pulscodemodulation==
 
  
[[File:P_ID342__Sig_Z_1_2.png|right|]]
 
Alle modernen Nachrichtenübertragungssysteme sind digital. Das Prinzip der digitalen Übertragung von Sprachsignalen geht auf Reeves zurück, der die sogenannte ''Pulscodemodulation'' (PCM) bereits 1938 erfunden hat.
 
  
Rechts sehen Sie das (vereinfachte) Blockschaltbild des PCM-Senders mit den drei Funktionseinheiten:
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[[File:EN_Sig_Z_1_2.png|right|frame|PCM components]]
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All modern communication systems are digital.  The principle of digital transmission of speech signals goes back to  [https://en.wikipedia.org/wiki/Alec_Reeves Alec Reeves],  who invented the so-called  "Puls Code Modulation"  $\rm (PCM)$  as early as 1938.
  
:* Das bandbegrenzte Sprachsignal $\text{q(t)}$ wird abgetastet, wobei das Abtasttheorem zu beachten ist, und ergibt das Signal $q_A(t)$.
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On the right you see the (simplified) block diagram of the PCM transmitter with three functional units:
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*The band-limited speech signal  ${q(t)}$  is sampled, where the  [[Signal_Representation/Time_Discrete_Signal_Representation#The_Sampling_Theorem|Sampling Theorem]]  is observed, and yields the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$.
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* Each sample  $q_{\rm A}(t)$  is mapped to one of  $M = 2^N$  results in the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$.
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* Each individual quantized value is represented by a code sequence of  $N$  binary symbols and results in the coded signal  $q_{\rm C}(t)$.
  
:* Jeder Abtastwert $q_A(t)$ wird auf einen von $M = 2^N$ quantisierten Werten abgebildet; das dazugehörige Signal nennen wir $q_Q(t)$.
 
  
:* Jeder einzelne Quantisierungswert wird durch eine Codefolge von $\text{N}$ Binärsymbolen dargestellt und ergibt das codierte Signal $q_C(t)$.
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In this task only the different signals of the PCM transmitter are to be classified.&nbsp; <br>Later tasks will deal with other properties of the puls code modulation.
  
In dieser Aufgabe sollen nur die verschiedenen Signale des PCM-Senders klassifiziert werden. Spätere Aufgaben behandeln weitere Eigenschaften der Pulscodemodulation.
 
  
<b>Hinweis:</b> Die Aufgabe bezieht sich auf den Lehrstoff von [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Klassifizierung_von_Signalen Klassifizierung von Signalen]
 
  
===Fragebogen===
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''Note:'' &nbsp; This task belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification|Signal classification]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der Aussagen sind für das Quellensignal $\text{q(t)}$ zutreffend?
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{Which of the statements are true for the source signal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
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+ Im Normalbetrieb ist $\text{q(t)}$ ein stochastisches Signal.
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+ In normal operation&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; is a stochastic signal.
+ Ein deterministisches Quellensignal ist nur bei Testbetrieb oder für theoretische Untersuchungen sinnvoll.
+
+ A deterministic source signal is only useful in test operation or for theoretical investigations.
- $\text{q(t)}$ ist ein zeitdiskretes Signal.
+
- ${q(t)}$&nbsp; is a discrete-time signal.
- $\text{q(t)}$ ist ein wertkontinuierliches Signal.
+
+ ${q(t)}$&nbsp; is a continuous-valued signal.
  
  
{Welche der Aussagen treffen für das abgetastete Signal $q_A(t)$ zu?
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{Which of the statements apply to the sampled signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $q_A(t)$ ist ein wertdiskretes Signal.
+
- $q_{\rm A}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal.
+ $q_A(t)$ ist ein zeitdiskretes Signal.
+
+ $q_{\rm A}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
+ Je größer die maximale Frequenz des Nachrichtensignals ist, desto größer muss die Abtastrate gewählt werden.
+
+ The higher the maximum frequency of the source signal, the higher the sampling rate must be selected.
  
  
{Welche Aussagen sind für das quantisierte Signal $q_Q(t)$ zutreffend, wenn $N = 8$ zugrunde gelegt wird?
+
{Which statements are true for the quantized signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; if&nbsp; $N = 8$&nbsp; is taken as a base?
 
|type="[]"}
 
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+ $q_Q(t)$ ist ein zeitdiskretes Signal.
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+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
- $q_Q(t)$ ist wertdiskret mit $M = 8$ möglichen Werten.
+
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal with&nbsp; $M = 8$&nbsp; possible values.
+ $q_Q(t)$ ist wertdiskret mit $M = 256$ möglichen Werten.
+
+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal with&nbsp; $M = 256$&nbsp; possible values.
- $q_Q(t)$ ist ein Binärsignal.
+
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a binary signal.
  
  
{Welche Aussagen sind für das codierte Signal $q_C(t)$ zutreffend, wenn $N = 8$ zugrunde gelegt wird?
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{Which statements are true for the coded signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; if&nbsp; $N = 8$&nbsp; is taken as a base?
 
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+ $q_C(t)$ ist ein zeitdiskretes Signal.
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+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
- $q_C(t)$ ist ein wertdiskretes Signal mit $M = 8$ möglichen Werten.
+
- $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal with&nbsp; $M = 8$&nbsp; possible values.
+ $q_C(t)$ ist ein Binärsignal.
+
+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a binary signal.
- Bei Abtastung im Abstand $T_A$ beträgt die Bitdauer $T_B = T_A$.
+
- When sampling at distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; the bit duration is&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
+ Bei Abtastung im Abstand $T_A$ beträgt die Bitdauer $T_B = T_A/8$.
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+ When sampling at distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; the bit duration is&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.
  
  
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===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
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'''1.'''  Das Quellensignal $\text{q(t)}$ ist analog, also ''wert- und zeitkontinuierlich''. Im Allgemeinen macht es keinen Sinn, ein deterministisches Signal zu Übertragen. Für die mathematische Beschreibung eignet sich allerdings ein deterministisches Quellensignal - wie zum Beispiel ein periodisches Signal - besser als ein Zufallssignal. Deterministische Signale werden auch für den Testbetrieb herangezogen, um erkannte Fehlfunktionen rekonstruieren zu können. Richtig sind also die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 4</u>.
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'''(1)'''&nbsp; Correct are the <u>solutions 1, 2 and 4</u>:
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*The source signal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; is analog, i.e. "continuous in time and value".
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*In general, it makes no sense to transmit a deterministic signal.
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*For the mathematical description, a deterministic source signal &ndash; such as a periodic signal &ndash; is better suited than a random signal.
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*Deterministic signals are also used for testing in order to be able to reconstruct detected errors.
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'''(2)'''&nbsp;  Correct are the <u>solution suggestions 2 and 3</u>:
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*After sampling, the signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp;  is still&nbsp; continuous in value, but now also&nbsp;discrete in time.  
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*The sampling frequency&nbsp; $f_{\rm A}$&nbsp; is given by the so-called&nbsp; "Sampling Theorem".  
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*The greater the maximum frequency&nbsp; $f_{\rm N,\,max}$&nbsp; of the source signal, the greater must&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$&nbsp; be selected.
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'''(3)'''&nbsp;  Correct are the <u>solution suggestions 1 and 3</u>:
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*The quantized signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is  discrete in time and value, where the number of levels are&nbsp; $M = 2^8 = 256$&nbsp;.
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*A binary signal, on the other hand, is a  discrete-valued signal with the level number&nbsp; $M = 2$.  
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'''2.'''  Das Signal $q_A(t)$ nach der Abtastung ist weiterhin ''wertkontinuierlich'', aber nun ''zeitdiskret''. Die Abtastfrequenz $f_A$ ist dabei durch das so genannte ''Abtasttheorem'' vorgegeben. Je größer die maximale Frequenz $f_\text{N,max}$ des Nachrichtensignals ist, desto größer muss $f_A$ gewählt werden ($f_A$ ≥ $2 \cdot f_\text{N,max}$). Richtig sind also die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>.
 
  
'''3.'''  Das quantisierte Signal $q_Q(t)$ ist zeit- und wertdiskret, wobei die Stufenzahl $M = 2^8 = 256$ beträgt. Ein Binärsignal ist dagegen ein wertdiskretes Signal mit der Stufenzahl $M = 2$. Richtig sind also die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>.
 
  
'''4.'''  Das codierte Signal $q_C(t)$ ist ein Binärsignal (Stufenzahl $M = 2$) mit der Bitdauer $T_B = T_A/8$. Richtig sind hier die <u>Lösungsvorschläge 1, 3 und 5</u>.
+
'''(4)'''&nbsp; Correct are the <u>solutions 1, 3 and 5</u>:
 +
*The coded signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is binary&nbsp; $($level number&nbsp; $M = 2)$&nbsp; with bit duration&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^1. Grundbegriffe der Nachrichtentechnik^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^1.2 Signal Classification^]]

Latest revision as of 09:42, 11 October 2021


PCM components

All modern communication systems are digital.  The principle of digital transmission of speech signals goes back to  Alec Reeves,  who invented the so-called  "Puls Code Modulation"  $\rm (PCM)$  as early as 1938.

On the right you see the (simplified) block diagram of the PCM transmitter with three functional units:

  • The band-limited speech signal  ${q(t)}$  is sampled, where the  Sampling Theorem  is observed, and yields the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$.
  • Each sample  $q_{\rm A}(t)$  is mapped to one of  $M = 2^N$  results in the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$.
  • Each individual quantized value is represented by a code sequence of  $N$  binary symbols and results in the coded signal  $q_{\rm C}(t)$.


In this task only the different signals of the PCM transmitter are to be classified. 
Later tasks will deal with other properties of the puls code modulation.




Note:   This task belongs to the chapter  Signal classification.


Questions

1

Which of the statements are true for the source signal  ${q(t)}$ ?

In normal operation  ${q(t)}$  is a stochastic signal.
A deterministic source signal is only useful in test operation or for theoretical investigations.
${q(t)}$  is a discrete-time signal.
${q(t)}$  is a continuous-valued signal.

2

Which of the statements apply to the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$ ?

$q_{\rm A}(t)$  is a discrete-valued signal.
$q_{\rm A}(t)$  is a discrete-time signal.
The higher the maximum frequency of the source signal, the higher the sampling rate must be selected.

3

Which statements are true for the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$  if  $N = 8$  is taken as a base?

$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-time signal.
$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-valued signal with  $M = 8$  possible values.
$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-valued signal with  $M = 256$  possible values.
$q_{\rm Q}(t)$  is a binary signal.

4

Which statements are true for the coded signal  $q_{\rm C}(t)$  if  $N = 8$  is taken as a base?

$q_{\rm C}(t)$  is a discrete-time signal.
$q_{\rm C}(t)$  is a discrete-time signal with  $M = 8$  possible values.
$q_{\rm C}(t)$  is a binary signal.
When sampling at distance  $T_{\rm A}$  the bit duration is  $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
When sampling at distance  $T_{\rm A}$  the bit duration is  $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.


Solution

(1)  Correct are the solutions 1, 2 and 4:

  • The source signal  ${q(t)}$  is analog, i.e. "continuous in time and value".
  • In general, it makes no sense to transmit a deterministic signal.
  • For the mathematical description, a deterministic source signal – such as a periodic signal – is better suited than a random signal.
  • Deterministic signals are also used for testing in order to be able to reconstruct detected errors.


(2)  Correct are the solution suggestions 2 and 3:

  • After sampling, the signal  $q_{\rm A}(t)$  is still  continuous in value, but now also discrete in time.
  • The sampling frequency  $f_{\rm A}$  is given by the so-called  "Sampling Theorem".
  • The greater the maximum frequency  $f_{\rm N,\,max}$  of the source signal, the greater must  $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$  be selected.


(3)  Correct are the solution suggestions 1 and 3:

  • The quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$  is discrete in time and value, where the number of levels are  $M = 2^8 = 256$ .
  • A binary signal, on the other hand, is a discrete-valued signal with the level number  $M = 2$.



(4)  Correct are the solutions 1, 3 and 5:

  • The coded signal  $q_{\rm C}(t)$  is binary  $($level number  $M = 2)$  with bit duration  $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.