Aufgaben:Exercise 2.6Z: Signal-to-Noise Ratio

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Verschiedene Leistungsdichtespektren

Wir gehen von folgenden Voraussetzungen aus:

• ein cosinusförmiges Quellensignal:

$$ q(t) = 4 \,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} \cdot t )\hspace{0.05cm},$$

• ZSB–AM durch Multiplikation mit

$$z(t) = 1 \cdot \cos(2 \pi \cdot 20\,{\rm kHz} \cdot t )\hspace{0.05cm},$$

• eine frequenzunabhängige Dämpfung auf dem Kanal entsprechend $α_{\ rm K} = 10^{–4}$,
• additives weißes Eingangsrauschen mit Rauschleistungsdichte $N_0 = 4 · 10^{–19} \ \rm W/Hz$,
• phasen– und frequenzsynchrone Demodulation durch Multiplikation mit gleichem $z(t)$ wie oben,
• ein rechteckförmiger Tiefpass beim Synchrondemodulator mit Grenzfrequenz $f_{\rm E} = 5 \ \rm kHz$.

In der Grafik sind diese Vorgaben im Spektralbereich dargestellt. Ausdrücklich soll erwähnt werden, dass das Leistungsdichtespektrum ${\it Φ}_z(f)$ der Cosinusschwingung $z(t)$ ebenso wie das Amplitudenspektrum $Z(f)$ sich aus zwei Diraclinien bei $±f_{\rm T}$ zusammensetzt, aber mit dem Gewicht $A^2/4$ anstelle von $A/2$. Die Amplitude ist bei dieser Aufgabe $A=1$ zu setzen.

Das Sinkensignal $υ(t)$ setzt sich aus dem Nutzanteil $α · q(t)$ und dem Rauschanteil $ε(t)$ zusammen. Somit gilt allgemein für das zu bestimmende Signal–zu–Rausch–Leistungsverhältnis:

$$ \rho_{v } = \frac{\alpha^2 \cdot P_q}{P_\varepsilon}\hspace{0.05cm}.$$

Dieses wichtige Qualitätskriterium wird häufig mit SNR (englisch: Signal–to–Noise–Ratio) abgekürzt.

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel Synchrondemodulation.
• Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten Berechnung der Rauschleistung sowie Zusammenhang zwischen P_q und P_S.
• Beachten Sie bitte auch, dass die Größen $α$ und $α_{\ rm K}$ nicht unbedingt gleich sein müssen.
• Alle Leistungen mit Ausnahme der Teilaufgabe (1) beziehen sich auf den Widerstand $50 \ \rm Ω$.
• $P_q$ gibt bei „ZSB–AM ohne Träger” gleichzeitig die Sendeleistung $P_{\ rm S}$ an.
• Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.

Fragebogen

1 Berechnen Sie die Sendeleistung, bezogen auf den Einheitswiderstand $1 \ \rm Ω$.

$P_q \ = \ $ $\ \rm V^2$

2 Wie groß ist die Leistung $P_q$ in „W” für den Widerstand $R = 50 \ \rm Ω$ in in „Watt”?

$P_q \ = \ $ $\ \rm W$

3 Welcher Dämpfungsfaktor $α$ergibt sich für das Gesamtsystem?

$α \ = \ $ $\ \cdot 10^{-4}$

4 Berechnen Sie die Leistungsdichte der Rauschkomponente $ε(t)$ am Ausgang. Wie groß ist der Wert bei $f = 0$? Es gelte $H_E(f = 0) = 1$.

${\it Φ}_ε(f = 0) \ = \ $ $\ \cdot 10^{-19} \ \rm W/Hz$

5 Wie groß ist die Rauschleistung im Sinkensignal?

$P_ε \ = \ $ $\ \cdot 10^{-15} \ \rm W$

6 Wie groß ist das Signal–zu–Rausch–Leistungsverhältnis (SNR) an der Sinke? Welcher db–Wert ergibt sich daraus?

$ρ_v \ = \ $

$10 · \lg ρ_v \ = \ $ $\ \rm dB$

Musterlösung

Solution

1.Das Leistungsdichtespektrum eines Cosinussignals mit der Amplitude A besteht aus zwei Diraclinien, jeweils mit Gewicht $A^2/4$. Die Leistung ergibt sich aus dem Integral über das LDS und ist somit gleich der Summe der beiden Diracgewichte. Mit $A = 4 V$ erhält man somit für die Leistung des Quellensignals: $$ P_q = \frac{A^2}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 8\,{\rm V^2}} \hspace{0.05cm}.$$ Beim Modulationsverfahren „ZSB-AM ohne Träger” ist dies gleichzeitig die auf den Einheitswiderstand 1 Ω bezogene Sendeleistung.

2. Nach den elementaren Gesetzen der Elektrotechnik gilt: $$P_q = \frac{8\,{\rm V^2}}{50\,{\Omega}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.16\,{\rm W}} \hspace{0.05cm}.$$

3. Im Theorieteil wird gezeigt, dass bei idealen Voraussetzungen $υ(t) = q(t)$ gilt. Wegen der Amplitude 1 des empfängerseitigen Trägersignals (anstelle von 2) gilt hier $υ(t) = q(t)/2$. Berücksichtigt man weiter die Kanaldämpfung $α_K = 10^–4$, so erhält man das Ergebnis $α = 0.5 · 10^–4$.

4.Das Leistungsdichtespektrum (LDS) des Produktes $n(t) · z(t)$ ergibt sich aus der Faltung der beiden Leistungsdichtespektren von $n(t)$ und $z(t)$: $$ {\it \Phi}_\varepsilon '(f) = {\it \Phi}_n (f) \star {\it \Phi}_{z }(f)= \frac{N_0}{2} \star \left[\delta(f - f_{\rm T}) + \delta(f + f_{\rm T}) \right]= N_0 \hspace{0.05cm}.$$ Für das Leistungsdichtespektrum des Signals ε(t) nach dem Tiefpass erhält man eine Rechteckform mit dem gleichen Wert bei $f = 0$: $${\it \Phi}_\varepsilon (f) = {\it \Phi}_\varepsilon '(f) \cdot |H_{\rm E}(f)|^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\it \Phi}_\varepsilon (f=0)= N_0\hspace{0.15cm}\underline {= 4 \cdot 10^{-19}\,{\rm W/Hz}} \hspace{0.05cm}.$$

5.Die Rauschleistung ist das Integral über die Rauschleistungsdichte: $$ P_{\varepsilon} = \int\limits_{-f_{\rm E}}^{ + f_{\rm E}} {{\it \Phi}_\varepsilon (f)}\hspace{0.1cm}{\rm d}f = N_0 \cdot 2 f_{\rm E} = 4 \cdot 10^{-19}\,\frac{ W}{ Hz} \cdot 10^{4}\,{\rm Hz} \hspace{0.15cm}\underline {= 4 \cdot 10^{-15}\,{\rm W}}\hspace{0.05cm}.$$

6. Aus den Ergebnissen der Teilaufgaben b), c) und e) folgt: $$\rho_{v } = \frac{\alpha^2 \cdot P_q}{P_\varepsilon} = \frac{(0.5 \cdot 10^{-4})^2 \cdot 0.16\,{\rm W}}{4 \cdot 10^{-15}\,{\rm W}} \hspace{0.15cm}\underline {= 10^{5}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \hspace{0.15cm}\underline {= 50\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$