Aufgaben:Exercise 5.8: Equalization in Matrix Vector Notation: Difference between revisions

Revision as of 16:07, 7 August 2017

Wir betrachten die in der Grafik hinterlegten Blöcke eines OFDM–Systems, wobei wir von einem System mit $N = 4$ Trägern und einem Kanal mit $L = 2$ Echos ausgehen.

Es wird nur ein einziger Rahmen betrachtet und für den Sendevektor (im Zeitbereich) gelte:

$${\rm\bf{d}} = (d_0, d_1,d_2,d_3 ) = (+1, -1, +1, -1 ).$$

Die Kanalimpulsantwort sei beschrieben durch

$${\rm\bf{h}} = (h_0, h_1,h_2 ) = (0, 0.6, 0.4 ).$$

Zur Repräsentation des zyklischen Präfixes verwenden wir in dieser Aufgabe statt des erweiterten Sendevektors mit der zugehörigen Übertragungsmatrix $H_{ext}$ die zyklische Übertragungsmatrix

$${\rm\bf{H}}_{\rm{C}} = \left( {\begin{array}{*{20}c} {h_0 } & {h_1 } & {h_2 } & {} \\ {} & {h_0 } & {h_1 } & {h_2 } \\ \hline {h_2 } & {} & {h_0 } & {h_1 } \\ {h_1 } & {h_2 } & {} & {h_0 } \\ \end{array}} \right).$$

Für die Spektralkoeffizienten am Empfänger gelte nach der Diskreten Fouriertransformation (DFT):

$${\rm\bf{R}} = {\rm\bf{D}} \cdot \left( {\begin{array}{*{20}c} {H_0 } & {} & {} & {} \\ {} & {H_1 } & {} & {} \\ {} & {} & {H_2 } & {} \\ {} & {} & {} & {H_3 } \\ \end{array}} \right) ,$$

wobei die Diagonalelemente wie folgt zu berechnen sind:

$$H_\mu = \sum\limits_{l = 0}^2 {h_l \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}2\pi }} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm} l \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm} {\mu }/{4}} } .$$

Die Entzerrung am Empfänger erfolgt durch Multiplikation im Frequenzbereich mit den Koeffizienten $ e_\mu = {1}/{H_\mu }.$

Hinweise:

Die Aufgabe gehört zum Kapitel Realisierung von OFDM-Systemen.
Bezug genommen wird auch auf das Kapitel Diskrete Fouriertransformation im Buch „Signaldarstellung”.
Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
Für die Diskrete Fouriertransformation (DFT) gilt in Matrix–Vektor–Notation:

$${\rm\bf{F}} = \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & {} & {} & {} \\ \vdots & {} & {{\rm{e}}^{ - {\rm{j2\pi }}{\kern 1pt} \nu {\kern 1pt} \mu /N} } & {} \\ 1 & {} & {} & {} \\ \end{array}} \right), \qquad {\rm{DFT\; mit}} \; {1}/{N} \cdot {\rm\bf{F}}; \qquad {\rm{IDFT \; mit}} \; {\rm\bf{F}}^*.$$

Fragebogen

${\rm Re}[r_0] \ = \ $

${\rm Im}[r_0] \ = \ $

${\rm Re}[r_1] \ = \ $

${\rm Im}[r_0] \ = \ $

${\rm Re}[D_2] \ = \ $

${\rm Im}[D_2] \ = \ $

${\rm Re}[D_3] \ = \ $

${\rm Im}[D_3] \ = \ $

${\rm Re}[R_2] \ = \ $

{\rm Im}[R_2] \ = \ $

{\rm Re}[R_3] \ = \ $

{\rm Im}[R_2] \ = \ $

${\rm Re}[e_0] \ = \ $

${\rm Im}[e_0] \ = \ $

${\rm Re}[e_1] \ = \ $

${\rm Im}[e_1] \ = \ $

${\rm Re}[e_2] \ = \ $

${\rm Im}[e_2] \ = \ $

${\rm Re}[e_3] \ = \ $ {-0.78--0.76 }

${\rm Im}[e_3] \ = \ $

	Als „Zero Forcing”–Ansatz,
	als „Matched Filter”–Ansatz,
	als „Minimum Mean Square Error (MMSE)”–Ansatz.

Musterlösung

Solution

1. Die diskreten Zeitbereichswerte am Empfänger berechnen sich mit der zyklischen Übertragungsmatrix $H_C$ wie folgt: $${\rm\bf{r}} = {\rm\bf{d}} \cdot {\rm\bf{H_C}} = \left( {+1 ,-1 ,+1 ,-1 } \right) \cdot \left( {\begin{array}{*{20}c} {0 } & {0.6 } & {0.4 } & {} \\ {} & {0 } & {0.6 } & {0.4 } \\ \hline {0.4 } & {} & {0 } & {0.6 } \\ {0.6 } & {0.4 } & {} & {0 } \\ \end{array}} \right)$$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm\bf{r}} = \left( {r_0 ,r_1 ,r_2 ,r_3 } \right) = \left( {-0.2, +0.2,-0.2, +0.2} \right) .$$ Damit sind alle Empfangswerte r₀ = –0.2, r₁ = +0.2, r₂ = –0.2 und r₃ = +0.2 rein reell.

2. Die Spektralkoeffizienten D ergeben sich direkt aus der Diskreten Fouriertransformation (DFT) der Zeitbereichskoeffizienten d = (+1, –1, +1, –1). Diese Zeitbereichsfolge entspricht einer diskreten Cosinusfunktion mit der doppelten Grundfrequnz (2 · f₀) und der Amplitude 1. Daraus folgt: $${\rm\bf{D}} = \left( {D_0 ,D_1 ,D_2 ,D_3 } \right) \hspace{0.15cm} \underline{=\left( {0, 0,1, 0} \right)} .$$

3. Der Vektor R der Spektralkoeffizienten nach dem Kanal könnte analog zur Teilaufgabe b) durch die DFT des Vektors r berechnet werden. Ein alternativer Lösungsweg lautet: $${\rm\bf{R}} = {\rm\bf{D}} \cdot \left( {\begin{array}{*{20}c}

  {H_0 } & {} & {} & {}  \\
  {} & {H_1 } & {} & {}  \\
  {} & {} & {H_2 } & {}  \\
  {} & {} & {} & {H_3 }  \\

\end{array}} \right) .$$ Für die Diagonalelemente erhält man: $$H_\mu = \sum\limits_{l = 0}^2 {h_l \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}2\pi }} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm} l \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}{\mu }/{4}} }$$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm} H_0 = 1,\hspace{0.1cm}H_1 = -0.4 - {\rm{j}} \cdot 0.6,\hspace{0.1cm}H_2 = -0.2,\hspace{0.1cm}H_3 = -0.4 + {\rm{j}} \cdot 0.6 $$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm\bf{R}} = \left( {R_0 ,R_1 ,R_2 ,R_3 } \right) \hspace{0.15cm} \underline{= \left( {\hspace{0.15cm}0,\hspace{0.15cm}0,-0.2, \hspace{0.15cm}0} \right)} .$$

4. Die Entzerrerkoeffizienten ergeben sich zu e_μ = 1/H_μ. Mit dem Ergebnis zu Teilaufgabe c) sind die Koeffizienten e₀ = 1 und e₂ = –5 reell, während für μ = 1, μ = 3 gilt: $$e_1 = \frac {1}{-0.4 - {\rm{j}} \cdot 0.6}$$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm{Re}}[e_1] = \frac {-0.4}{0.4^2 + 0.6^2}\hspace{0.15cm} \underline{ \approx -0.77},\hspace{0.3cm} {\rm{Im}}[e_1] = \frac {0.6}{0.4^2 + 0.6^2} \hspace{0.15cm} \underline{\approx 1.15},$$ $$e_3 = \frac {1}{-0.4 + {\rm{j}} \cdot 0.6}$$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm{Re}}[e_3] = \frac {-0.4}{0.4^2 + 0.6^2}\hspace{0.15cm} \underline{ \approx -0.77},\hspace{0.3cm} {\rm{Im}}[e_3] = \frac {-0.6}{0.4^2 + 0.6^2} \hspace{0.15cm} \underline{\approx -1.15}.$$ 5. Die unter d) berechnete Entzerrung folgt dem „Zero Forcing”–Ansatz.

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 }}
-[[File:P_ID1663__A_5_8.png|right|]]
+[[File:P_ID1663__A_5_8.png|right|frame|Blockschaltbild der OFDM-Übertragung]]
-Wir betrachten die in der Grafik hinterlegten Blöcke eines OFDM–Systems, wobei wir von einem System mit N = 4 Trägern und einem Kanal mit L = 2 Echos ausgehen. Es wird nur ein einziger Rahmen betrachtet und für den Sendevektor (im Zeitbereich) gelte:
+Wir betrachten die in der Grafik hinterlegten Blöcke eines OFDM–Systems, wobei wir von einem System mit $N = 4$ Trägern und einem Kanal mit $L = 2$ Echos ausgehen.
-$${\rm\bf{d}} = (d_0, d_1,d_2,d_3 ) = (+1, -1, +1, -1 ).$$
+*Es wird nur ein einziger Rahmen betrachtet und für den Sendevektor (im Zeitbereich) gelte:
-Die Kanalimpulsantwort sei beschrieben durch
+:$${\rm\bf{d}} = (d_0, d_1,d_2,d_3 ) = (+1, -1, +1, -1 ).$$
-$${\rm\bf{h}} = (h_0, h_1,h_2 ) = (0, 0.6, 0.4 ).$$
+*Die Kanalimpulsantwort sei beschrieben durch
-Zur Repräsentation des zyklischen Präfixes verwenden wir in dieser Aufgabe statt des erweiterten Sendevektors mit der zugehörigen Übertragungsmatrix $H_{ext}$ die zyklische Übertragungsmatrix
+:$${\rm\bf{h}} = (h_0, h_1,h_2 ) = (0, 0.6, 0.4 ).$$
-$${\rm\bf{H}}_{\rm{C}} = \left( {\begin{array}{*{20}c} {h_0 } & {h_1 } & {h_2 } & {} \\ {} & {h_0 } & {h_1 } & {h_2 } \\ \hline {h_2 } & {} & {h_0 } & {h_1 } \\ {h_1 } & {h_2 } & {} & {h_0 } \\ \end{array}} \right).$$
+*Zur Repräsentation des zyklischen Präfixes verwenden wir in dieser Aufgabe statt des erweiterten Sendevektors mit der zugehörigen Übertragungsmatrix $H_{ext}$ die zyklische Übertragungsmatrix
-Für die Spektralkoeffizienten am Empfänger gelte nach der Diskreten Fouriertransformation (DFT):
+:$${\rm\bf{H}}_{\rm{C}} = \left( {\begin{array}{*{20}c} {h_0 } & {h_1 } & {h_2 } & {} \\ {} & {h_0 } & {h_1 } & {h_2 } \\ \hline {h_2 } & {} & {h_0 } & {h_1 } \\ {h_1 } & {h_2 } & {} & {h_0 } \\ \end{array}} \right).$$
-$${\rm\bf{R}} = {\rm\bf{D}} \cdot \left( {\begin{array}{*{20}c} {H_0 } & {} & {} & {} \\ {} & {H_1 } & {} & {} \\ {} & {} & {H_2 } & {} \\ {} & {} & {} & {H_3 } \\ \end{array}} \right) ,$$
+*Für die Spektralkoeffizienten am Empfänger gelte nach der Diskreten Fouriertransformation (DFT):
-wobei die Diagonalelemente wie folgt zu berechnen sind:
+:$${\rm\bf{R}} = {\rm\bf{D}} \cdot \left( {\begin{array}{*{20}c} {H_0 } & {} & {} & {} \\ {} & {H_1 } & {} & {} \\ {} & {} & {H_2 } & {} \\ {} & {} & {} & {H_3 } \\ \end{array}} \right) ,$$
-$$H_\mu = \sum\limits_{l = 0}^2 {h_l \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}2\pi }} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm} l \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm} {\mu }/{4}} } .$$
+:wobei die Diagonalelemente wie folgt zu berechnen sind:
-Die Entzerrung am Empfänger erfolgt durch Multiplikation im Frequenzbereich mit den Koeffizienten
+:$$H_\mu = \sum\limits_{l = 0}^2 {h_l \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}2\pi }} \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm} l \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm} {\mu }/{4}} } .$$
-$$ e_\mu = {1}/{H_\mu }.$$
+*Die Entzerrung am Empfänger erfolgt durch Multiplikation im Frequenzbereich mit den Koeffizienten $ e_\mu = {1}/{H_\mu }.$
-'''Hinweis:''' Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Realisierung_von_OFDM-Systemen Kapitel 5.6] dieses Buches sowie auf das [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Diskrete_Fouriertransformation_(DFT) Kapitel 5.2] im Buch „Signaldarstellung”. Für die Diskrete Fouriertransformation (DFT) gilt in Matrix–Vektor–Notation:
-$${\rm\bf{F}} = \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & {} & {} & {} \\ \vdots & {} & {{\rm{e}}^{ - {\rm{j2\pi }}{\kern 1pt} \nu {\kern 1pt} \mu /N} } & {} \\ 1 & {} & {} & {} \\ \end{array}} \right), \qquad {\rm{DFT\; mit}} \; {1}/{N} \cdot {\rm\bf{F}}; \qquad {\rm{IDFT \; mit}} \; {\rm\bf{F}}^*.$$
+''Hinweise:''
+*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Realisierung_von_OFDM-Systemen|Realisierung von OFDM-Systemen]].
+*Bezug genommen wird auch  auf das Kapitel  [[Signaldarstellung/Diskrete_Fouriertransformation_(DFT)|Diskrete Fouriertransformation]] im Buch „Signaldarstellung”.
+*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
+*Für die Diskrete Fouriertransformation (DFT) gilt in Matrix–Vektor–Notation:
+:$${\rm\bf{F}} = \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & {} & {} & {} \\ \vdots & {} & {{\rm{e}}^{ - {\rm{j2\pi }}{\kern 1pt} \nu {\kern 1pt} \mu /N} } & {} \\ 1 & {} & {} & {} \\ \end{array}} \right), \qquad {\rm{DFT\; mit}} \; {1}/{N} \cdot {\rm\bf{F}}; \qquad {\rm{IDFT \; mit}} \; {\rm\bf{F}}^*.$$
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 <quiz display=simple>
-{Berechnen Sie die diskreten Empfangsswerte $r = (r_0, r_1, r_2, r_3)$ im Zeitbereich. Geben Sie zur Kontrolle $r_0$ und $r_1$ ein:
+{Berechnen Sie die diskreten Empfangswerte $r = (r_0, r_1, r_2, r_3)$ im Zeitbereich. Geben Sie zur Kontrolle $r_0$ und $r_1$ ein:
 |type="{}"}
-Re{$r_0$} = { -0.2 3% }
+${\rm Re}[r_0] \ = \ $ { -0.202--1.98 }
-Im{$r_0$} = { 0 3% }
+${\rm Im}[r_0] \ = \ $ { 0. }
-Re{$r_1$} = { 0.2 3% }
+${\rm Re}[r_1] \ = \ $ { 0.2 1% }
-Im{$r_1$} = { 0 3% }
+${\rm Im}[r_0] \ = \ $ { 0. }
-{Wie lauten die diskreten Spektralbereichskoeffizienten <b>D</b> = (<i>D</i><sub>0</sub>, <i>D</i><sub>1</sub>, <i>D</i><sub>2</sub>, <i>D</i><sub>3</sub>) am Sender?  Geben Sie zur Kontrolle <i>D</i><sub>2</sub> und <i>D</i><sub>3</sub> ein:
+{Wie lauten die diskreten Spektralbereichskoeffizienten ${\rm\bf{D}}= (D_0, D_1, D_2, D_3)$ am Sender?  Geben Sie zur Kontrolle $D_2$ und $D_3$ ein.
 |type="{}"}
-Re{$D_2$}= { 1 3% }
+${\rm Re}[D_2] \ = \ $ { 1 3% }
-Im{$D_2$} = { 0 3% }
+${\rm Im}[D_2] \ = \ $ { 0. }
-Re{$D_3$}= { 0 3% }
+${\rm Re}[D_3] \ = \ $ { 0. }
-Im{$D_3$} = { 0 3% }
+${\rm Im}[D_3] \ = \ $ { 0. }
-{Berechnen Sie die diskreten Spektralkoeffizienten <b>R</b> = (<i>R</i><sub>0</sub>, <i>R</i><sub>1</sub>, <i>R</i><sub>2</sub>, <i>R</i><sub>3</sub>) nach dem Kanal. Geben Sie zur Kontrolle <i>R</i><sub>2</sub> und <i>R</i><sub>3</sub> ein:
+{Berechnen Sie die diskreten Spektralkoeffizienten ${\rm\bf{R}}= (R_0, R_1, R_2, R_3)$ nach dem Kanal. Geben Sie zur Kontrolle $R_2$ und $R_3$ ein:
 |type="{}"}
-Re{$R_2$} =  { -0.2 3% }
+${\rm Re}[R_2] \ = \ $   { -0.202--0.198 }
-Im{$R_2$} = { 0 3% }
+{\rm Im}[R_2] \ = \ $ { 0. }
-Re{$R_3$} =  { 0 3% }
+{\rm Re}[R_3] \ = \ $  { 0. }
-Im{$R_3$} = { 0 3% }
+{\rm Im}[R_2] \ = \ $ { 0. }
-{ Bestimmen Sie die diskreten Entzerrerkoeffizienten <b>e</b> = (<i>e</i><sub>0</sub>, <i>e</i><sub>1</sub>, <i>e</i><sub>2</sub>, <i>e</i><sub>3</sub>):
+{ Bestimmen Sie die diskreten Entzerrerkoeffizienten ${\rm\bf{e}}= (e_0, e_1, e_2, e_3)$:
 |type="{}"}
-Re{$e_0$} = { 1 3% }
+${\rm Re}[e_0] \ = \ $ { 1 1% }
-Im{$e_0$}  = { 0 3% }
+${\rm Im}[e_0] \ = \ $ { 0. }
-Re{$e_1$} = { -0.77 3% }
+${\rm Re}[e_1] \ = \ $ { -0.78--0.76 }
-Im{$e_1$}  = { 1.15 3% }
+${\rm Im}[e_1] \ = \ ${ 1.15 1% }
-Re{$e_2$} = { -5 3% }
+${\rm Re}[e_2] \ = \ $ { -5.05--4.95 }
-Im{$e_2$}  = { 0 3% }
+${\rm Im}[e_2] \ = \ $ { 0. }
-Re{$e_3$} = { -0.77 3% }
+${\rm Re}[e_3] \ = \ $ {-0.78--0.76 }
-Im{$e_3$}  = { -1.15 3% }
+${\rm Im}[e_3] \ = \ $ { -1.16--1.14 }
 {Wie bezeichnet man den verwendeten Entzerrungsansatz?
 |type="[]"}
-+ als „Zero Forcing”–Ansatz,
++ Als „Zero Forcing”–Ansatz,
 - als „Matched Filter”–Ansatz,
 - als „Minimum Mean Square Error (MMSE)”–Ansatz.