Digital Signal Transmission/Intersymbol Interference for Multi-Level Transmission

1. Digital Signal Transmission
2. Impulsinterferenzen und Entzerrungsverfahren
3. Intersymbol Interference for Multi-Level Transmission

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Augenöffnung bei redundanzfreien Mehrstufensystemen

Wir gehen weiterhin von folgenden Voraussetzungen aus:

• NRZ–Rechteck–Sendeimpulse,
  
• Koaxialkabel und AWGN–Rauschen,
  
• ideale Kanalentzerrung, sowie
  
• ein Gaußtiefpass zur Rauschleistungsbegrenzung.
  
  

Blockschaltbild für ein mehrstufiges/codiertes Übertragungssystem

Im Unterschied zum letzten Kapitel ist das weiterhin redundanzfreie Sendesignal $s(t)$ nun nicht mehr binär, sondern $M$–stufig, was sich nur im Wertevorrat der Amplitudenkoeffizienten auswirkt:

$$s(t) = \sum_{\nu = -\infty}^{+\infty} a_\nu \cdot g_s ( t - \nu \cdot T)\hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm} a_\nu \in \{ a_1, ... , a_\mu , ... , a_{M}\}\hspace{0.05cm}.$$

Dementsprechend besitzt der Entscheider nun nicht mehr nur eine, sondern $M-1$ Entscheiderschwellen und im Augendiagramm sind bei geöffnetem Auge $M-1$ Augenöffnungen erkennbar.

Vergleicht man die Augendiagramme (ohne Rauschen)

• eines binären $(M = 2)$,
  
• eines ternären $(M = 3)$, und
  
• eines quaternären $(M = 4)$

Übertragungssystems bei gleichem vorgegebenen Detektionsgrundimpuls $g_d(t)$ und gleicher Symboldauer $T$, so erhält man für die halbe vertikale Augenöffnung allgemein:

$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ 2} = \frac{g_0}{ M-1} - \sum_{\nu = 1}^{\infty} |g_{-\nu} | - \sum_{\nu = 1}^{\infty} |g_{\nu} |\hspace{0.05cm}.$$

Hierbei bezeichnet $g_0 = g_d(t= 0)$ wie im Kapitel Berücksichtigung von Kanalverzerrungen und Entzerrung den Hauptwert, während die beiden Summen in obiger Gleichung die Vorläufer $g_1$, $g_2$, ... (zweiter Term), und die Nachläufer $g_{-1}$, $g_{-2}$, ... berücksichtigen. Dabei gilt stets $g_\nu = g_d(t = \nu \cdot T)$.

Augenöffnung bei redundanzfreien Mehrstufensystemen (2)

: Nachfolgend sehen Sie drei Augendiagramme für die Stufenzahlen M = 2, M = 3 und M = 4. Das binäre Augendiagramm gilt für einen Gaußtiefpass mit der Grenzfrequenz f_G · T ≈ 0.6. Mit dem Hauptwert g₀ = 0.867 · s₀ und den beiden Ausläufern g_–1 = g₁ = 0.067 · s₀ ergibt sich in diesem Fall für die vertikale Augenöffnung (Rundung auf eine Nachkommastelle):

\[{\ddot{o}(T_{\rm D})}= 2 \cdot (g_0 - 2 \cdot g_1) \approx 1.5 \cdot s_0 \hspace{0.05cm}.\]

Augendiagramme eines binären, ternären und quaternären Systems

Bei den Mehrstufensystemen ist die Augenöffnung per se um den Faktor 1/(M – 1) kleiner. Dadurch wird hier die Augenöffnung durch die (gleich großen) Vor– und Nachläufer (relativ gesehen) stärker verringert als beim Binärsystem. Man erhält bei gleichen Grundimpulswerten für

\[M = 3 : \hspace{0.2cm}{\ddot{o}(T_{\rm D})} = 2 \cdot (g_0/2 - 2 \cdot g_1) \approx 0.6 \cdot s_0 \hspace{0.05cm},\] \[ M = 4 : \hspace{0.2cm}{\ddot{o}(T_{\rm D})} = 2 \cdot (g_0/3 - 2 \cdot g_1) \approx 0.3 \cdot s_0 \hspace{0.05cm}.\]

Anzumerken ist, dass auch für diese beiden Mehrstufensysteme jeweils die normierte Grenzfrequenz f_G · T = 0.6 zugrundeliegt. Bei einem Systemvergleich ist allerdings zu beachten, dass sich durch die größere Stufenzahl auch der Informationsfluss erhöht. Das heißt, dass die Mehrstufensysteme besser sind, als es diese Grafiken aussagen. Mehr darüber auf der nächsten Seite.

Vergleich zwischen Binär– und Quaternärsystem

Der auf der letzten Seite angestellte Vergleich ist nicht fair, da nicht von gleichem Informationsfluss ausgegangen wurde. Ein Systemvergleich bei konstanter äquivalenter Bitrate R_B muss vielmehr auch berücksichtigen, dass bei den (redundanzfreien) Mehrstufensystemen die Symboldauer T um den Faktor ld (M) größer ist als beim Binärsystem, was sich günstig auf die Impulsinterferenzen auswirkt.

Halbe normierte Augenöffung für M = 2, M = 3 und M = 4

Die Grafik zeigt die (auf s₀ normierte) halbe Augenöffnung in Abhängigkeit des Quotienten f_G/R_B des gaußförmigen Empfangsfilters. In der Aufgabe Z3.4 wird diese in analytischer Form wie folgt berechnet:

\[\ddot{o}_{\rm norm} = \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{ 2 \cdot s_0} = \frac{M}{ M-1}\cdot \frac{g_0}{ s_0} -1 =\]

\[ = \frac{1}{ M-1}\cdot \left [1- 2 \cdot M \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot {\rm ld}\hspace{0.1cm}(M) \cdot {f_{\rm G}}/{R_{\rm B}} \right)\right] \hspace{0.05cm}.\]

Man erkennt aus obiger Grafik:

• Bei breitbandigem Filter (das heißt: für großes f_G) ist das Binärsystem den Mehrstufensystemen deutlich überlegen. Die normierte halbe Augenöffnung beträgt im Grenzfall ö_norm = 1 (für M = 2), ö_norm = 1/2 (für M = 3) bzw. ö_norm = 1/3 (für M = 4).
  

• Wie aus obiger Grafik hervorgeht, führt für Grenzfrequenzen f_G/R_B < 0.35 die Stufenzahl M = 4 (rote Kurve) zu einer größeren Augenöffnung als M = 2 (blaue Kurve). Das Ternärsystem (M = 3, violette Kurve) liegt fast im gesamten Bereich zwischen dem Binär– und dem Quaternärsystem.
  

• Besonders erwähnenswert ist, dass sich beim Quaternärsystem erst mit einer Grenzfrequenz f_G/R_B < 0.23 ein geschlossenes Auge ergibt (was zu sehr großen Fehlerwahrscheinlichkeiten führt), während die Binärübertragung bereits für f_G/R_B < 0.27 nicht mehr möglich ist.
  

Vergleich zwischen Binär– und Quaternärsystem (2)

Vergleichen wir nun die optimalen Grenzfrequenzen des Gaußfilters, die sich für M = 2 bzw. M = 4 ergeben. Dem Vergleich liegt ein koaxialer Übertragungskanal mit der charakteristischen Kabeldämpfung a_∗ zugrunde. Je größer dieser Kanalparameter ist (das heißt auch: wie größer die Kabellänge ist), desto stärker wird das Rauschen durch die erforderliche Entzerrung beim Empfänger verstärkt.

Interpretieren wir zunächst die linke Grafik:

• Bei verzerrungsfreiem Kanal (a_∗ = 0 dB) ergeben sich die optimalen Grenzfrequenzen zu 0.8 (für M = 2) bzw. 0.48 (für M = 4) – jeweils normiert auf die äquivalente Bitrate. Entsprechend dem Kurvenverlauf ö(T_D)/(2s₀) auf der letzten Seite ist hier das Binärsystem dem Quaternärsystem deutlich überlegen.
  

• Mit der charakteristischen Kabeldämpfung a_∗ = 80 dB erhält man für das Binärsystem (M = 2) die optimale Grenzfrequenz f_G,opt = 0.33/T. Für das Quaternärsystem (für M = 4) ergibt sich ein kleinerer Wert: f_G,opt = 0.28/T.
  
  

Das optimierte Binärsystem ist aber trotz größerer Augenöffnung nicht immer besser als das optimierte Quaternärsystem, da auch die Rauschleistung zu berücksichtigen ist. Diese wird mit kleiner werdenden Grenzfrequenz ebenfalls kleiner.

Die rechte Grafik zeigt den Störabstandsgewinn des Quaternärsystems gegenüber dem Binärsystem,

\[G_{_{M=4}} = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{_{{\rm U},\hspace{0.05cm} M=4}} - 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{_{{\rm U}, \hspace{0.05cm}M=2}},\]

wenn die Grenzfrequenzen gemäß der linken Grafik jeweils optimal gewählt werden. Demnach gilt:

• Für a_∗ < 50 dB ist das Binärsystem optimal. Beim verzerrungsfreien Kanal (a_∗ = 0 dB) ergibt sich ein um ca. 7 dB größeres SNR als mit M = 4.
  

• Dagegen ergeben sich für a_∗ ≥ 50 dB günstigere Verhältnisse für die Quaternärübertragung. Bei 80 dB Kabeldämpfung ist der Störabstandsgewinn gegenüber M = 2 größer als 3 dB.
  

Augenöffnung bei den Pseudoternärcodes

In Kapitel 2.4 wurden die Pseudoternärcodes allgemein beschrieben und es wurden für diese die Augendiagramme bei Nyquistimpulsformung angegeben. In der Grafik auf dieser Seite sehen Sie die Augendiagramme – jeweils ohne Rauschen – für den AMI–Code (links) und den Duobinärcode (rechts) im Vergleich zum redundanzfreien Binärcode (Mitte). Die Amplitude ist jeweils zu s₀ = 1 normiert.

Augendiagramme der Pseudoternärcodes (AMI–Code, Duobinärcode)

Alle Augendiagramme gelten für ein gaußförmiges Empfangsfilter mit der Grenzfrequenz f_G · T = 0.4, woraus sich folgende (normierte) Grundimpulswerte ergeben:

\[g_{0} \approx 0.68, \hspace{0.2cm} g_{1}= g_{-1} \approx 0.16, \hspace{0.2cm}\hspace{0.2cm} g_{2}= g_{-2}= ... \approx 0 \hspace{0.05cm}.\]

Beim redundanzfreien Binärsystem (mittlere Grafik) erhält man somit für die Augenöffnung

\[{\ddot{o}(T_{\rm D})}= 2 \cdot (g_0 - 2 \cdot g_1 ) = 0.72 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \ddot{o}_{\rm norm} = \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{ 2 \cdot s_0} = 0.36\]

im Vergleich zu ö(T_D) = 2 bzw. ö_norm = 1 beim binären Nyquistsystem.

Da die Pseudoternärcodes mit der gleichen Symbolrate arbeiten wie das redundanzfreie Binärsystem,

• sind die Detektionsgrundimpulswerte g_ν und auch der Rauscheffektivwert σ_d in allen Fällen gleich,
  

• ist die (halbe) Augenöffnung für die Systemoptimierung ebenso geeignet wie das S/N–Verhältnis ρ_U = [ö(T_D)/2]²/σ_d² und die daraus resultierende (ungünstigste) Fehlerwahrscheinlichkeit p_U.
  
  

Die Beschreibung der beiden äußeren Augendiagramme folgt auf der nächsten Seite.

Augenöffnung bei den Pseudoternärcodes (2)

Bei den Pseudoternärcodes sind jeweils zwei Augenöffnungen zu erkennen und man benötigt für die ternäre Entscheidung zwei Schwellenwerte E₁ und E₂.

Interpretieren wir nun das Augendiagramm bei AMI–Codierung:

• Die obere Begrenzung des oberen Auges gehört zur Symbolfolge „ ... , –1, +1, –1, ... ” und liegt demzufolge bei d_oben = g₀ – 2 · g₁.
  

• Die untere Begrenzungslinie d_unten = g₁ geht auf die Symbolfolge „ ... , 0, 0, +1, ... ” bzw. auf die Folge „ ... , +1, 0, 0, ... ” zurück. Hierbei ist berücksichtigt, dass die Folge „ ..., +1, 0, +1, ... ” durch die AMI–Codierregel ausgeschlossen wird.
  

• Damit gilt für die Augenöffnung des AMI–Codes:

\[{\ddot{o}(T_{\rm D})}= d_{\rm oben} - d_{\rm unten} =g_0 - 3 \cdot g_1 = 0.20 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \ddot{o}_{\rm norm} = \frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{ 2 \cdot s_0} = 10\, \%.\]

• Die obere Entscheiderschwelle E₂ sowie die untere Entscheiderschwelle E₁ liegen bei

\[E_2 = {1}/{2} \cdot (d_{\rm oben} + d_{\rm unten}) = {1}/{2} \cdot (g_0 - g_1) = 0.27 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}E_1 = - 0.27 \hspace{0.05cm}.\]

Beim Duobinärcode (rechte Grafik) tritt die besonders ungünstige alternierende Symbolfolge nicht auf und man erhält für die Augenöffung sowie die obere Entscheiderschwelle:

\[d_{\rm oben}= g_0, \hspace{0.2cm} d_{\rm unten} = g_1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\ddot{o}(T_{\rm D})} = g_0 - g_1 = 0.52 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \ddot{o}_{\rm norm} = 26\, \% \hspace{0.05cm},\]

\[E_2 = {1}/{2} \cdot (g_0 + g_1) = 0.42 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}E_1 = - 0.42 \hspace{0.05cm}.\]

Hinweis: Augendiagramm und Augenöffnung bei AMI– und Duobinärcodierung können ebenfalls mit dem Interaktionsmodul Augendiagramm und Augenöffnung angezeigt werden. Die angegebenen Fehlerwahrscheinlichkeiten gelten allerdings nur für den verzerrungsfreien Kanal (a_∗ = 0 dB).

Grenzfrequenzoptimierung bei Pseudoternärcodierung

Unter Berücksichtigung eines koaxialen Übertragungskanals und der damit notwendigen Kanalentzerrung sind folgende Aussagen möglich:

• Der AMI–Code führt stets zu einem schlechteren Störabstand als der redundanzfreie Binärcode, wenn der Gesamtfrequenzgang gaußförmig verläuft. Mit der charakteristischen Kabeldämpfung a_∗ = 80 dB beträgt der Störabstandsverlust ca. 11 dB.
  

• Dieser Verlust ist darauf zurückzuführen, dass trotz ternärer Codierung die Symbolrate gegenüber dem binären Vergleichssystem nicht vermindert wird. Dies hat zur Folge, dass beim AMI–Code bereits eine Grenzfrequenz f_G · T < 0.36 zu einem geschlossenen Auge führt.
  

• Dagegen ergibt sich beim Duobinärcode ein geschlossenes Auge erst ab f_G · T < 0.22. Dadurch ist auch die optimale Grenzfrequenz kleiner als beim redundanzfreien Binärsystem. Bei 80 dB Kabeldämpfung ist der Duobinärcode in Kombination mit f_G · T = 0.28 um 3.3 dB besser.
  

• Allerdings ist zu berücksichtigen: Der AMI–Code ist gleichsignalfrei und kann damit auch über einen Telefonkanal mit H_K(f = 0) = 0 übertragen werden. Dies ist der entscheidende Grund, dass der AMI–Code zum Beispiel bei ISDN (Integrated Services Digital Network) eingesetzt wird.
  

• Alle Ergebnisse in diesem Kapitel gelten jedoch unter der Bedingung H_K(f = 0) = 1. Soll ein redundanzfreies Signal oder das duobinär–codierte Signal über einen gleichsignalundurchlässigen Kanal übertragen werden, so ist eine aufwändige Gleichsignalwiedergewinnung erforderlich, die stets ebenfalls mit einer Degradation des S/N-Verhältnisses verbunden ist Söder, G.; Tröndle, K.: Digitale Übertragungssysteme - Theorie, Optimierung & Dimensionierung der Basisbandsysteme. Berlin – Heidelberg: Springer, 1985.
  
  

Aufgaben

A3.4 Grenzfrequenzoptimierung

Zusatzaufgaben:3.4 Augenöffnung und Stufenzahl

A3.5 Auge bei Pseudoternärcodierung