Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.6: Free Space Attenuation"

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{ Welche Leistung wird im Abstand &nbsp;$d = 10 \ \rm km$&nbsp; vom Sender empfangen, wenn nur der Träger abgestrahlt wird &nbsp;$(m = 0)$?
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{ What power is received at a distance &nbsp;$d = 10 \ \rm km$&nbsp; from the transmitter when only the carrier is transmitted &nbsp;$(m = 0)$?
 
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$P_{\rm E} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm mW$
 
$P_{\rm E} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm mW$
  
{ In welcher Entfernung &nbsp;$d$&nbsp; vom Sender befindet sich der Empfänger, wenn die empfangene Leistung &nbsp;$P_{\rm E} = 100 \ \rm &micro; W$ beträgt??
+
{ At what distance &nbsp;$d$&nbsp; from the transmitter is the receiver located when the received power is &nbsp;$P_{\rm E} = 100 \ \rm &micro; W$??
 
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$d \ = \ $ { 31.6 3% } $\ \rm km$
 
$d \ = \ $ { 31.6 3% } $\ \rm km$
  
{Welches Sinken–SNR ergibt sich bei der unter&nbsp; '''(2)'''&nbsp; berechneten Distanz &nbsp;$d$, wenn der Modulationsgrad &nbsp;$m = 0.5$&nbsp; beträgt?
+
{Which sink SNR results from the distance &nbsp;$d$ calculated in subtask&nbsp; '''(2)'''&nbsp; when the modulation depth is &nbsp;$m = 0.5$&nbsp;?
 
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$10 · \lg ρ_v \ = \ $  { 51.5 3% } $\ \text{dB}$
 
$10 · \lg ρ_v \ = \ $  { 51.5 3% } $\ \text{dB}$
  
{Wie groß muss der Modulationsgrad &nbsp;$m$&nbsp; mindestens gewählt werden, damit sich ein Sinken–Störabstand von &nbsp;$60  \ \rm dB$&nbsp; ergibt?
+
{What is the minimum modulation depth &nbsp;$m$&nbsp; that can be chosen for a resulting sink-to-noise ratio of &nbsp;$60  \ \rm dB$&nbsp;?
 
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$m_{\min} \ = \ $ { 2.83 5% }   
 
$m_{\min} \ = \ $ { 2.83 5% }   
  
{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
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{Which of the following statements are true?
 
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|type="[]"}
+ ZSB–AM mit Träger macht aus energetischen Gründen keinen Sinn, wenn ein Synchrondemodulator verwendet wird.
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+ DSB–AM with carrier does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
- ZSB–AM ohne Träger macht aus energetischen Gründen keinen Sinn, wenn ein Synchrondemodulator verwendet wird.
+
- DSB–AM without carrier does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
+ Ein kleiner Trägeranteil kann für die erforderliche Frequenz– und Phasensynchronisation hilfreich sein.
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+ A small carrier component can be helpful for the required frequency and phase synchronization.
  
 
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===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Entsprechend der Gleichung für die Freiraumdämpfung gilt mit&nbsp; $d = 10\ \rm  km$&nbsp; und&nbsp; $f_{\rm T} = 20 \ \rm  MHz$:
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'''(1)'''&nbsp; According to the equation for free space attenuation, when &nbsp; $d = 10\ \rm  km$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm T} = 20 \ \rm  MHz$, then:
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB}  =  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}=  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB}  =  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}=  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
 
*Dies entspricht einer Leistungsverminderung um den Faktor&nbsp; $10^{8}$:
 
*Dies entspricht einer Leistungsverminderung um den Faktor&nbsp; $10^{8}$:

Revision as of 17:23, 3 December 2021

Photo of a transmitter

A shortwave transmitter operated according to the modulation method "DSB-AM with carrier" works with carrier frequency  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$  and transmit power $P_{\rm S} = 100\ \rm kW$.  It is designed for a bandwidth of  $B_{\rm NF} = 8 \ \rm kHz$ .


For test operation, a mobile receiver is used, which operates with a synchronous demodulator. If this is located at distance   $d$  from the transmitter, the attenuation function of the transmission channel can be approximated as follows:

$$\frac{a_{\rm K}(d, f)}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{f}{\rm MHz} \hspace{0.05cm}.$$

This equation describes so-called  free space attenuation, which also depends on the (carrier) frequency.


It can be assumed that the entire DSB-AM spectrum is attenuated like the carrier frequency. This means that

  • the slightly larger attenuation of the upper sideband (USB), and
  • the slightly smaller attenuation of the lower sideband (LSB)


are compensated for by a corresponding pre-distortion at the transmitter.

Let the effective noise power density at the receiver be  $N_0 = 10^{–14} \ \rm W/Hz.$


For the first two subtasks, it is assumed that the transmitter transmits only the carrier, which is equivalent to the modulation depth being  $m = 0$ .





Hints:


Questions

1

What power is received at a distance  $d = 10 \ \rm km$  from the transmitter when only the carrier is transmitted  $(m = 0)$?

$P_{\rm E} \ = \ $

$\ \rm mW$

2

At what distance  $d$  from the transmitter is the receiver located when the received power is  $P_{\rm E} = 100 \ \rm µ W$??

$d \ = \ $

$\ \rm km$

3

Which sink SNR results from the distance  $d$ calculated in subtask  (2)  when the modulation depth is  $m = 0.5$ ?

$10 · \lg ρ_v \ = \ $

$\ \text{dB}$

4

What is the minimum modulation depth  $m$  that can be chosen for a resulting sink-to-noise ratio of  $60 \ \rm dB$ ?

$m_{\min} \ = \ $

5

Which of the following statements are true?

DSB–AM with carrier does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
DSB–AM without carrier does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
A small carrier component can be helpful for the required frequency and phase synchronization.


Solution

(1)  According to the equation for free space attenuation, when   $d = 10\ \rm km$  and  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$, then:

$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}= 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • Dies entspricht einer Leistungsverminderung um den Faktor  $10^{8}$:
$$P_{\rm E}= 10^{-8} \cdot P_{\rm S}= 10^{-8} \cdot 100\,{\rm kW}\hspace{0.15cm}\underline {= 1\, {\rm mW} \hspace{0.05cm}}.$$


(2)  Aus  $P_{\rm S} = 10^5 \ \rm W$, $P_{\rm E} = 10{^–4}\ \rm W$  folgt eine Freiraumdämpfung von  $90 \ \rm dB$.  Daraus erhält man weiter:

$$20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} = ( 90-34 - 26)\hspace{0.1cm}{\rm dB}= 30\,{\rm dB}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} d = 10^{1.5}\,{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline { = 31.6\,{\rm km}\hspace{0.05cm}}.$$


(3)  Bei ZSB–AM ohne Träger, das heißt für den Modulationsgrad  $m → ∞$, würde gelten:

$$ \rho_{v } = \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}} = \frac{ P_{\rm E}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}= \frac{10^{-4}\,{\rm W}}{10^{-14}\,{\rm W/Hz}\cdot 8 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} } = 1.25 \cdot 10^6\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \approx 61\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • Mit dem Modulationsgrad  $m = 0.5$  wird das Sinken–SNR um den Faktor  $[1 +{2}/{m^2}]^{-1} = {1}/{9}$  kleiner.  Der Sinken–Störabstand ist somit ebenfalls geringer:
$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } = 61\,{\rm dB}- 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(9) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 51.5\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}}.$$


(4)  Entsprechend den Berechnungen zur Teilaufgabe  (3)  muss nun folgende Bedingung erfüllt sein:

$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\left({1 + {2}/{m^2}}\right) < 1\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 1 +{2}/{m^2} < 10^{0.1}=1.259 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{2}/{m^2} < 0.259 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m > \sqrt{8}\approx 2.83 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.83} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Richtig sind die Vorschläge 1 und 3:

  • Bei Verwendung eines Synchrondemodulators macht die Zusetzung des Trägers keinen Sinn, außer, dieser ist für die erforderliche Trägerrückgewinnung nützlich.
  • Da der Träger zur Demodulation nicht genutzt werden kann, steht nur ein Bruchteil der Sendeleistung für die Demodulation zur Verfügung  $($ein Drittel bei  $m = 1$, ein Neuntel bei  $m = 0.5)$.