Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.2: Spectrum with Angle Modulation"

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'''(1)'''&nbsp; Die Phase&nbsp; $ϕ(t)$&nbsp; ist proportional zum Quellensignal&nbsp; $q(t)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; es handelt sich um eine Phasenmodulation &nbsp; ⇒ &nbsp; <u>Antwort 2</u>.
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'''(1)'''&nbsp; The phase&nbsp; $ϕ(t)$&nbsp; is proportional to the source signal&nbsp; $q(t)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; this is a phase modulation &nbsp; ⇒ &nbsp; <u>Answer 2</u>.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Eine Winkelmodulation&nbsp; (PM, FM)&nbsp; führt bei bandbegrenztem Kanal stets zu nichtlinearen Verzerrungen.  
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'''(2)'''&nbsp; An angle modulationn&nbsp; (PM, FM)&nbsp; always results in nonlinear distortion when the channel is bandlimited.  
*Bei Zweiseitenband-Amplitudenmodulation&nbsp; (ZSB-AM)&nbsp; ist hier dagegen bereits mit&nbsp; $B_{\rm K} = 6 \ \rm kHz$&nbsp; eine verzerrungsfreie Übertragung möglich  &nbsp; ⇒ &nbsp; <u>Antwort 1</u>.
+
*In contrast, double-sideband amplitude modulation&nbsp; (DSB-AM)&nbsp; here enables distortion-free transmission with&nbsp; $B_{\rm K} = 6 \ \rm kHz$&nbsp;; ⇒ &nbsp; <u>Answer 1</u>.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Der Modulationsindex (oder Phasenhub) ist bei Phasenmodulation gleich&nbsp; $η = K_{\rm M} · A_{\rm N}$.  
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'''(3)'''&nbsp; The modulation index (or phase deviation) is equal to&nbsp; $η = K_{\rm M} · A_{\rm N}$ for phase modulation.  
*Somit ist die Modulatorkonstante&nbsp; $K_{\rm M} = 1/A_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.5 \rm \cdot {1}/{V}}$&nbsp; zu wählen, damit sich&nbsp; $η = 1$&nbsp; ergibt.
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*Thus, the modulator constant must be set to&nbsp; $K_{\rm M} = 1/A_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.5 \rm \cdot {1}/{V}}$&nbsp; to give &nbsp; $η = 1$&nbsp;.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Es liegt ein sogenanntes Besselspektrum vor:
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'''(4)'''&nbsp; A so-called Bessel spectrum is present:
 
:$$ S_{\rm TP}(f) = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}{\rm J}_n (\eta) \cdot \delta (f - n \cdot f_{\rm N})\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ S_{\rm TP}(f) = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}{\rm J}_n (\eta) \cdot \delta (f - n \cdot f_{\rm N})\hspace{0.05cm}.$$
*Dieses ist ein diskretes Spektrum mit Anteilen bei&nbsp; $f = n · f_{\rm N}$, wobei&nbsp; $n$&nbsp; ganzzahlig ist.  
+
*This is a discrete spectrum with components at &nbsp; $f = n · f_{\rm N}$, where&nbsp; $n$&nbsp; is an integer.  
*Die Gewichte der Diracfunktionen sind durch die Besselfunktionen gegeben.&nbsp; Mit&nbsp; $A_{\rm T} = 1\ \rm  V$&nbsp; erhält man:
+
*The weights of the Dirac functions are given by the Bessel functions.&nbsp; When&nbsp; $A_{\rm T} = 1\ \rm  V$&nbsp;, one obtains:
[[File:P_ID1082__Mod_A_3_2_d.png|right|frame|PM–Spektrum im äquivalenten Tiefpass–Bereich]]
+
[[File:P_ID1082__Mod_A_3_2_d.png|right|frame|PM spectrum in the equivalent low-pass range]]
 
:$$ S_{\rm TP}(f = 0)  =  A_{\rm T} \cdot {\rm J}_0 (\eta = 1) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.765\,{\rm V}},$$
 
:$$ S_{\rm TP}(f = 0)  =  A_{\rm T} \cdot {\rm J}_0 (\eta = 1) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.765\,{\rm V}},$$
 
:$$ S_{\rm TP}(f = f_{\rm N})  =  A_{\rm T} \cdot {\rm J}_1 (\eta = 1)\hspace{0.15cm} = 0.440\,{\rm V},$$
 
:$$ S_{\rm TP}(f = f_{\rm N})  =  A_{\rm T} \cdot {\rm J}_1 (\eta = 1)\hspace{0.15cm} = 0.440\,{\rm V},$$
 
:$$ S_{\rm TP}(f = 2 \cdot f_{\rm N})  =  A_{\rm T} \cdot {\rm J}_2 (\eta = 1) = 0.115\,{\rm V} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ S_{\rm TP}(f = 2 \cdot f_{\rm N})  =  A_{\rm T} \cdot {\rm J}_2 (\eta = 1) = 0.115\,{\rm V} \hspace{0.05cm}.$$
*Aufgrund der Symmetrie&nbsp; ${\rm J}_{-n} (\eta) = (-1)^n \cdot {\rm J}_{n} (\eta)$&nbsp; erhält man für die Spektrallinie bei&nbsp; $f = -3 \ \rm kHz$:
+
*Due to the symmetry &nbsp; ${\rm J}_{-n} (\eta) = (-1)^n \cdot {\rm J}_{n} (\eta)$&nbsp;, the spectral line at &nbsp; $f = -3 \ \rm kHz$ is obtained as:
 
:$$S_{\rm TP}(f = -f_{\rm N}) = -S_{\rm TP}(f = +f_{\rm N}) =\hspace{-0.01cm}\underline { -0.440\,{\rm V} \hspace{0.05cm}}.$$
 
:$$S_{\rm TP}(f = -f_{\rm N}) = -S_{\rm TP}(f = +f_{\rm N}) =\hspace{-0.01cm}\underline { -0.440\,{\rm V} \hspace{0.05cm}}.$$
''Anmerkung'':&nbsp; Eigentlich müsste man für den Spektralwert bei&nbsp; $f = 0$&nbsp; schreiben:
+
''Note'':&nbsp; For the spectral value at&nbsp; $f = 0$&nbsp; we should actually write:
 
:$$S_{\rm TP}(f = 0) = 0.765\,{\rm V} \cdot \delta (f) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$S_{\rm TP}(f = 0) = 0.765\,{\rm V} \cdot \delta (f) \hspace{0.05cm}.$$
*Dieser ist somit aufgrund der Diracfunktion unendlich groß, lediglich das Gewicht der Diracfunktion ist endlich.  
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*This is therefore infinite due to the Dirac function, and only the weight of the Dirac function is finite.
*Gleiches gilt für alle diskreten Spektrallinien.
+
*The same applies for all discrete spectral line.
  
  

Revision as of 14:52, 14 March 2022

Table of Bessel functions

The following equations are assumed here:

  • Source signal:
$$q(t) = 2\,{\rm V} \cdot \sin(2 \pi \cdot 3\,{\rm kHz} \cdot t)\hspace{0.05cm},$$
  • Transmit signal:
$$s(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos\hspace{-0.1cm}\big[2 \pi \cdot 100\,{\rm kHz} \cdot t + K_{\rm M} \cdot q(t)\big ]\hspace{0.05cm},$$
  • Received signal (ideal channel):
$$r(t) = s(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos\hspace{-0.1cm}\big[2 \pi \cdot 100\,{\rm kHz} \cdot t + \phi(t)\big ]\hspace{0.05cm},$$
  • ideal demodulator:
$$ v(t) = \frac{1}{ K_{\rm M}} \cdot \phi(t)\hspace{0.05cm}.$$

The graphs shows the   $n$–th order Bessel functions of the first kind   ${\rm J}_n (\eta)$  in table form.





Hints:


Questions

1

Which modulation method is used here?

Amplitude modulation.
Phase modulation.
Frequency modulation.

2

Which modulation method would you choose if the channel bandwidth was only  $B_{\rm K} = 10 \ \rm kHz$ ?

Amplitude modulation.
Phase modulation.
Frequency modulation.

3

How should one choose the modulator constant $K_{\rm M}$  for a phase deviation of  $η = 1$ ?

$K_{\rm M} \ = \ $

$\ \rm 1/V$

4

Calculate the spectrum  $S_{\rm TP}(f)$  of the equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t)$.  What are the weights of the spectral lines at  $f = 0$  and  $f = -3 \ \rm kHz$?

$S_{\rm TP}(f = 0)\ = \ $

$\ \rm V$
$S_{\rm TP}(f = -3\ \rm kHz) \ = \ $

$\ \rm V$

5

Calculate the spectra of the analytical signal $s_{\rm +}(t)$  and the physical signal  $s(t)$.  What are the weights of the spectral lines at  $f = 97 \ \rm kHz$?

$S_+(f = 97 \ \rm kHz)\ = \ $

$\ \rm V$
$S(f = 97 \ \rm kHz)\hspace{0.32cm} = \ $

$\ \rm V$

6

What is the required channel bandwidth  $B_{\rm K}$  for  $ η = 1$, if one ignores pulse weights smaller (in magnitude) than $0.01$ ?

$η = 1\text{:} \ \ \ B_{\rm K}\ = \ $

$\ \rm kHz$

7

What would be the channel bandwidths for  $η = 2$  and  $η = 3$ ?

$η = 2\text{:} \ \ \ B_{\rm K}\ = \ $

$\ \rm kHz$
$η = 3\text{:} \ \ \ B_{\rm K}\ = \ $

$\ \rm kHz$


Solution

(1)  The phase  $ϕ(t)$  is proportional to the source signal  $q(t)$   ⇒   this is a phase modulation   ⇒   Answer 2.


(2)  An angle modulationn  (PM, FM)  always results in nonlinear distortion when the channel is bandlimited.

  • In contrast, double-sideband amplitude modulation  (DSB-AM)  here enables distortion-free transmission with  $B_{\rm K} = 6 \ \rm kHz$ ; ⇒   Answer 1.


(3)  The modulation index (or phase deviation) is equal to  $η = K_{\rm M} · A_{\rm N}$ for phase modulation.

  • Thus, the modulator constant must be set to  $K_{\rm M} = 1/A_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.5 \rm \cdot {1}/{V}}$  to give   $η = 1$ .


(4)  A so-called Bessel spectrum is present:

$$ S_{\rm TP}(f) = A_{\rm T} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}{\rm J}_n (\eta) \cdot \delta (f - n \cdot f_{\rm N})\hspace{0.05cm}.$$
  • This is a discrete spectrum with components at   $f = n · f_{\rm N}$, where  $n$  is an integer.
  • The weights of the Dirac functions are given by the Bessel functions.  When  $A_{\rm T} = 1\ \rm V$ , one obtains:
PM spectrum in the equivalent low-pass range
$$ S_{\rm TP}(f = 0) = A_{\rm T} \cdot {\rm J}_0 (\eta = 1) \hspace{0.15cm}\underline {= 0.765\,{\rm V}},$$
$$ S_{\rm TP}(f = f_{\rm N}) = A_{\rm T} \cdot {\rm J}_1 (\eta = 1)\hspace{0.15cm} = 0.440\,{\rm V},$$
$$ S_{\rm TP}(f = 2 \cdot f_{\rm N}) = A_{\rm T} \cdot {\rm J}_2 (\eta = 1) = 0.115\,{\rm V} \hspace{0.05cm}.$$
  • Due to the symmetry   ${\rm J}_{-n} (\eta) = (-1)^n \cdot {\rm J}_{n} (\eta)$ , the spectral line at   $f = -3 \ \rm kHz$ is obtained as:
$$S_{\rm TP}(f = -f_{\rm N}) = -S_{\rm TP}(f = +f_{\rm N}) =\hspace{-0.01cm}\underline { -0.440\,{\rm V} \hspace{0.05cm}}.$$

Note:  For the spectral value at  $f = 0$  we should actually write:

$$S_{\rm TP}(f = 0) = 0.765\,{\rm V} \cdot \delta (f) \hspace{0.05cm}.$$
  • This is therefore infinite due to the Dirac function, and only the weight of the Dirac function is finite.
  • The same applies for all discrete spectral line.


(5)  $S_+(f)$  ergibt sich aus  $S_{\rm TP}(f)$  durch Verschiebung um  $f_{\rm T}$  nach rechts.  Deshalb ist

$$S_{\rm +}(f = 97\,{\rm kHz}) = S_{\rm TP}(f = -3\,{\rm kHz}) \hspace{0.15cm}\underline {=-0.440\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Das tatsächliche Spektrum unterscheidet sich von  $S_+(f)$  bei positiven Frequenzen um den Faktor  $1/2$:
$$S(f = 97\,{\rm kHz}) = {1}/{2} \cdot S_{\rm +}(f = 97\,{\rm kHz}) \hspace{0.15cm}\underline {=-0.220\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Allgemein kann geschrieben werden:
$$ S(f) = \frac{A_{\rm T}}{2} \cdot \sum_{n = - \infty}^{+\infty}{\rm J}_n (\eta) \cdot \delta (f \pm (f_{\rm T}+ n \cdot f_{\rm N}))\hspace{0.05cm}.$$


(6)  Unter der vorgeschlagenen Vernachlässigung können alle Bessellinien  ${\rm J}_{|n|>3}$  außer Acht gelassen werden.

  • Damit erhält man  $B_{\rm K} = 2 · 3 · f_{\rm N}\hspace{0.15cm}\underline { = 18 \ \rm kHz}$.


(7)  Die Zahlenwerte in der Tabelle auf der Angabenseite zeigen, dass nun folgende Kanalbandbreiten erforderlich wären:

  • für $η = 2$:     $B_{\rm K} \hspace{0.15cm}\underline { = 24 \ \rm kHz}$,
  • für $η = 3$:     $B_{\rm K} \hspace{0.15cm}\underline { = 36 \ \rm kHz}$.