Difference between revisions of "Digital Signal Transmission/Linear Nyquist Equalization"

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*a transversal filter &nbsp;$H_{\rm MF}(f)$&nbsp; with infinitely many filter coefficients<br><br>
 
*a transversal filter &nbsp;$H_{\rm MF}(f)$&nbsp; with infinitely many filter coefficients<br><br>
  
follows from the first Nyquist criterion. Durch Anwendung der &nbsp;[https://de.wikipedia.org/wiki/Variationsrechnung Variationsrechnung]&nbsp; erhält man den Frequenzgang des Transversalfilters &ndash; siehe [TS87]<ref name='TS87'>Tröndle, K.; Söder, G.:&nbsp; Optimization of Digital Transmission Systems.&nbsp; Boston – London: Artech House, 1987,&nbsp; ISBN:&nbsp; 0-89006-225-0.</ref>:
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follows from the first Nyquist criterion. By applying the &nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/Calculus_of_variations "calculus of variations"],&nbsp; the frequency response of the transversal filter is obtained &ndash; see [TS87]<ref name='TS87'>Tröndle, K.; Söder, G.:&nbsp; Optimization of Digital Transmission Systems.&nbsp; Boston – London: Artech House, 1987,&nbsp; ISBN:&nbsp; 0-89006-225-0.</ref>:
 
:$$H_{\rm TF}(f) = \frac{1}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
:$$H_{\rm TF}(f) = \frac{1}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
  \frac{\kappa}{T})
 
  \frac{\kappa}{T})
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\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
  
Die linke Grafik zeigt den Funktionsverlauf &nbsp;$20 \cdot \lg \ H_{\rm TF}(f)$&nbsp; im Bereich &nbsp;$| f | \le 1/T$. Vorausgesetzt sind hierfür rechteckförmige NRZ&ndash;Sendeimpulse und ein Koaxialkabel mit der charakteristischen Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star$.  
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The left graph shows the function &nbsp;$20 \cdot \lg \ H_{\rm TF}(f)$&nbsp; in the range &nbsp;$| f | \le 1/T$. This assumes rectangular NRZ transmission pulses and a coaxial cable with the characteristic cable attenuation &nbsp;$a_\star$.  
  
[[File:Dig_T_3_5_S3b_version2.png|center|frame|(Betrags&ndash;) Frequenzgang des Transversalfilter (links) und des gesamten optimalen Nyquistentzerrers (rechts)|class=fit]]
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[[File:Dig_T_3_5_S3b_version2.png|center|frame|(Magnitude) frequency response of the transversal filter (left) and the entire optimal Nyquist equalizer (right)|class=fit]]
  
Man erkennt aus obiger Gleichung und der linken Grafik:
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One can see from the above equation and the left graph:
*$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; ist ''reell'', woraus sich die symmetrische Struktur des Transversalfilters ergibt: &nbsp; $k_{-\lambda} =k_{+\lambda} $.<br>
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*$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; is ''real'', which results in the symmetrical structure of the transversal filter: &nbsp; $k_{-\lambda} =k_{+\lambda} $.<br>
*$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; ist gleichzeitig eine mit der Frequenz &nbsp;$1/T$&nbsp; ''periodische'' Funktion.<br>
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*$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; is at the same time a function ''periodic'' with frequency &nbsp;$1/T$.&nbsp; <br>
*Die Koeffizienten ergeben sich somit aus der &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Series|Fourierreihe]]&nbsp; (angewandt auf die Spektralfunktion):
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*The coefficients are thus obtained from the &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Series|Fourier series]]&nbsp; (applied to the spectral function):
  
 
:$$k_\lambda =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)}\frac{\cos(2 \pi f \lambda T)}  {\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
:$$k_\lambda =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)}\frac{\cos(2 \pi f \lambda T)}  {\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
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  e}^{-{\rm  j}2 \pi f \lambda T}\hspace{0.05cm}.$$
 
  e}^{-{\rm  j}2 \pi f \lambda T}\hspace{0.05cm}.$$
  
In der rechten Grafik ist der Frequenzgang &nbsp;$20 \cdot \lg \ |H_{\rm E}(f)|$&nbsp; des gesamten Empfangsfilters einschließlich Matched&ndash;Filter dargestellt. Es gilt:
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The right graph shows the frequency response &nbsp;$20 \cdot \lg \ |H_{\rm E}(f)|$&nbsp; of the entire receiver filter including the matched filter. It holds:
  
 
:$$H_{\rm E}(f) = H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = \frac{H_{\rm SK}^{\star}(f)}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
:$$H_{\rm E}(f) = H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = \frac{H_{\rm SK}^{\star}(f)}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
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  |^2}.$$
 
  |^2}.$$
  
Zu diesen Darstellungen ist anzumerken:
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To these representations it is to be noted:
*Für &nbsp;$a_\star = 0 \ \rm dB$&nbsp;  (idealer Kanal, grüne Null&ndash;Linie) kann auf das Transversalfilter $H_{\rm TF}(f)$ verzichtet werden und es gilt für NRZ&ndash;Rechteckimpulse, wie bereits im Abschnitt  &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisband%C3%BCbertragung#Optimaler_Bin.C3.A4rempf.C3.A4nger_-_Realisierung_mit_Matched-Filter|Optimaler Binärempfänger &ndash; Realisierung mit Matched-Filter]]&nbsp; hergeleitet:
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*For &nbsp;$a_\star = 0 \ \rm dB$&nbsp;  (ideal channel, green zero line) the transversal filter $H_{\rm TF}(f)$ can be omitted and it is valid for NRZ rectangular pulses as already derived in the section &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_for_Baseband_Transmission#Optimal_binary_receiver_.E2.80.93_.22Matched_Filter.22_realization|"Optimal binary receiver – "Matched Filter" realization"]]:&nbsp;  
 
:$$H_{\rm E}(f) =H_{\rm S}(f) = {\rm si} (\pi f T).$$
 
:$$H_{\rm E}(f) =H_{\rm S}(f) = {\rm si} (\pi f T).$$
*Während der Transversalfilter&ndash;Frequenzgang &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; bei &nbsp;$a_\star \ne 0 \ \rm dB$&nbsp; symmetrisch zur Nyquistfrequenz &nbsp;$f_{\rm Nyq} = 1/(2T)$&nbsp; ist, ist diese Symmetrie beim Empfangsfilter&ndash;Gesamtfrequenzgang &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; nicht mehr gegeben.<br>
+
*While the transversal filter frequency response &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; is symmetrical to the Nyquist frequency &nbsp;$f_{\rm Nyq} = 1/(2T)$&nbsp; at &nbsp;$a_\star \ne 0 \ \rm dB$,&nbsp; this symmetry is no longer given for the receiver filter overall frequency response &nbsp;$H_{\rm E}(f)$.&nbsp; <br>
*Die Maxima der Frequenzgänge &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; und &nbsp;$|H_{\rm E}(f)|$&nbsp; hängen signifikant von der charakteristischen Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star$&nbsp; ab. Aus dem blauen bzw. roten  Funktionsverlauf kann abgelesen werden:
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*The maxima of the frequency responses &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; and &nbsp;$|H_{\rm E}(f)|$&nbsp; depend significantly on the characteristic cable attenuation &nbsp;$a_\star$.&nbsp; From the blue and red function curves, respectively, can be read:
 
:$$a_{\star} = 40\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm
 
:$$a_{\star} = 40\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm
 
TF}(f)\big]\hspace{0.1cm} \approx 80\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm
 
TF}(f)\big]\hspace{0.1cm} \approx 80\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm
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== Approximation des optimalen Nyquistentzerrers ==
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== Approximation of the optimal Nyquist equalizer ==
 
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[[File:P ID1428 Dig T 3 5 S3c version1.png|right|frame|Optimaler Nyquistfrequenzgang bei einem Koaxialkabel|class=fit]]
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[[File:P ID1428 Dig T 3 5 S3c version1.png|right|frame|Optimum Nyquist frequency response for a coaxial cable|class=fit]]
Wir betrachten nun den Gesamtfrequenzgang zwischen Diracquelle und Entscheider.  
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We now consider the overall frequency response between the Dirac source and the decision.  
*Dieser setzt sich multiplikativ aus den Frequenzgängen von Sender, Kanal und Empfänger zusammen.  
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*This is made up multiplicatively of the frequency responses of the transmitter, channel and receiver.
*Entsprechend der Herleitung muss der Gesamtfrequenzgang die Nyquistbedingung erfüllen:
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*According to the derivation, the total frequency response must satisfy the Nyquist condition:
  
 
:$$H_{\rm Nyq}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f) =
 
:$$H_{\rm Nyq}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f) =
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  |^2}\hspace{0.05cm}.$$
 
  |^2}\hspace{0.05cm}.$$
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Die Grafik zeigt folgende Eigenschaften des ''optimalen Nyquistentzerrers'' (ONE):
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The graph shows the following properties of the ''optimal Nyquist equalizer'' (ONE):
*Ist die Kabeldämpfung hinreichend groß &nbsp;$(a_\star \ge 10 \ \rm dB)$, so kann man den Gesamtfrequenzgang mit guter Näherung durch den &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#1.2FT.E2.80.93Nyquistspektren| Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Tiefpass]]&nbsp; beschreiben.<br>
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*If the cable attenuation is sufficiently large &nbsp;$(a_\star \ge 10 \ \rm dB)$, the overall frequency response can be described with good approximation by the &nbsp;[[Digital_Signal_Transmission/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#1.2FT.E2.80.93Nyquistspektren| cosine rolloff low-pass filter]].&nbsp; <br>
  
 
*Je größer &nbsp;$a_\star$&nbsp; ist, desto kleiner ist der Rolloff&ndash;Faktor &nbsp;$r$&nbsp; und um so steiler verläuft der Flankenabfall. Für die charakteristische Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star = 40 \ \rm dB$&nbsp; (blaue Kurve) ergibt sich &nbsp;$r \approx 0.4$, für &nbsp;$a_\star = 80 \ \rm dB$&nbsp; (rote Kurve)  $r \approx 0.18$.<br>
 
*Je größer &nbsp;$a_\star$&nbsp; ist, desto kleiner ist der Rolloff&ndash;Faktor &nbsp;$r$&nbsp; und um so steiler verläuft der Flankenabfall. Für die charakteristische Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star = 40 \ \rm dB$&nbsp; (blaue Kurve) ergibt sich &nbsp;$r \approx 0.4$, für &nbsp;$a_\star = 80 \ \rm dB$&nbsp; (rote Kurve)  $r \approx 0.18$.<br>

Revision as of 14:32, 17 May 2022

Structure of the optimal Nyquist equalizer


Block diagram of the optimal Nyquist equalizer

In this section we assume the following block diagram of a binary system. In this regard, it should be noted:

  • The Dirac source provides the message to be transmitted in binary bipolar form   ⇒   amplitude coefficients  $a_\nu \in \{ -1, \hspace{0.05cm}+1\}$. The source is assumed to be redundancy-free.
  • The transmission pulse shape  $g_s(t)$  is taken into account by the transmitter frequency response  $H_{\rm S}(f)$.  In all examples,  $H_{\rm S}(f) = {\rm si}(\pi f T)$  is based   ⇒   NRZ rectangular transmission pulses.


In some derivations, transmitter and channel are combined by the common frequency response  $H_{\rm SK}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f)$. 

  • The receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  is multiplicatively composed of the  matched filter  $H_{\rm MF}(f) = H_{\rm SK}^\star(f)$  and the  transversal filter  $H_{\rm TF}(f)$, at least it can be split up mentally in this way.
  • The total frequency response between the Dirac source and the threshold decision should satisfy the   first Nyquist condition.  Thus, it must hold:
$$H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = H_{\rm Nyq}(f) \hspace{0.05cm}.$$
  • With this condition, there is no intersymbol interference and the maximum eye opening is obtained. Therefore, the  detection SNR  and  system efficiency  for binary signaling are:
$$\rho_d = \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{\sigma_d^2} = \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{N_0}\cdot \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \eta = \frac{\rho_d }{\rho_{d,\hspace{0.05cm} {\rm max}}} = \frac{\rho_d }{2 \cdot s_0^2 \cdot T/N_0} = \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2} \hspace{0.05cm}.$$
  • The optimization task is therefore limited to determining the receiver filter  $H_{\rm E}(f)$  such that the normalized noise power before the decision takes the smallest possible value:
\[\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/ T} =T \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} |H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f \stackrel {!}{=} {\rm minimum}\hspace{0.05cm}.\]

$\text{Definition:}$  We refer to the configuration described here as  Optimal Nyquist Equalization (ONE). Although this can also – and especially effectively – be applied to multi-level systems, we initially set  $M = 2$.



Mode of action of the transversal filter


Transversal filter (second order) as part of the optimal Nyquist equalizer

Let us first clarify the task of the symmetric transversal filter

$$H_{\rm TF}(f) \hspace{0.4cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \hspace{0.4cm} h_{\rm TF}(t) = \sum_{\lambda = -N}^{+N} k_\lambda \cdot \delta(t - \lambda \cdot T) $$

with the following properties:

  • $N$  indicates the order of the filter   ⇒   the graph shows a second order filter  $(N=2)$.
  • For the filter coefficients  $k_{-\lambda} = k_{\lambda}$   ⇒   symmetric structure   ⇒   $H_{\rm TF}(f)$ is real.
  • $H_{\rm TF}(f)$  is thus completely determined by the coefficients  $k_0$, ... , $k_N$  completely determined.


For the input pulse  $g_m(t)$  we assume without restriction of generality that it is

  • symmetric about  $t=0$  (output of the matched filter),
  • has the value  $g_m(\nu)$ at times  $\nu \cdot T$  and  $-\nu \cdot T$,  respectively.


Thus, the input pulse values are:

$$\text{...}\hspace{0.2cm} , g_m(3),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}\hspace {0.15cm}g_m(0),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(3),\hspace{0.1cm} \text{...}\hspace{0.05cm}.$$

Consequently, for the basic transmitter pulse  $g_d(t)$  at the filter output, the following values result at the time instants  $\nu \cdot T$  with the abbreviations  $g_0 =g_d(t= 0)$,   $g_1 =g_d(t= \pm T)$,   $g_2 =g_d(t= \pm 2T)$: 

$$ t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.9cm}g_0 = k_0 \cdot g_m(0) + k_1 \cdot 2 \cdot g_m(1) \hspace{1.23cm}+k_2 \cdot 2 \cdot g_m(2),\hspace{0.05cm} $$
$$ t = \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.45cm}g_1 = k_0 \cdot g_m(1) + k_1 \cdot \big [g_m(0)+g_m(2)]+ k_2 \cdot [g_m(1)+g_m(3) \big ], $$
$$ t = \pm 2T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2 = k_0 \cdot g_m(2) + k_1 \cdot \big [g_m(1)+g_m(3)\big ]+ k_2 \cdot \big [g_m(2)+g_m(4)\big ] \hspace{0.05cm}. $$

From this system with three linearly independent equations, one can now determine the filter coefficients  $k_0$,  $k_1$  and  $k_2$  in such a way that the basic transmitter pulse  $g_d(t)$  has the following interpolation points:

$$\text{...}\hspace{0.15cm} , g_3,\hspace{0.25cm}g_2 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_1 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_0 = 1,\hspace{0.15cm}g_1 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_2 = 0 ,\hspace{0.25cm}g_3 ,\hspace{0.15cm} \text{...}$$

$\text{Example 1:}$  We assume the symmetrical input signal according to the upper diagram in the graph. With the abbreviation  $g_m(\nu)= g_m(\pm \nu \cdot T)$  there are the following samples at the distance of the symbol duration  $T$:

$$g_m(t) = {\rm e}^{ - \sqrt{2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \vert /T} }\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} g_m(0) = 1 ,\hspace{0.35cm}g_m(1)= 0.243,\hspace{0.35cm}g_m(2)= 0.135,\hspace{0.35cm}g_m(3)= 0.086, \hspace{0.35cm}g_m(4)= 0.059 \hspace{0.05cm}.$$

For the output pulse  $g_d(t =0) = 1$  and  $g_d(t =\pm T) = 0$  should be valid. For this purpose, a first-order delay filter with coefficients  $k_0$  and  $k_1$ is suitable, which must satisfy the following conditions:

Input and output pulse of the optimal Nyquist equalizer
$$t = \pm T\hspace{-0.1cm} : \hspace{0.2cm}g_1 = k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot \big [1.000 +0.135 \big ] = 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{k_1} = -0.214 \cdot {k_0}\hspace{0.05cm},$$
$$ t = 0 \hspace{-0.1cm} : \hspace{0.6cm}g_0 = k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2 \cdot 0.243= 1\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}0.896 \cdot {k_0} = 1 \hspace{0.05cm}.$$

From this, the optimal filter coefficients  $k_0 = 1.116$  and  $k_1 = 0.239$ are obtained.

  • The middle diagram shows that thus the first precursor and the first trailer can be compensated and at the same time  $g_d(0) =1$  is valid (yellow background).
  • However, the further basic transmitter pulse values (blue circles) are different from zero and cause intersymbol interference.

The lower diagram shows that with a second order filter  $(N = 2)$  zero crossings are forced at  $\pm T$  and at  $\pm 2T$  if the coefficients  $k_0 = 1.127$,  $k_1 = 0.219$  and  $k_2 = 0.075$  are suitably chosen. The system of equations for determining the optimal coefficients is thereby:

$$t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.85cm}g_0 = k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2 \cdot 0.243 + k_2 \cdot 2 \cdot 0.135 = 1\hspace{0.05cm},$$
$$t= \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.45cm}g_1 = k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot \big [1.000+0.135 \big ]+ k_2 \cdot \big [0.243+0.086 \big ] = 0\hspace{0.05cm},$$
$$t = \pm 2 T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2 = k_0 \cdot 0.135 + k_1 \cdot \big [0.243+0.086\big ]+ k_2 \cdot \big [1.000 + 0.059 \big ]= 0 \hspace{0.05cm}.$$


$\text{Conclusion:}$  The results can be generalized as follows:

  • With an  $N$–th order delay filter, the main value  $g_d(0)$  can be made one (normalized), and the first $N$  trailers  $g_{\nu}$  and the first $N$  precursors  $g_{-\nu}$  can be made zero.
  • Further precursors and trailers  $(\nu \gt N)$  cannot be compensated in this way. It is even possible that the precursors and trailers outside the compensation range are enlarged or even new ones are created.
  • In the limit  $N \to \infty$  (in practice this means:   a filter with very many coefficients) a complete Nyquist equalization and thus an intersymbol interference free transmission is possible.


Description in the frequency domain


The fact that the optimal Nyquist equalizer is multiplicatively derived from

  • the matched filter  $H_{\rm MF}(f) = H_{\rm S}^\star (f)\cdot H_{\rm K}^\star(f)$  – i.e. matched to the basic receiver pulse  $g_r(t)$  – and
  • a transversal filter  $H_{\rm MF}(f)$  with infinitely many filter coefficients

follows from the first Nyquist criterion. By applying the  "calculus of variations",  the frequency response of the transversal filter is obtained – see [TS87][1]:

$$H_{\rm TF}(f) = \frac{1}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - \frac{\kappa}{T}) |^2} \hspace{0.3cm}{\rm{mit}}\hspace{0.3cm}H_{\rm SK}(f) = H_{\rm S}(f)\cdot H_{\rm K}(f) \hspace{0.05cm}.$$

The left graph shows the function  $20 \cdot \lg \ H_{\rm TF}(f)$  in the range  $| f | \le 1/T$. This assumes rectangular NRZ transmission pulses and a coaxial cable with the characteristic cable attenuation  $a_\star$.

(Magnitude) frequency response of the transversal filter (left) and the entire optimal Nyquist equalizer (right)

One can see from the above equation and the left graph:

  • $H_{\rm TF}(f)$  is real, which results in the symmetrical structure of the transversal filter:   $k_{-\lambda} =k_{+\lambda} $.
  • $H_{\rm TF}(f)$  is at the same time a function periodic with frequency  $1/T$. 
  • The coefficients are thus obtained from the  Fourier series  (applied to the spectral function):
$$k_\lambda =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)}\frac{\cos(2 \pi f \lambda T)} {\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - {\kappa}/{T}) |^2} \hspace{0.2cm} {\rm d} f \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.25cm}H_{\rm TF}(f) = \sum\limits_{\lambda = -\infty}^{+\infty} k_\lambda \cdot {\rm e}^{-{\rm j}2 \pi f \lambda T}\hspace{0.05cm}.$$

The right graph shows the frequency response  $20 \cdot \lg \ |H_{\rm E}(f)|$  of the entire receiver filter including the matched filter. It holds:

$$H_{\rm E}(f) = H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = \frac{H_{\rm SK}^{\star}(f)}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - {\kappa}/{T}) |^2}.$$

To these representations it is to be noted:

$$H_{\rm E}(f) =H_{\rm S}(f) = {\rm si} (\pi f T).$$
  • While the transversal filter frequency response  $H_{\rm TF}(f)$  is symmetrical to the Nyquist frequency  $f_{\rm Nyq} = 1/(2T)$  at  $a_\star \ne 0 \ \rm dB$,  this symmetry is no longer given for the receiver filter overall frequency response  $H_{\rm E}(f)$. 
  • The maxima of the frequency responses  $H_{\rm TF}(f)$  and  $|H_{\rm E}(f)|$  depend significantly on the characteristic cable attenuation  $a_\star$.  From the blue and red function curves, respectively, can be read:
$$a_{\star} = 40\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm TF}(f)\big]\hspace{0.1cm} \approx 80\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[\ |H_{\rm E}(f)| \ \big] \approx 40\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},$$
$$a_{\star} = 80\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm TF}(f)\big] \approx 160\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[\ |H_{\rm E}(f)|\ \big] \approx 80\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$


Approximation of the optimal Nyquist equalizer


Optimum Nyquist frequency response for a coaxial cable

We now consider the overall frequency response between the Dirac source and the decision.

  • This is made up multiplicatively of the frequency responses of the transmitter, channel and receiver.
  • According to the derivation, the total frequency response must satisfy the Nyquist condition:
$$H_{\rm Nyq}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f) = \frac{|H_{\rm SK}(f)|^2}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - {\kappa}/{T}) |^2}\hspace{0.05cm}.$$


The graph shows the following properties of the optimal Nyquist equalizer (ONE):

  • If the cable attenuation is sufficiently large  $(a_\star \ge 10 \ \rm dB)$, the overall frequency response can be described with good approximation by the   cosine rolloff low-pass filter
  • Je größer  $a_\star$  ist, desto kleiner ist der Rolloff–Faktor  $r$  und um so steiler verläuft der Flankenabfall. Für die charakteristische Kabeldämpfung  $a_\star = 40 \ \rm dB$  (blaue Kurve) ergibt sich  $r \approx 0.4$, für  $a_\star = 80 \ \rm dB$  (rote Kurve) $r \approx 0.18$.
  • Oberhalb der Frequenz  $f_{\rm Nyq} \cdot (1 + r)$  besitzt  $H_{\rm Nyq}(f)$  keine Anteile. Bei idealem Kanal   ⇒    $a_\star = 0 \ \rm dB$  (grüne Kurve) reicht  $H_{\rm Nyq}(f)= {\rm si}^2(\pi f T)$  allerdings theoretisch bis ins Unendliche.


Das interaktive Applet Frequenzgang und Impulsantwort verdeutlicht unter anderem die Eigenschaften des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses.


Berechnung der normierten Störleistung


Wir betrachten nun noch die (normierte) Störleistung am Entscheider. Für diese gilt:

$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/ (2T)} =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} |H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f .$$
Zur Berechnung der normierten Störleistung beim ONE
  • Das linke Diagramm der Grafik zeigt  $|H_{\rm E}(f)|^2$  im linearen Maßstab für die charakteristische Kabeldämpfung  $a_\star = 80 \ \rm dB$. Beachten Sie, dass  $|H_{\rm E}(f = 0)|^2 = 1$  ist.
  • Da die Frequenz in dieser Darstellung auf  $1/T$  normiert wurde, entspricht die normierte Störleistung genau der (rot hinterlegten) Fläche unter dieser Kurve. Die numerische Auswertung ergibt:
$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = 1.68 \cdot 10^7\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 \approx 72.25\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • Es kann gezeigt werden, dass die normierte Störleistung allein mit dem Transversalfilter–Frequenzgang  $H_{\rm TF}(f)$  berechnet werden kann, wie in der rechten Grafik dargestellt:
$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} H_{\rm TF}(f) \,{\rm d} f \hspace{0.3cm}(= k_0)\hspace{0.05cm}.$$
  • Die roten Flächen sind in beiden Bildern exakt gleich.


$\text{Fazit:}$  Die normierten Störleistung des optimalen Nyquistentzerrers ist gleich dem Fourierkoeffizienten  $k_0$, wenn man den reellen, symmetrischen und periodischen Transversalfilter–Frequenzgang  $H_{\rm TF}(f)$  als Fourierreihe darstellt.

Koeffizienten des optimalen Nyquistentzerrers
  • In der zweiten Spalte der Tabelle ist  $10 \cdot \lg \ (k_0)$  abhängig von der charakteristischen Kabeldämpfung  $a_\star$  eines Koaxialkabels angegeben.
  • Aufgrund der gewählten Normierung gilt die Tabelle auch für  redundanzfreie Mehrstufensysteme; hierbei bezeichnet  $M$  die Stufenzahl.
  • Die Koeffizienten  $k_1$,  $k_2$,  $k_3$, ... des Transversalfilters weisen für  $a_\star \ne 0 \ \rm dB$  alternierende Vorzeichen auf.
  • Für  $a_\star = 40 \ \rm dB$  sind vier Koeffizienten betragsmäßig größer als  $k_0/10$, für  $a_\star = 80 \ \rm dB$  sogar sieben.

Vergleich anhand des Systemwirkungsgrades


Für einen Systemvergleich eignet sich der  Systemwirkungsgrad, der das erreichbare Detektions–SNR  $\rho_d$  in Bezug zum maximalen SNR  $\rho_{d, \ {\rm max}}$  setzt, das allerdings nur bei idealem Kanal  $H_{\rm K}(f) \equiv 1$  erreichbar ist. Für den Systemwirkungsgrad gilt bei  $M$–stufiger Übertragung und optimaler Nyquistentzerrung:

$$\eta = \frac{\rho_d}{s_0^2 \cdot T / N_0}=\frac{{\rm log_2}\hspace{0.1cm}M}{(M-1)^2 \cdot k_0}.$$

Die (normierte) Störleistung  $k_0$  kann aus der   Tabelle  auf der letzten Seite abgelesen werden. Beachten Sie die Normierung der charakteristischen Kabeldämpfung  $a_\star$  in der ersten Spalte. Die folgende Tabelle aus [TS87][1] ermöglicht einen Systemvergleich für die charakteristische Kabeldämpfung  $a_\star = 80 \ \rm dB$.

Vergleich binärer und mehrstufiger Ünertragungssysteme gemäß  $\text{GTP}$  bzw.  $\text{ONE}$


Verglichen werden:



$\text{Fazit:}$  Die Ergebnisse dieses Systemvergleichs können wie folgt zusammengefasst werden:

  • Im binären Fall  $(M = 2)$  ist das impulsinterferenzfreie System  $\text{(ONE)}$  um etwa  $6 \ \rm dB$  besser als das impulsinterferenzbehaftete System  $\text{(GTP)}$.
  • Wendet man die optimale Nyquistentzerrung bei Mehrstufensystemen an, so ist gegenüber  $\text{GTP}$  ein weiterer, deutlicher Störabstandsgewinn möglich. Für  $M =4$  beträgt dieser Gewinn etwa  $18.2 \ \rm dB$.
  • Das schmalbandige  $\text{GTP}$–System kann allerdings deutlich verbessert werden, wenn man einen Empfänger mit Entscheidungsrückkopplung verwendet. Dieser wird im nächsten Kapitel behandelt.


Wir verweisen an dieser Stelle auf das interaktive Applet Lineare Nyquistentzerrung.


Aufgaben zum Kapitel


Exercise 3.6: Transversal Filter of the Optimal Nyquist Equalizer

Exercise 3.6Z:Optimum Nyquist Equalizer for Exponential Pulse

Exercise 3.7: Optimal Nyquist Equalization once again

Exercise 3.7Z: Regenerator Field Length

References

  1. 1.0 1.1 Tröndle, K.; Söder, G.:  Optimization of Digital Transmission Systems.  Boston – London: Artech House, 1987,  ISBN:  0-89006-225-0.