Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.10Z: Gaussian Band-Pass"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation
 
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[[File:P_ID1697__Dig_Z_4_3.png|right|frame|Gaußförmiger Bandpasskanal]]
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[[File:P_ID1697__Dig_Z_4_3.png|right|frame|Gaussian band-pass channel]]
Bei trägerfrequenzmodulierter Übertragung muss der Kanalfrequenzgang $H_{\rm K}(f)$ stets als Bandpass angesetzt werden. Die Kanalparameter sind zum Beispiel die Mittenfrequenz $f_{\rm M}$ und die Bandbreite $\Delta f_{\rm K}$, wobei die Mittenfrequenz $f_{\rm M}$ oft mit der Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ übereinstimmt. In dieser Aufgabe soll insbesondere von einem Gaußbandpass mit dem Frequenzgang
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For this exercise we assume:
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*Binary phase modulation  $\rm (BPSK)$  is used for modulation.
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*Demodulation is  synchronous in frequency and phase.
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For carrier frequency modulated transmission,  the channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  must always be assumed to be a band-pass.  The channel parameters are  e.g.  the center frequency  $f_{\rm M}$  and the bandwidth  $\Delta f_{\rm K}$,  where the center frequency  (German:  "Mittenfrequenz"   ⇒   subscipt:  "M")  $f_{\rm M}$  often coincides with the carrier frequency  (German:  "Trägerfrequenz"   ⇒   subscipt:  "T")  $f_{\rm T}$.  
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In this exercise we will assume a Gaussian band-pass according to the diagram.  For its frequency response holds:
 
:$$H_{\rm K}(f) = {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f - f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]
 
:$$H_{\rm K}(f) = {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f - f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]
 
  +{\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f + f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]$$
 
  +{\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f + f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]$$
entsprechend der Grafik ausgegangen werden:
 
*Zur Modulation wird binäre Phasenmodulation (BPSK) verwendet.
 
* Die Demodulation erfolgt frequenz– und phasensynchron.
 
  
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For a simpler description,  one often uses the equivalent low-pass  ("TP")  frequency response  $H_{\rm K,TP}(f)$.  This results from  $H_{\rm K}(f)$  by
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*truncating the components at negative frequencies,
  
Zur Beschreibung benutzt man oft den äquivalenten TP–Frequenzgang $H_{\rm K,TP}(f)$. Dieser ergibt sich aus $H_{\rm K}(f)$ durch
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*shifting the spectrum by  $f_{\rm T}$  to the left.
*Abschneiden der Anteile bei negativen Frequenzen,
 
*Verschieben des Spektrums um $f_{\rm T}$ nach links.
 
  
  
Im betrachteten Beispiel ergibt sich mit $f_{\rm T} = f_{\rm M}$ für den äquivalenten TP–Frequenzgang:
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In the considered example with  $f_{\rm T} = f_{\rm M}$  for the equivalent low-pass frequency response results:
:$$ H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) = {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( {f }/{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ].$$
+
:$$ H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) = {\rm e}^ { - \pi \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\left ( {f }/{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 }.$$
Die entsprechende Zeitfunktion (Fouruerrücktransformierte) lautet:
+
The corresponding time function  ("inverse Fourier transform")  is:
:$$ h_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(t) = \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 \right ].$$
+
:$$ h_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(t) = \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm e}^ { - \pi \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 }.$$
Zur Beschreibung eines phasensynchronen BPSK–Systems im Tiefpassbereich eignet sich aber auch der Frequenzgang
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However,  the frequency response is also suitable for describing a phase-synchronous BPSK system in the low-pass range
 
:$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \left [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\right ] ,$$
 
:$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \left [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\right ] ,$$
wobei „MKD” für Modulator – Kanal – Demodulator steht. Häufig – aber nicht immer – sind $H_{\rm MKD}(f)$ und $H_{\rm K,TP}(f)$ identisch.
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where  "MKD"  stands for  "modulator channel (Kanal) demodulator".  Often - but not always -  $H_{\rm MKD}(f)$  and  $H_{\rm K,TP}(f)$  are identical.
  
''Hinweis:''
 
  
Die Aufgabe bezieht sich auf die [[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation#Basisbandmodell_f.C3.BCr_ASK_und_BPSK|letzte Theorieseite]] von [[Digitalsignalübertragung/Lineare_digitale_Modulation_–_Kohärente_Demodulation|Lineare digitale Modulation – Kohärente Demodulation]].
 
  
===Fragebogen===
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Notes:
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*The exercise belongs to the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation|"Linear Digital Modulation - Coherent Demodulation"]].
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*Reference is made in particular to the section  [[Digital_Signal_Transmission/Linear_Digital_Modulation_-_Coherent_Demodulation#Baseband_model_for_ASK_and_BPSK|"Baseband model for ASK and BPSK"]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Geben Sie die Impulsantwort $h_{\rm K}(t)$ des Gauß–Bandpasskanals an. Welcher (normierte) Wert ergibt sich für den Zeitpunkt $t = 0$?
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{Give the impulse response &nbsp;$h_{\rm K}(t)$&nbsp; of the Gaussian band-pass channel.&nbsp; What is the&nbsp; (normalized)&nbsp; value for time &nbsp;$t = 0$?
 
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|type="{}"}
 
$ h_{\rm K}(t)/\Delta f_{\rm K} \  =  \ $ { 2 3% }
 
$ h_{\rm K}(t)/\Delta f_{\rm K} \  =  \ $ { 2 3% }
  
  
{Welche Aussagen gelten unter der Voraussetzung $f_{\rm T} = f_{\rm M}$?
+
{Which statements are valid under the condition &nbsp;$f_{\rm T} = f_{\rm M}$?
 
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|type="[]"}
-$H_{\rm K,TP}(f)$ und $H_{\rm MKD}(f)$ stimmen vollständig überein.
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-$H_{\rm K,TP}(f)$&nbsp; and &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; coincide completely.
+$H_{\rm K,TP}(f)$ und $H_{\rm MKD}(f)$ sind für tiefe Frequenzen gleich.
+
+$H_{\rm K,TP}(f)$&nbsp; and &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; are the same for low frequencies.
+Die Zeitfunktion $h_{\rm K,TP}(t)$ ist reell.
+
+The time function &nbsp;$h_{\rm K,TP}(t)$&nbsp; is real.
+Die Zeitfunktion $h_{\rm MKD}(t)$ ist reell.
+
+The time function &nbsp;$h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; is real.
  
{Welche Aussagen gelten unter der Voraussetzung $f_{\rm T} \neq f_{\rm M}$?
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{Which statements are true under the condition&nbsp; $f_{\rm T} \neq f_{\rm M}$?
 
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-$H_{\rm K,TP}(f)$ und $H_{\rm MKD}(f)$ stimmen vollständig überein.
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-$H_{\rm K,TP}(f)$&nbsp; and &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; coincide completely.
-$H_{\rm K,TP}(f)$ und $H_{\rm MKD}(f)$ sind für tiefe Frequenzen gleich.
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-$H_{\rm K,TP}(f)$&nbsp; and &nbsp;$H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; are the same for low frequencies.
+Die Zeitfunktion $h_{\rm K,TP}(t)$ ist reell.
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-The time function &nbsp;$h_{\rm K,TP}(t)$&nbsp; is real.
+Die Zeitfunktion $h_{\rm MKD}(t)$ ist reell.
+
+The time function &nbsp;$h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; is real.
  
{Im Hinblick auf eine kleinere Bitfehlerwahrscheinlichkeit sollte gelten:
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{What should be true with respect to a smaller bit error probability?
|type="[]"}
+
|type="()"}
+$f_{\rm M} = f_{\rm T}$.
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+$f_{\rm M} = f_{\rm T}$,
 
- $f_{\rm M} \neq f_{\rm T}$.
 
- $f_{\rm M} \neq f_{\rm T}$.
  
  
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</quiz>
  
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===Solution===
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{{ML-Kopf}}
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'''(1)'''&nbsp; For the band-pass frequency response&nbsp; $H_{\rm K}(f)$&nbsp; we can write:
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:$$H_{\rm K}(f) = H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) \star \big [ \delta (f - f_{\rm M}) + \delta (f + f_{\rm M}) \big ] .$$
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*The Fourier inverse transform of the bracket expression yields a cosine function of frequency&nbsp; $f_{\rm M}$&nbsp; with amplitude&nbsp; $2$.
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*Thus,&nbsp; according to the convolution theorem:
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:$$h_{\rm K}(t) = 2 \cdot \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 \right ] \cdot \cos(2 \pi f_{\rm M} t ) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm K}(t = 0)/\Delta f_{\rm K} \hspace{0.1cm}\underline {= 2}.$$
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*This means:&nbsp; The low-pass impulse response&nbsp; $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$&nbsp; is identical in shape to the envelope of the band-pass impulse response&nbsp; $h_{\rm K}(t)$,&nbsp; but twice as large.
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[[File:P_ID1698__Dig_Z_4_3_b.png|right|frame|Resulting baseband frequency response for $f_{\rm T} = f_{\rm M}$]]
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'''(2)'''&nbsp;  <u>Statements 2, 3 and 4</u>&nbsp; are correct:
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*The first statement is false because&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; also has components around&nbsp; $\pm 2f_{\rm T}$.
  
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*The time function&nbsp; $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$&nbsp; is real according to the given equation.
  
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*The same is true for&nbsp; $h_{\rm MKD}(t)$&nbsp; also considering the&nbsp; $\pm 2f_{\rm T}$&nbsp; parts,&nbsp; since&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; is an even function with respect&nbsp; to $f = 0$.
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*The diagram shows&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$,&nbsp; which also has components around&nbsp; $\pm 2f_{\rm T}$.&nbsp; At low frequencies,&nbsp; $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$&nbsp; is identical to&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$.
  
  
</quiz>
 
  
===Musterlösung===
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[[File:P_ID1699__Dig_Z_4_3c.png|right|frame|Resulting baseband frequency response for $f_{\rm T} \ne f_{\rm M}$]]
{{ML-Kopf}}
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'''(3)'''&nbsp; Only <u>solution 4</u> is correct:
'''(1)'''&nbsp; Für den Bandpass–Frequenzgang $H_{\rm K}(f)$ kann geschrieben werden:
+
*Here $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$ and $H_{\rm MKD}(f)$ differ even at the low frequencies.
:$$H_{\rm K}(f) = H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) \star \left [ \delta (f - f_{\rm M}) + \delta (f + f_{\rm M}) \right ] .$$
+
*$H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$&nbsp; is a Gaussian function with maximum at&nbsp; $f_{ε} = f_{\rm M} - f_{\rm T}$.  
Die Fourierrücktransformierte des Klammerausdrucks liefert eine Cosinusfunktion der Frequenz $f_{\rm M}$ mit der Amplitude 2. Nach dem Faltungssatz gilt somit:
+
*Because of this asymmetry,&nbsp; $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$&nbsp; is complex.
:$$h_{\rm K}(t) = 2 \cdot \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 \right ] \cdot \cos(2 \pi f_{\rm M} t ) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm K}(t = 0)/\Delta f_{\rm K} \hspace{0.1cm}\underline {= 2}.$$
+
*In contrast,&nbsp; $H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; is still an even function with respect to&nbsp; $f = 0$&nbsp; with real impulse response&nbsp; $h_{\rm MKD}(t)$.
Das heißt: Die TP–Impulsantwort $h_{\rm K,TP}(t)$ ist formgleich mit der Hüllkurve der BP–Impulsantwort $h_{\rm K}(t)$, aber doppelt so groß.
+
*$H_{\rm MKD}(f)$&nbsp; is composed of two Gaussian functions at&nbsp; $± f_ε$.  
  
'''(2)'''&nbsp;  Die erste Aussage ist falsch, da $H_{\rm MKD}(f)$ auch Anteile um $\pm 2f_{\rm T}$ besitzt. Die Zeitfunktion $h_{\rm K,TP}(t)$ ist entsprechend der angegebenen Gleichung reell. Gleiches gilt für $h_{\rm MKD}(t)$ auch unter Berücksichtigung der $\pm 2f_{\rm T}$–Anteile, da $H_{\rm MKD}(f)$ eine bezüglich $f = 0$ gerade Funktion ist. Richtig sind also die <u>Aussagen 2, 3 und 4.</u>
 
Die Grafik zeigt den Frequenzgang $H_{\rm MKD}(f)$, der auch Anteile um $\pm 2f_{\rm T}$ besitzt. Bei tiefen Frequenzen ist $H_{\rm K,TP}(f)$ identisch mit $H_{\rm MKD}(f)$.
 
[[File:P_ID1698__Dig_Z_4_3_b.png|center|frame|Resultierender Basisbandfrequenzgang]]
 
  
'''(3)'''&nbsp;  Hier unterscheiden sich $H_{\rm K,TP}(f)$ und $H_{\rm MKD}(f)$ auch bei den tiefen Frequenzen. $H_{\rm K,TP}(f)$ ist eine Gaußfunktion mit dem Maximum bei $f_{ε} = f_{\rm M} – f_{\rm T}$. Aufgrund dieser Unsymmetrie ist $h_{\rm K,TP}(t)$ komplex. Dagegen ist $H_{\rm MKD}(f)$ weiterhin eine bezüglich $f = 0$ gerade Funktion mit reeller Impulsantwort $h_{\rm MKD}(t)$. $H_{\rm MKD}(f)$ setzt sich aus zwei Gaußfunktionen bei $± f_ε$ zusammen. Richtig ist nur der <u>Lösungsvorschlag 4.</u>
 
[[File:P_ID1699__Dig_Z_4_3c.png|center|frame|Resultierender Basisbandfrequenzgang]]
 
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist natürlich die <u>erste Antwort.</u>
+
'''(4)'''&nbsp; Correct is of course the&nbsp; <u>first answer.</u>
  
  
Line 87: Line 110:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^1.5 Lineare digitale Modulation^]]
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[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^1.5 Linear Digital Modulation^]]

Latest revision as of 16:13, 7 May 2022

Gaussian band-pass channel

For this exercise we assume:

  • Binary phase modulation  $\rm (BPSK)$  is used for modulation.
  • Demodulation is synchronous in frequency and phase.


For carrier frequency modulated transmission,  the channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  must always be assumed to be a band-pass.  The channel parameters are  e.g.  the center frequency  $f_{\rm M}$  and the bandwidth  $\Delta f_{\rm K}$,  where the center frequency  (German:  "Mittenfrequenz"   ⇒   subscipt:  "M")  $f_{\rm M}$  often coincides with the carrier frequency  (German:  "Trägerfrequenz"   ⇒   subscipt:  "T")  $f_{\rm T}$. 

In this exercise we will assume a Gaussian band-pass according to the diagram.  For its frequency response holds:

$$H_{\rm K}(f) = {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f - f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ] +{\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( \frac {f + f_{\rm M} }{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 \right ]$$

For a simpler description,  one often uses the equivalent low-pass  ("TP")  frequency response  $H_{\rm K,TP}(f)$.  This results from  $H_{\rm K}(f)$  by

  • truncating the components at negative frequencies,
  • shifting the spectrum by  $f_{\rm T}$  to the left.


In the considered example with  $f_{\rm T} = f_{\rm M}$  for the equivalent low-pass frequency response results:

$$ H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) = {\rm e}^ { - \pi \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\left ( {f }/{\Delta f_{\rm K}}\right )^2 }.$$

The corresponding time function  ("inverse Fourier transform")  is:

$$ h_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(t) = \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm e}^ { - \pi \hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 }.$$

However,  the frequency response is also suitable for describing a phase-synchronous BPSK system in the low-pass range

$$H_{\rm MKD}(f) = {1}/{2} \cdot \left [ H_{\rm K}(f-f_{\rm T}) + H_{\rm K}(f+f_{\rm T})\right ] ,$$

where  "MKD"  stands for  "modulator – channel (Kanal) – demodulator".  Often - but not always -  $H_{\rm MKD}(f)$  and  $H_{\rm K,TP}(f)$  are identical.



Notes:


Questions

1

Give the impulse response  $h_{\rm K}(t)$  of the Gaussian band-pass channel.  What is the  (normalized)  value for time  $t = 0$?

$ h_{\rm K}(t)/\Delta f_{\rm K} \ = \ $

2

Which statements are valid under the condition  $f_{\rm T} = f_{\rm M}$?

$H_{\rm K,TP}(f)$  and  $H_{\rm MKD}(f)$  coincide completely.
$H_{\rm K,TP}(f)$  and  $H_{\rm MKD}(f)$  are the same for low frequencies.
The time function  $h_{\rm K,TP}(t)$  is real.
The time function  $h_{\rm MKD}(t)$  is real.

3

Which statements are true under the condition  $f_{\rm T} \neq f_{\rm M}$?

$H_{\rm K,TP}(f)$  and  $H_{\rm MKD}(f)$  coincide completely.
$H_{\rm K,TP}(f)$  and  $H_{\rm MKD}(f)$  are the same for low frequencies.
The time function  $h_{\rm K,TP}(t)$  is real.
The time function  $h_{\rm MKD}(t)$  is real.

4

What should be true with respect to a smaller bit error probability?

$f_{\rm M} = f_{\rm T}$,
$f_{\rm M} \neq f_{\rm T}$.


Solution

(1)  For the band-pass frequency response  $H_{\rm K}(f)$  we can write:

$$H_{\rm K}(f) = H_{\rm K,\hspace{0.04cm} TP}(f) \star \big [ \delta (f - f_{\rm M}) + \delta (f + f_{\rm M}) \big ] .$$
  • The Fourier inverse transform of the bracket expression yields a cosine function of frequency  $f_{\rm M}$  with amplitude  $2$.
  • Thus,  according to the convolution theorem:
$$h_{\rm K}(t) = 2 \cdot \Delta f_{\rm K} \cdot {\rm exp} \left [ - \pi \cdot \left ( {\Delta f_{\rm K}} \cdot t \right )^2 \right ] \cdot \cos(2 \pi f_{\rm M} t ) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}h_{\rm K}(t = 0)/\Delta f_{\rm K} \hspace{0.1cm}\underline {= 2}.$$
  • This means:  The low-pass impulse response  $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$  is identical in shape to the envelope of the band-pass impulse response  $h_{\rm K}(t)$,  but twice as large.


Resulting baseband frequency response for $f_{\rm T} = f_{\rm M}$

(2)  Statements 2, 3 and 4  are correct:

  • The first statement is false because  $H_{\rm MKD}(f)$  also has components around  $\pm 2f_{\rm T}$.
  • The time function  $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$  is real according to the given equation.
  • The same is true for  $h_{\rm MKD}(t)$  also considering the  $\pm 2f_{\rm T}$  parts,  since  $H_{\rm MKD}(f)$  is an even function with respect  to $f = 0$.
  • The diagram shows  $H_{\rm MKD}(f)$,  which also has components around  $\pm 2f_{\rm T}$.  At low frequencies,  $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$  is identical to  $H_{\rm MKD}(f)$.


Resulting baseband frequency response for $f_{\rm T} \ne f_{\rm M}$

(3)  Only solution 4 is correct:

  • Here $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$ and $H_{\rm MKD}(f)$ differ even at the low frequencies.
  • $H_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(f)$  is a Gaussian function with maximum at  $f_{ε} = f_{\rm M} - f_{\rm T}$.
  • Because of this asymmetry,  $h_{\rm K,\hspace{0.04cm}TP}(t)$  is complex.
  • In contrast,  $H_{\rm MKD}(f)$  is still an even function with respect to  $f = 0$  with real impulse response  $h_{\rm MKD}(t)$.
  • $H_{\rm MKD}(f)$  is composed of two Gaussian functions at  $± f_ε$.


(4)  Correct is of course the  first answer.