Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2Z: Puls Code Modulation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Prinzip der Nachrichtenübertragung}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Signal_classification}}
  
  
[[File:P_ID342__Sig_Z_1_2.png|right|Komponenten der Pulscodemodulation]]
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[[File:EN_Sig_Z_1_2.png|right|frame|PCM components]]
Alle modernen Nachrichtenübertragungssysteme sind digital. Das Prinzip der digitalen Übertragung von Sprachsignalen geht auf [https://de.wikipedia.org/wiki/Alec_Reeves Alec Reeves] zurück, der die sogenannte ''Pulscodemodulation'' (PCM) bereits 1938 erfunden hat.
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All modern communication systems are digital.  The principle of digital transmission of speech signals goes back to  [https://en.wikipedia.org/wiki/Alec_Reeves Alec Reeves],  who invented the so-called  "Puls Code Modulation"  $\rm (PCM)$  as early as 1938.
  
Rechts sehen Sie das (vereinfachte) Blockschaltbild des PCM-Senders mit den drei Funktionseinheiten:
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On the right you see the (simplified) block diagram of the PCM transmitter with three functional units:
* Das bandbegrenzte Sprachsignal ${q(t)}$ wird abgetastet, wobei das [[Signaldarstellung/Zeitdiskrete_Signaldarstellung#Das_Abtasttheorem|Abtasttheorem]] zu beachten ist, und ergibt das Signal $q_{\rm A}(t)$.
+
*The band-limited speech signal  ${q(t)}$  is sampled, where the  [[Signal_Representation/Time_Discrete_Signal_Representation#The_Sampling_Theorem|Sampling Theorem]]  is observed, and yields the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$.
* Jeder Abtastwert $q_{\rm A}(t)$ wird auf einen von $M = 2^N$ quantisierten Werten abgebildet; das dazugehörige Signal nennen wir $q_{\rm Q}(t)$.
+
* Each sample  $q_{\rm A}(t)$  is mapped to one of  $M = 2^N$  results in the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$.
* Jeder einzelne Quantisierungswert wird durch eine Codefolge von $N$ Binärsymbolen dargestellt und ergibt das codierte Signal $q_{\rm C}(t)$.
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* Each individual quantized value is represented by a code sequence of  $N$  binary symbols and results in the coded signal  $q_{\rm C}(t)$.
  
  
In dieser Aufgabe sollen nur die verschiedenen Signale des PCM-Senders klassifiziert werden. Spätere Aufgaben behandeln weitere Eigenschaften der Pulscodemodulation.
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In this task only the different signals of the PCM transmitter are to be classified.&nbsp; <br>Later tasks will deal with other properties of the puls code modulation.
  
''Hinweis:'' Diese Zusatzaufgabe gehört zum Kapitel [[Signaldarstellung/Klassifizierung_von_Signalen|Klassifizierung von Signalen]].
 
  
  
  
===Fragebogen===
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''Note:'' &nbsp; This task belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification|Signal classification]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der Aussagen sind für das Quellensignal ${q(t)}$ zutreffend?
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{Which of the statements are true for the source signal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Im Normalbetrieb ist ${q(t)}$ ein stochastisches Signal.
+
+ In normal operation&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; is a stochastic signal.
+ Ein deterministisches Quellensignal ist nur bei Testbetrieb oder für theoretische Untersuchungen sinnvoll.
+
+ A deterministic source signal is only useful in test operation or for theoretical investigations.
- ${q(t)}$ ist ein zeitdiskretes Signal.
+
- ${q(t)}$&nbsp; is a discrete-time signal.
+ ${q(t)}$ ist ein wertkontinuierliches Signal.
+
+ ${q(t)}$&nbsp; is a continuous-valued signal.
  
  
{Welche der Aussagen treffen für das abgetastete Signal $q_{\rm A}(t)$ zu?
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{Which of the statements apply to the sampled signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $q_{\rm A}(t)$ ist ein wertdiskretes Signal.
+
- $q_{\rm A}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal.
+ $q_{\rm A}(t)$ ist ein zeitdiskretes Signal.
+
+ $q_{\rm A}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
+ Je größer die maximale Frequenz des Nachrichtensignals ist, desto größer muss die Abtastrate gewählt werden.
+
+ The higher the maximum frequency of the source signal, the higher the sampling rate must be selected.
  
  
{Welche Aussagen sind für das quantisierte Signal $q_{\rm Q}(t)$ zutreffend, wenn $N = 8$ zugrunde gelegt wird?
+
{Which statements are true for the quantized signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; if&nbsp; $N = 8$&nbsp; is taken as a base?
 
|type="[]"}
 
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+ $q_{\rm Q}(t)$ ist ein zeitdiskretes Signal.
+
+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
- $q_{\rm Q}(t)$ ist wertdiskret mit $M = 8$ möglichen Werten.
+
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal with&nbsp; $M = 8$&nbsp; possible values.
+ $q_{\rm Q}(t)$ ist wertdiskret mit $M = 256$ möglichen Werten.
+
+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal with&nbsp; $M = 256$&nbsp; possible values.
- $q_{\rm Q}(t)$ ist ein Binärsignal.
+
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a binary signal.
  
  
{Welche Aussagen sind für das codierte Signal $q_{\rm C}(t)$ zutreffend, wenn $N = 8$ zugrunde gelegt wird?
+
{Which statements are true for the coded signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; if&nbsp; $N = 8$&nbsp; is taken as a base?
 
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+ $q_{\rm C}(t)$ ist ein zeitdiskretes Signal.
+
+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
- $q_{\rm C}(t)$ ist ein wertdiskretes Signal mit $M = 8$ möglichen Werten.
+
- $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal with&nbsp; $M = 8$&nbsp; possible values.
+ $q_{\rm C}(t)$ ist ein Binärsignal.
+
+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a binary signal.
- Bei Abtastung im Abstand $T_{\rm A}$ beträgt die Bitdauer $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
+
- When sampling at distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; the bit duration is&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
+ Bei Abtastung im Abstand $T_{\rm A}$ beträgt die Bitdauer $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.
+
+ When sampling at distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; the bit duration is&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.
  
  
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</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 4</u>:
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'''(1)'''&nbsp; Correct are the <u>solutions 1, 2 and 4</u>:
*Das Quellensignal ${q(t)}$ ist analog, also ''wert- und zeitkontinuierlich''.
+
*The source signal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; is analog, i.e. "continuous in time and value".
*Im Allgemeinen macht es keinen Sinn, ein deterministisches Signal zu übertragen.  
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*In general, it makes no sense to transmit a deterministic signal.
*Für die mathematische Beschreibung eignet sich allerdings ein deterministisches Quellensignal - wie zum Beispiel ein periodisches Signal - besser als ein Zufallssignal.  
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*For the mathematical description, a deterministic source signal &ndash; such as a periodic signal &ndash; is better suited than a random signal.
*Deterministische Signale werden auch für den Testbetrieb herangezogen, um erkannte Fehlfunktionen rekonstruieren zu können.  
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*Deterministic signals are also used for testing in order to be able to reconstruct detected errors.
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'''(2)'''&nbsp;  Correct are the <u>solution suggestions 2 and 3</u>:
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*After sampling, the signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp;  is still&nbsp; continuous in value, but now also&nbsp;discrete in time.  
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*The sampling frequency&nbsp; $f_{\rm A}$&nbsp; is given by the so-called&nbsp; "Sampling Theorem".  
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*The greater the maximum frequency&nbsp; $f_{\rm N,\,max}$&nbsp; of the source signal, the greater must&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$&nbsp; be selected.
 +
 
  
  
'''2.'''  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
+
'''(3)'''&nbsp; Correct are the <u>solution suggestions 1 and 3</u>:
*Das Signal $q_{\rm A}(t)$ nach der Abtastung ist weiterhin ''wertkontinuierlich'', aber nun ''zeitdiskret''.
+
*The quantized signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is  discrete in time and value, where the number of levels are&nbsp; $M = 2^8 = 256$&nbsp;.
*Die Abtastfrequenz $f_{\rm A}$ ist dabei durch das so genannte ''Abtasttheorem'' vorgegeben.  
+
*A binary signal, on the other hand, is a  discrete-valued signal with the level number&nbsp; $M = 2$.  
*Je größer die maximale Frequenz $f_{\rm N,\,max}$ des Nachrichtensignals ist, desto größer muss $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$ gewählt werden.
 
  
  
'''3.'''  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>:
 
*Das quantisierte Signal $q_{\rm A}(t)$ ist zeit- und wertdiskret, wobei die Stufenzahl $M = 2^8 = 256$ beträgt.
 
*Ein Binärsignal ist dagegen ein wertdiskretes Signal mit der Stufenzahl $M = 2$.
 
  
  
'''4.'''  Das codierte Signal $q_{\rm C}(t)$ ist binär (Stufenzahl $M = 2$) mit Bitdauer $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$. Richtig sind hier die <u>Lösungsvorschläge 1, 3 und 5</u>.
+
'''(4)'''&nbsp; Correct are the <u>solutions 1, 3 and 5</u>:
 +
*The coded signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is binary&nbsp; $($level number&nbsp; $M = 2)$&nbsp; with bit duration&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^1. Grundbegriffe der Nachrichtentechnik^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^1.2 Signal Classification^]]

Latest revision as of 10:42, 11 October 2021


PCM components

All modern communication systems are digital.  The principle of digital transmission of speech signals goes back to  Alec Reeves,  who invented the so-called  "Puls Code Modulation"  $\rm (PCM)$  as early as 1938.

On the right you see the (simplified) block diagram of the PCM transmitter with three functional units:

  • The band-limited speech signal  ${q(t)}$  is sampled, where the  Sampling Theorem  is observed, and yields the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$.
  • Each sample  $q_{\rm A}(t)$  is mapped to one of  $M = 2^N$  results in the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$.
  • Each individual quantized value is represented by a code sequence of  $N$  binary symbols and results in the coded signal  $q_{\rm C}(t)$.


In this task only the different signals of the PCM transmitter are to be classified. 
Later tasks will deal with other properties of the puls code modulation.




Note:   This task belongs to the chapter  Signal classification.


Questions

1

Which of the statements are true for the source signal  ${q(t)}$ ?

In normal operation  ${q(t)}$  is a stochastic signal.
A deterministic source signal is only useful in test operation or for theoretical investigations.
${q(t)}$  is a discrete-time signal.
${q(t)}$  is a continuous-valued signal.

2

Which of the statements apply to the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$ ?

$q_{\rm A}(t)$  is a discrete-valued signal.
$q_{\rm A}(t)$  is a discrete-time signal.
The higher the maximum frequency of the source signal, the higher the sampling rate must be selected.

3

Which statements are true for the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$  if  $N = 8$  is taken as a base?

$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-time signal.
$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-valued signal with  $M = 8$  possible values.
$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-valued signal with  $M = 256$  possible values.
$q_{\rm Q}(t)$  is a binary signal.

4

Which statements are true for the coded signal  $q_{\rm C}(t)$  if  $N = 8$  is taken as a base?

$q_{\rm C}(t)$  is a discrete-time signal.
$q_{\rm C}(t)$  is a discrete-time signal with  $M = 8$  possible values.
$q_{\rm C}(t)$  is a binary signal.
When sampling at distance  $T_{\rm A}$  the bit duration is  $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
When sampling at distance  $T_{\rm A}$  the bit duration is  $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.


Solution

(1)  Correct are the solutions 1, 2 and 4:

  • The source signal  ${q(t)}$  is analog, i.e. "continuous in time and value".
  • In general, it makes no sense to transmit a deterministic signal.
  • For the mathematical description, a deterministic source signal – such as a periodic signal – is better suited than a random signal.
  • Deterministic signals are also used for testing in order to be able to reconstruct detected errors.


(2)  Correct are the solution suggestions 2 and 3:

  • After sampling, the signal  $q_{\rm A}(t)$  is still  continuous in value, but now also discrete in time.
  • The sampling frequency  $f_{\rm A}$  is given by the so-called  "Sampling Theorem".
  • The greater the maximum frequency  $f_{\rm N,\,max}$  of the source signal, the greater must  $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$  be selected.


(3)  Correct are the solution suggestions 1 and 3:

  • The quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$  is discrete in time and value, where the number of levels are  $M = 2^8 = 256$ .
  • A binary signal, on the other hand, is a discrete-valued signal with the level number  $M = 2$.



(4)  Correct are the solutions 1, 3 and 5:

  • The coded signal  $q_{\rm C}(t)$  is binary  $($level number  $M = 2)$  with bit duration  $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.