Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.6: Dimensions in GWSSUS"

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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Das GWSSUS–Kanalmodell}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile_Communications/The_GWSSUS_Channel_Model}}
  
[[File:P_ID2167__Mob_A_2_6.png|right|frame|Überblick der GWSSUS–Funktionen]]
+
[[File:P_ID2167__Mob_A_2_6.png|right|frame|Overview of the GWSSUS functions]]
Der Mobilfunkkanal kann in sehr allgemeinen Form durch vier Systemfunktionen beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen je zwei Funktionen durch
+
The mobile radio channel can be described in very general terms by four system functions, whereby the relationship between each pair of functions is described by
* die Fouriertransformation bzw.
+
* the Fourier transform or
* die Fourierrücktransformation
+
* the inverse Fourier transform.
  
  
gegeben ist.
+
We denote all of the functions with  $\eta_{i_1i_2}$. The indices $i_1$ and $i_2$ are defined as follows:
 +
* $\boldsymbol{\rm V}$  $($because of German  $\rm V\hspace{-0.05cm}$erzögerung$)$  stands for delay time  $\tau$  $($index  $i_1)$,
 +
* $\boldsymbol{\rm F}$   stands for frequency  $f$  $($index  $i_1)$,
 +
* $\boldsymbol{\rm Z}$  $($because of German  $\rm Z\hspace{-0.05cm}$eit$)$  stands for the time  $t$  $($index  $i_2)$,
 +
* $\boldsymbol{\rm D}$  stands for the Doppler frequency $f_{\rm D}$  $($index  $i_2)$.
  
Wir bezeichnen die Funktionen einheitlich mit  $\eta_{12}$. Die Indizes seien wie folgt vereinbart:
 
* <b>V</b>&nbsp; steht für Verzögerung&nbsp; $\tau$&nbsp; (Index &bdquo;1&rdquo;),
 
* <b>F</b>&nbsp; steht für die Frequenz&nbsp; $f$&nbsp; (Index &bdquo;1&rdquo;),
 
* <b>Z</b>&nbsp; steht für die Zeit&nbsp; $t$&nbsp; (Index &bdquo;2&rdquo;),
 
* <b>D</b>&nbsp; steht für die Dopplerfrequenz&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; (Index &bdquo;2&rdquo;).
 
  
 +
The relationship between the functions is shown in the diagram (yellow background).&nbsp; The Fourier correspondences are shown in green:
 +
* The transition from a circle filled with white to a circle filled with green corresponds to the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse#The_First_Fourier_Integral|Fourier transform]].
 +
* The transition from a circle filled with green to a circle filled with white corresponds to the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_Its_Inverse#The_Second_Fourier_Integral|inverse Fourier transform]]&nbsp; (opposite direction).
  
Der Zusammenhang zwischen den Funktionen ist in der Grafik (gelbe Hinterlegung) dargestellt. Die Fourierkorrespondenzen sind grün eingezeichnet:
 
* Der Übergang von einem weiß gefüllten zu einem grün gefüllten Kreis entspricht einer&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-r%C3%BCcktransformation#Das_erste_Fourierintegral| Fouriertransformation]].
 
* Der Übergang von einem grün gefüllten zu einem weiß gefüllten Kreis entspricht der&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-r%C3%BCcktransformation#Das_zweite_Fourierintegral| Fourierrücktransformation]]&nbsp;  (Gegenrichtung).
 
  
 
+
For example:  
Beispielsweise gilt:  
 
 
:$$\eta_{\rm VZ}(\tau, t)
 
:$$\eta_{\rm VZ}(\tau, t)
 
  \hspace{0.2cm}  \stackrel{\tau, \hspace{0.02cm}f}{\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet} \hspace{0.2cm} \eta_{\rm FZ}(f,t)\hspace{0.05cm},
 
  \hspace{0.2cm}  \stackrel{\tau, \hspace{0.02cm}f}{\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet} \hspace{0.2cm} \eta_{\rm FZ}(f,t)\hspace{0.05cm},
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  \hspace{0.2cm}  \stackrel{f, \hspace{0.02cm}\tau}{\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} \eta_{\rm VZ}(\tau, t)\hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.2cm}  \stackrel{f, \hspace{0.02cm}\tau}{\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} \eta_{\rm VZ}(\tau, t)\hspace{0.05cm}.$$
  
*Die hieraus abgeleitete Korrelationsfunktion&nbsp; $\varphi_{12}$&nbsp; und das Leistungsdichtespektrum&nbsp; $\it \Phi_{\rm 12}$&nbsp; werden mit den gleichen Indizes versehen wie die Systemfunktion $\eta_{12}$.  
+
*The correlation function&nbsp; $\varphi_{i_1\hspace{0.02cm}i_2}$&nbsp; and the power-spectral density&nbsp; $\it \Phi_{i_1\hspace{0.02cm}i_2}$&nbsp; are provided with the same indices as the system function $\eta_{i_1\hspace{0.02cm}i_2}$.  
*Korrelationsfunktionen erkennt man in der unteren Grafik an der roten Schrift und alle Leistungsdichtespektren sind blau beschriftet. Es wird stets vom GWSSUS&ndash;Modell ausgegangen.
+
*Correlation functions can be recognized by the red font in the lower graph and all power densitiy spectra  are labeled in blue. The GWSSUS model is always assumed.
  
  
Betrachten wir hier die Systemfunktion&nbsp; $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$, also die zeitvariante Impulsantwort&nbsp; $h(\tau, t)$. Für diese ergeben sich folgende Beschreibungsgrößen:
+
Let us consider here the system function&nbsp; $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$, i.e. the time&ndash;variant impulse response&nbsp; $h(\tau, t)$.&nbsp; We define:
 
:$$\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, t_1, \tau_2, t_2) = {\rm E} \left [ \eta_{\rm VZ}(\tau_1, t_1) \cdot  
 
:$$\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, t_1, \tau_2, t_2) = {\rm E} \left [ \eta_{\rm VZ}(\tau_1, t_1) \cdot  
 
  \eta_{\rm VZ}^{\star}(\tau_2, t_2) \right ]\hspace{0.05cm},$$
 
  \eta_{\rm VZ}^{\star}(\tau_2, t_2) \right ]\hspace{0.05cm},$$
Line 43: Line 41:
  
  
''Hinweis:'' &nbsp; Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell| Das GWSUS&ndash;Kanalmodell]].
+
''Note:'' &nbsp; This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/The_GWSSUS_Channel_Model| The GWSSUS Channel Model]].
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Stimmen die angegebenen Einheiten der Systemfunktionen?
+
{Which of the following specified dimensions of the system functions are correct?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$&nbsp; hat die Einheit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+
+ $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+ $\eta_{\rm FZ}(f, t)$&nbsp; hat keine Einheit.
+
+ $\eta_{\rm FZ}(f, t)$&nbsp; is without unit.
+ $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$&nbsp; hat keine Einheit.
+
+ $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$&nbsp; is without unit.
+ $\eta_{\rm FD}(f, f_{\rm D})$&nbsp; hat die Einheit&nbsp; $[1/\rm Hz]$.
+
+ $\eta_{\rm FD}(f, f_{\rm D})$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm Hz]$.
  
{Stimmen die Einheiten der folgenden Funktionen?
+
{Which of the following statements are correct?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \Delta t)$&nbsp; hat die Einheit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+
- $\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \Delta t)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+ ${\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, {\rm \Delta} t)$&nbsp; hat die Einheit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+
+ ${\it \phi}_{\rm VZ}(\tau, {\rm \Delta} t)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+ ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$&nbsp; hat die Einheit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+
+ ${\it \phi}_{\rm V}(\tau)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$.
  
{Stimmen die Einheiten der weiteren Funktionen?
+
{Which of the following statements  are correct?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t),&nbsp; \varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; und&nbsp; $\varphi_{\rm Z}(\Delta t)$&nbsp; haben keine Einheit.
+
+ $\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t),&nbsp; \varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; and&nbsp; $\varphi_{\rm Z}(\Delta t)$&nbsp; have no unit.
- ${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$&nbsp; hat die Einheit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+
- ${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$.
+ ${\it \Phi}_{\rm FD}(\Delta f, f_{\rm D})$&nbsp; und&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm D}(f_{\rm D})$&nbsp; haben jeweils die Einheit $[1/\rm Hz]$.
+
+ ${\it \Phi}_{\rm FD}(\Delta f, f_{\rm D})$&nbsp; and&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm D}(f_{\rm D})$&nbsp; have the unit&nbsp; $[1/\rm Hz]$ each.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; <u>Alle Aussagen sind richtig</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; <u>All statements are correct</u>:  
*$\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$ ist die zeitvariante Impulsantwort, für die auch die Bezeichnung $h(\tau, t)$ gebräuchlich ist. Wie jede Impulsantwort hat auch $h(\tau, t)$ die Einheit $[1/\rm s]$.  
+
*$\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$&nbsp; is the time-variant impulse response, for which the term&nbsp; $h(\tau, t)$&nbsp; is also common.&nbsp; Like every impulse response,&nbsp; $h(\tau, t)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$.  
*Durch Fouriertransformation der Funktion $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$ bezüglich der Verzögerung $\tau$ kommt man zu
+
*By Fourier transform of the function&nbsp; $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$&nbsp; with respect to the delay&nbsp; $\tau$&nbsp; one obtains
 
:$$\eta_{\rm FZ}(f, t) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eta_{\rm VZ}(\tau, t) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \tau}\hspace{0.15cm}{\rm d}\tau  
 
:$$\eta_{\rm FZ}(f, t) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eta_{\rm VZ}(\tau, t) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \tau}\hspace{0.15cm}{\rm d}\tau  
 
  \hspace{0.05cm}. $$
 
  \hspace{0.05cm}. $$
  
*Durch die Integration nach $\tau$ (Einheit: $\rm s$) ist $\eta_{\rm FZ}(f, t)$, die auch als &bdquo;zeitvariante Übertragungsfunktion&rdquo; bezeichnet wird, ohne Einheit. In mancher Literatur wird anstelle von $\eta_{\rm FZ}(f, t)$ auch $H(f, t)$ verwendet.
+
*Due to the integration over&nbsp; $\tau$&nbsp; $($unit:&nbsp; $\rm s)$, the time-variant transfer function&nbsp; $\eta_{\rm FZ}(f, t)$&nbsp; is dimensionless.&nbsp; <br>In some literature,&nbsp; $H(f, t)$&nbsp; is also used instead of&nbsp; $\eta_{\rm FZ}(f, t)$.
  
*Auch die Verzögerungs&ndash;Doppler&ndash;Darstellung $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$ hat keine Einheit. Diese Funktion ergibt sich aus der zeitvarianten Impulsantwort $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$ durch die Fouriertransformation hinsichtlich $t$:
+
*The delay&ndash;Doppler representation&nbsp; $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$&nbsp; is dimensionless, too.&nbsp; This function results from the time-variant impulse response&nbsp; $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$&nbsp; by Fourier transform with respect to&nbsp; $t$:
 
:$$\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eta_{\rm VZ}(\tau, t) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f_{\rm D} t}\hspace{0.15cm}{\rm d}t  
 
:$$\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eta_{\rm VZ}(\tau, t) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f_{\rm D} t}\hspace{0.15cm}{\rm d}t  
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
*Die Funktion $\eta_{\rm FD}(t, f_{\rm D})$ ergibt sich aus den dimensionalen Funktionen $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$ bzw. $\eta_{\rm FZ}(f, t)$ jeweils durch eine Fouriertransformation, was die Einheit $[\rm s] = [1/\rm Hz]$ zur Folge hat.
+
*The function&nbsp; $\eta_{\rm FD}(t, f_{\rm D})$&nbsp; is obtained from the dimensionless functions&nbsp; $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$&nbsp; and&nbsp; $\eta_{\rm FZ}(f, t)$&nbsp; respectively by a Fourier transform, which results in the unit&nbsp; $[\rm s] = [1/\rm Hz]$.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
+
'''(2)'''&nbsp; <u>Solutions 2 and 3</u> are correct:
*Die Autokorrelationsfunktion ist definitionsgemäß der folgende Erwartungswert:
+
*The auto-correlation&nbsp; $\rm (ACF)$&nbsp; function is by definition the following expected value:
 
:$$\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, t_1, \tau_2, t_2) = {\rm E} \left [ \eta_{\rm VZ}(\tau_1, t_1) \cdot  
 
:$$\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, t_1, \tau_2, t_2) = {\rm E} \left [ \eta_{\rm VZ}(\tau_1, t_1) \cdot  
 
  \eta_{\rm VZ}^{\star}(\tau_2, t_2) \right ]\hspace{0.05cm}.$$
 
  \eta_{\rm VZ}^{\star}(\tau_2, t_2) \right ]\hspace{0.05cm}.$$
  
*Da die zeitvariante Impulsantwort $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$ die Einheit $[1/\rm s]$ aufweist, hat deren AKF $\varphi_{\rm VZ}$ die Einheit $[1/\rm s^2]$, sowohl mit dem Argument $(\tau_1, l_1, \tau_2, t_2)$ als auch mit dem GWSSUS&ndash;Argument $(\Delta \tau, \ \Delta t)$.
+
*Since the time-variant impulse response&nbsp; $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$, its ACF&nbsp; $\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \Delta t)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s^2]$, both in the general case&nbsp; $\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, l_1, \tau_2, t_2)$&nbsp; and with the GWSSUS case&nbsp; $\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \ \Delta t)$.
  
*Die Diracfunktion $\delta(\Delta \tau)$ hat die Dimension $[1/\rm s]$, da das Integral über alle $\tau$ (mit Einheit $[\rm s]$) den Wert $1$ ergeben muss. Daraus folgt für die Verzögerungs&ndash;Zeit&ndash;Kreuzleistungsdichte ${\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta \tau)$ die Einheit $[1/\rm s]$, ebenso für die Verzögerungs&ndash;Leistungsdichte ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = {\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t = 0)$.  
+
*The Dirac function&nbsp; ${\rm \delta}(\Delta \tau)$&nbsp; has the unit&nbsp; $[1/\rm s]$, since the integral over all&nbsp; $\tau$&nbsp; $($with unit&nbsp; $[\rm s])$ must be&nbsp; $1$.&nbsp; Therefore, both the delay&ndash;time cross power-spectral density&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta \tau)$&nbsp; and the delay power-spectral density&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = {\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t = 0)$&nbsp; have unit&nbsp; $[1/\rm s]$.  
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind hier die <u>Aussagen 1 und 3</u>:  
+
'''(3)'''&nbsp; <u>Statements 1 and 3</u> are correct:  
*Ausgehend von der Einheit $[1/\rm s]$ der Funktion ${\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t)$ kommt man durch Fouriertransformation bezüglich $\tau$ bzw. $\Delta t$ zu den Funktionen $\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t)$ bzw. ${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$. Beide sind dimensionslos.
+
*The function&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t)$&nbsp; has unit&nbsp; $[1/\rm s]$.&nbsp; Its Fourier transform with respect to&nbsp; $\tau$&nbsp; is&nbsp; $\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t)$, while its Fourier transform with respect to&nbsp; $t$&nbsp; is&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$.&nbsp; Both&nbsp; $\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t)$&nbsp; and&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$&nbsp; are therefore without unit.
  
*Das Frequenz&ndash;Doppler&ndash;Kreuzleistungsdichtespektrum hat die Einheit $[\rm s] = [1/\rm Hz]$, wegen
+
*The frequency&ndash;Doppler cross power-spectral density has the unit&nbsp; $[\rm s] = [1/\rm Hz]$, because
 
:$${\it \Phi}_{\rm FD}(\Delta f, f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} {\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D}) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f_{\rm D} \tau}\hspace{0.15cm}{\rm d}\tau \hspace{0.05cm}. $$
 
:$${\it \Phi}_{\rm FD}(\Delta f, f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} {\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D}) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f_{\rm D} \tau}\hspace{0.15cm}{\rm d}\tau \hspace{0.05cm}. $$
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Exercises for Mobile Communications|^2.3 Das GWSSUS&ndash;Kanalmodell^]]
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[[Category:Mobile Communications: Exercises|^2.3 The GWSSUS Channel Model^]]

Latest revision as of 13:41, 17 February 2022

Overview of the GWSSUS functions

The mobile radio channel can be described in very general terms by four system functions, whereby the relationship between each pair of functions is described by

  • the Fourier transform or
  • the inverse Fourier transform.


We denote all of the functions with  $\eta_{i_1i_2}$. The indices $i_1$ and $i_2$ are defined as follows:

  • $\boldsymbol{\rm V}$  $($because of German  $\rm V\hspace{-0.05cm}$erzögerung$)$  stands for delay time  $\tau$  $($index  $i_1)$,
  • $\boldsymbol{\rm F}$  stands for frequency  $f$  $($index  $i_1)$,
  • $\boldsymbol{\rm Z}$  $($because of German  $\rm Z\hspace{-0.05cm}$eit$)$  stands for the time  $t$  $($index  $i_2)$,
  • $\boldsymbol{\rm D}$  stands for the Doppler frequency $f_{\rm D}$  $($index  $i_2)$.


The relationship between the functions is shown in the diagram (yellow background).  The Fourier correspondences are shown in green:

  • The transition from a circle filled with white to a circle filled with green corresponds to the  Fourier transform.
  • The transition from a circle filled with green to a circle filled with white corresponds to the  inverse Fourier transform  (opposite direction).


For example:

$$\eta_{\rm VZ}(\tau, t) \hspace{0.2cm} \stackrel{\tau, \hspace{0.02cm}f}{\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet} \hspace{0.2cm} \eta_{\rm FZ}(f,t)\hspace{0.05cm}, \hspace{0.4cm}\eta_{\rm FZ}(f,t) \hspace{0.2cm} \stackrel{f, \hspace{0.02cm}\tau}{\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} \eta_{\rm VZ}(\tau, t)\hspace{0.05cm}.$$
  • The correlation function  $\varphi_{i_1\hspace{0.02cm}i_2}$  and the power-spectral density  $\it \Phi_{i_1\hspace{0.02cm}i_2}$  are provided with the same indices as the system function $\eta_{i_1\hspace{0.02cm}i_2}$.
  • Correlation functions can be recognized by the red font in the lower graph and all power densitiy spectra are labeled in blue. The GWSSUS model is always assumed.


Let us consider here the system function  $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$, i.e. the time–variant impulse response  $h(\tau, t)$.  We define:

$$\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, t_1, \tau_2, t_2) = {\rm E} \left [ \eta_{\rm VZ}(\tau_1, t_1) \cdot \eta_{\rm VZ}^{\star}(\tau_2, t_2) \right ]\hspace{0.05cm},$$
$$\Delta \tau = \tau_2 - \tau_1 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \Delta t = t_2 - t_1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \Delta t) \hspace{0.05cm}, $$
$$\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \Delta t) = \delta(\Delta \tau) \cdot {\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t) \hspace{0.05cm}.$$
$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = {\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t = 0)\hspace{0.05cm}. $$


Note:   This exercise belongs to the chapter  The GWSSUS Channel Model.


Questionnaire

1

Which of the following specified dimensions of the system functions are correct?

$\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$  has the unit  $[1/\rm s]$.
$\eta_{\rm FZ}(f, t)$  is without unit.
$\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$  is without unit.
$\eta_{\rm FD}(f, f_{\rm D})$  has the unit  $[1/\rm Hz]$.

2

Which of the following statements are correct?

$\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \Delta t)$  has the unit  $[1/\rm s]$.
${\it \phi}_{\rm VZ}(\tau, {\rm \Delta} t)$  has the unit  $[1/\rm s]$.
${\it \phi}_{\rm V}(\tau)$  has the unit  $[1/\rm s]$.

3

Which of the following statements are correct?

$\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t),  \varphi_{\rm F}(\Delta f)$  and  $\varphi_{\rm Z}(\Delta t)$  have no unit.
${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$  has the unit  $[1/\rm s]$.
${\it \Phi}_{\rm FD}(\Delta f, f_{\rm D})$  and  ${\it \Phi}_{\rm D}(f_{\rm D})$  have the unit  $[1/\rm Hz]$ each.


Solution

(1)  All statements are correct:

  • $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$  is the time-variant impulse response, for which the term  $h(\tau, t)$  is also common.  Like every impulse response,  $h(\tau, t)$  has the unit  $[1/\rm s]$.
  • By Fourier transform of the function  $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$  with respect to the delay  $\tau$  one obtains
$$\eta_{\rm FZ}(f, t) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eta_{\rm VZ}(\tau, t) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \tau}\hspace{0.15cm}{\rm d}\tau \hspace{0.05cm}. $$
  • Due to the integration over  $\tau$  $($unit:  $\rm s)$, the time-variant transfer function  $\eta_{\rm FZ}(f, t)$  is dimensionless. 
    In some literature,  $H(f, t)$  is also used instead of  $\eta_{\rm FZ}(f, t)$.
  • The delay–Doppler representation  $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$  is dimensionless, too.  This function results from the time-variant impulse response  $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$  by Fourier transform with respect to  $t$:
$$\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} \eta_{\rm VZ}(\tau, t) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f_{\rm D} t}\hspace{0.15cm}{\rm d}t \hspace{0.05cm}.$$
  • The function  $\eta_{\rm FD}(t, f_{\rm D})$  is obtained from the dimensionless functions  $\eta_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$  and  $\eta_{\rm FZ}(f, t)$  respectively by a Fourier transform, which results in the unit  $[\rm s] = [1/\rm Hz]$.


(2)  Solutions 2 and 3 are correct:

  • The auto-correlation  $\rm (ACF)$  function is by definition the following expected value:
$$\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, t_1, \tau_2, t_2) = {\rm E} \left [ \eta_{\rm VZ}(\tau_1, t_1) \cdot \eta_{\rm VZ}^{\star}(\tau_2, t_2) \right ]\hspace{0.05cm}.$$
  • Since the time-variant impulse response  $\eta_{\rm VZ}(\tau, t)$  has the unit  $[1/\rm s]$, its ACF  $\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \Delta t)$  has the unit  $[1/\rm s^2]$, both in the general case  $\varphi_{\rm VZ}(\tau_1, l_1, \tau_2, t_2)$  and with the GWSSUS case  $\varphi_{\rm VZ}(\Delta \tau, \ \Delta t)$.
  • The Dirac function  ${\rm \delta}(\Delta \tau)$  has the unit  $[1/\rm s]$, since the integral over all  $\tau$  $($with unit  $[\rm s])$ must be  $1$.  Therefore, both the delay–time cross power-spectral density  ${\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta \tau)$  and the delay power-spectral density  ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = {\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t = 0)$  have unit  $[1/\rm s]$.


(3)  Statements 1 and 3 are correct:

  • The function  ${\it \Phi}_{\rm VZ}(\tau, \Delta t)$  has unit  $[1/\rm s]$.  Its Fourier transform with respect to  $\tau$  is  $\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t)$, while its Fourier transform with respect to  $t$  is  ${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$.  Both  $\varphi_{\rm FZ}(\Delta f, \Delta t)$  and  ${\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D})$  are therefore without unit.
  • The frequency–Doppler cross power-spectral density has the unit  $[\rm s] = [1/\rm Hz]$, because
$${\it \Phi}_{\rm FD}(\Delta f, f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} {\it \Phi}_{\rm VD}(\tau, f_{\rm D}) \cdot {\rm e}^{- {\rm j}\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f_{\rm D} \tau}\hspace{0.15cm}{\rm d}\tau \hspace{0.05cm}. $$