Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.6: Free Space Attenuation"

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[[File:P_ID1016__Mod_A_2_6.jpg|right|frame|Sendeanlage]]
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Ein gemäß dem Modulationsverfahren „ZSB–AM mit Träger” betriebener Kurzwellensender arbeitet mit der Trägerfrequenz $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$ und der Sendeleistung $P_{\rm S} = 100\ \rm  kW$. Er ist für eine Bandbreite von $B_{\rm NF} = 8 \ \rm kHz$ ausgelegt.
+
A shortwave transmitter operated according to the modulation method  "DSB-AM with carrier" works with carrier frequency  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$  and transmit power $P_{\rm S} = 100\ \rm  kW$.  It is designed for a low-frequency bandwidth of  $B_{\rm NF} = 8 \ \rm kHz$.
  
 
+
For test operation,  a mobile receiver is used, which operates with a synchronous demodulator.   If this is located at distance   $d$  from the transmitter,  the attenuation function of the transmission channel can be approximated as follows:  
Zum Testbetrieb wird ein mobiler Empfänger eingesetzt, der mit einem Synchrondemodulator arbeitet. Befindet sich dieser in der Distanz $d$ zum Sender, so kann die Dämpfungsfunktion des Übertragungskanals wie folgt angenähert werden:
 
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f)}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{f}{\rm MHz}
 
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f)}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{f}{\rm MHz}
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
Die Gleichung beschreibt die so genannte ''Freiraumdämpfung'', die auch von der (Träger-)Frequenz abhängt.
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This equation describes so-called  '''free space attenuation''',  which also depends on the (carrier) frequency.
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It can be assumed that the entire DSB-AM spectrum is attenuated like the carrier frequency.   This means that
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*the slightly larger attenuation of the upper sideband (USB), and
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*the slightly smaller attenuation of the lower sideband (LSB)
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are compensated for by a corresponding pre-distortion at the transmitter.
  
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Let the effective noise power density at the receiver be  $N_0 = 10^{–14}  \ \rm W/Hz.$
  
Es kann davon ausgegangen werden, dass das gesamte ZSB–AM–Spektrum wie die Trägerfrequenz gedämpft wird. Das bedeutet, dass
 
*die etwas größere Dämpfung des oberen Seitenbandes (OSB), bzw.
 
*die geringfügig kleinere Dämpfung des des unteren Seitenbandes (USB) 
 
  
durch eine entsprechende Vorverzerrung beim Sender ausgeglichen wird.
+
For the first two subtasks,  it is assumed that the transmitter transmits only the carrier,  which is equivalent to the modulation depth being  $m = 0$.
  
Die am Empfänger wirksame Rauschleistungsdichte sei $N_0 = 10^{–14}  \ \rm W/Hz.$
 
  
  
Für die beiden ersten Teilaufgaben wird vorausgesetzt, dass der Sender nur den Träger überträgt, was gleichbedeutend dafür ist, dass der Modulationsgrad $m = 0$ ist.
 
  
  
''Hinweise:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation|Synchrondemodulation]].
 
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite  [[Modulationsverfahren/Synchrondemodulation#Sinken-SNR_und_Leistungskenngr.C3.B6.C3.9Fe|Sinken-SNR und Leistungskenngröße]].
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
 +
Hints:
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*This exercise belongs to the chapter   [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|Synchronous Demodulation]].
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*Particular reference is made to the page   [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation#Sink_SNR_and_the_performance_parameter|Sink SNR and the performance parameter]].
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===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{ Welche Leistung wird im Abstand $d = 10 \ \rm km$ vom Sender empfangen, wenn nur der Träger abgestrahlt wird ($m = 0$)?
+
{ What power is received at a distance &nbsp;$d = 10 \ \rm km$&nbsp; from the transmitter when only the carrier is transmitted &nbsp;$(m = 0)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$P_{\rm E} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm mW$
 
$P_{\rm E} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm mW$
  
{ In welcher Entfernung $d$ vom Sender befindet sich der Empfänger, wenn die empfangene Leistung $P_{\rm E} = 100 \ \ rm \mu W$ beträgt??
+
{ At what distance &nbsp;$d$&nbsp; from the transmitter is the receiver located when the received power is &nbsp;$P_{\rm E} = 100 \ \rm &micro; W$??
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$d \ = \ $ { 31.6 3% } $\ \rm km$
 
$d \ = \ $ { 31.6 3% } $\ \rm km$
  
{Welches Sinken–SNR ergibt sich bei der unter (2) berechneten Distanz $d$, wenn der Modulationsgrad $m = 0.5$ beträgt?
+
{Which sink SNR results from the distance &nbsp;$d$&nbsp; calculated in subtask&nbsp; '''(2)'''&nbsp; when the modulation depth is &nbsp;$m = 0.5$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$10 · \lg ρ_v \ = \ $  { 51.5 3% } $\ \text{dB}$
 
$10 · \lg ρ_v \ = \ $  { 51.5 3% } $\ \text{dB}$
  
{Wie groß muss der Modulationsgrad $m$ mindestens gewählt werden, damit sich ein Sinken–Störabstand von $60  \ \ rm dB$ ergibt?
+
{What is the minimum modulation depth &nbsp;$m$&nbsp; that can be chosen for a resulting sink-to-noise ratio of &nbsp;$60  \ \rm dB$&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m_{\min} \ = \ $ { 2.83 5% }   
 
$m_{\min} \ = \ $ { 2.83 5% }   
  
{Welche der folgenden Aussagen sind zutreffend?
+
{Which of the following statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ ZSB–AM mit Träger macht aus energetischen Gründen keinen Sinn, wenn ein Synchrondemodulator verwendet wird.
+
+ "DSB–AM with carrier"&nbsp; does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
- ZSB–AM ohne Träger macht aus energetischen Gründen keinen Sinn, wenn ein Synchrondemodulator verwendet wird.
+
- "DSB–AM without carrier"&nbsp; does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
+ Ein kleiner Trägeranteil kann für die erforderliche Frequenz– und Phasensynchronisation hilfreich sein.
+
+ A small carrier component can be helpful for the required frequency and phase synchronization.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Entsprechend der Gleichung für die Freiraumdämpfung gilt mit d = 10 km und $f_T = 20 MHz$:
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'''(1)'''&nbsp; According to the equation for free space attenuation,&nbsp; when &nbsp; $d = 10\ \rm  km$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm T} = 20 \ \rm  MHz$,&nbsp; then:
$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{{\rm dB}}  =  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{{\rm km}} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{{\rm MHz}}=$$
+
:$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB}  =  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}=  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
$$ =  34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
+
*This corresponds to a power reduction by a factor of&nbsp; $10^{8}$:
Dies entspricht einer Leistungsverminderung um den Faktor $10^{8}$:
+
:$$P_{\rm E}= 10^{-8} \cdot P_{\rm S}= 10^{-8} \cdot 100\,{\rm kW}\hspace{0.15cm}\underline {= 1\, {\rm mW} \hspace{0.05cm}}.$$
$$P_{\rm E}= 10^{-8} \cdot P_{\rm S}= 10^{-8} \cdot 100\,{\rm kW}\hspace{0.15cm}\underline {= 10^{-3}\, {\rm W} \hspace{0.05cm}}.$$
+
 
 +
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; From&nbsp; $P_{\rm S} = 10^5 \ \rm  W$,&nbsp; $P_{\rm E} = 10{^–4}\ \rm  W$&nbsp; follows a free space attenuation of&nbsp; $90 \ \rm  dB$.&nbsp; From this,&nbsp; we further obtain:
 +
:$$20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} = ( 90-34 - 26)\hspace{0.1cm}{\rm dB}= 30\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm} d = 10^{1.5}\,{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline { = 31.6\,{\rm km}\hspace{0.05cm}}.$$
 +
 
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 +
 
 +
'''(3)'''&nbsp; For DSB–AM without carrier,&nbsp; that is,&nbsp; for a modulation depth&nbsp; $m → ∞$,&nbsp; the following would hold:
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:$$ \rho_{v } = \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}} = \frac{ P_{\rm E}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}= \frac{10^{-4}\,{\rm W}}{10^{-14}\,{\rm W/Hz}\cdot 8 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} } = 1.25 \cdot 10^6\hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \approx 61\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
 +
*With modulation depth&nbsp; $m = 0.5$&nbsp; the sink SNR becomes smaller by a factor of&nbsp; $[1 +{2}/{m^2}]^{-1} = {1}/{9}$&nbsp;.&nbsp; Thus,&nbsp; the signal-to-noise ratio at the sink is also smaller:
 +
:$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } = 61\,{\rm dB}- 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(9) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 51.5\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}}.$$
 +
 
  
  
'''2.''' Aus $P_S = 10^5 W$, $P_E = 10^–4 W$ folgt eine Freiraumdämpfung von 90 dB. Daraus erhält man weiter:
+
'''(4)'''&nbsp; According to the calculations in subtask&nbsp; '''(3)''',&nbsp; the following condition must be satisfied:
$$20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{{\rm km}} = ( 90-34 - 26)\hspace{0.1cm}{\rm dB}= 30\,{\rm dB}\hspace{5cm}$$
+
:$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\left({1 + {2}/{m^2}}\right) < 1\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 1 +{2}/{m^2} < 10^{0.1}=1.259
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} d = 10^{1.5}\,{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline { = 31.6\,{\rm km}\hspace{0.05cm}}.$$
+
\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{2}/{m^2} < 0.259 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m > \sqrt{8}\approx 2.83 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.83} \hspace{0.05cm}.$$
  
 
'''3.''' Bei ZSB–AM ohne Träger, das heißt für den Modulationsgrad m → ∞, würde gelten:
 
$$ \rho_{v } = \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}} = \frac{ P_{\rm E}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}= \frac{10^{-4}\,{\rm W}}{10^{-14}\,{\rm W/Hz}\cdot 8 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} } = 1.25 \cdot 10^6$$
 
$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \approx 61\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
 
Mit dem Modulationsgrad m = 0.5 wird das Sinken–SNR um den Faktor
 
$$\frac{1}{1 +{2}/{m^2}} = {1}/{9}$$
 
kleiner. Der Sinken–Störabstand ist somit ebenfalls geringer:
 
$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } = 61\,{\rm dB}- 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(9) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 51.5\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}}.$$
 
  
  
'''4.''' Entsprechend den Berechnungen zur Teilaufgabe c) muss nun folgende Bedingung erfüllt sein:
+
'''(5)'''&nbsp; <u>Answers 1 and 3</u>&nbsp; are correct:
$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\left({1 + {2}/{m^2}}\right) < 1\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 1 +{2}/{m^2} < 10^{0.1}=1.259$$
+
*When using a synchronous demodulator, the addition of the carrier makes no sense unless the former is useful for the required carrier recovery.
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{2}/{m^2} < 0.259 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m > \sqrt{8}\approx 2.83 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.83} \hspace{0.05cm}.$$
+
*Since the carrier cannot be used for demodulation,&nbsp; only a fraction of the transmit power is available for demodulation &nbsp; $($one third for &nbsp; $m = 1$,&nbsp; one ninth for&nbsp;  $m = 0.5)$.
'''5.''' Bei Verwendung eines Synchrondemodulators macht die Zusetzung des Trägers keinen Sinn, außer dass dieser für die erforderliche Trägerrückgewinnung nützlich sein könnte. Da der Träger zur Demodulation nicht genutzt werden kann, steht nur ein Bruchteil der Sendeleistung für die Demodulation zur Verfügung (m = 1: ein Drittel, m = 0.5: ein Neuntel). Richtig sind also die Vorschläge 1 und 3.
 
  
 
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[[Category:Aufgaben zu  Modulationsverfahren|^2.2 Synchrondemodulation^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.2 Synchronous Demodulation^]]

Latest revision as of 18:38, 8 December 2021

Photo of a transmitter

A shortwave transmitter operated according to the modulation method  "DSB-AM with carrier" works with carrier frequency  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$  and transmit power $P_{\rm S} = 100\ \rm kW$.  It is designed for a low-frequency bandwidth of  $B_{\rm NF} = 8 \ \rm kHz$.

For test operation,  a mobile receiver is used, which operates with a synchronous demodulator.  If this is located at distance   $d$  from the transmitter,  the attenuation function of the transmission channel can be approximated as follows:

$$\frac{a_{\rm K}(d, f)}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.2cm}\frac{f}{\rm MHz} \hspace{0.05cm}.$$

This equation describes so-called  free space attenuation,  which also depends on the (carrier) frequency.

It can be assumed that the entire DSB-AM spectrum is attenuated like the carrier frequency.  This means that

  • the slightly larger attenuation of the upper sideband (USB), and
  • the slightly smaller attenuation of the lower sideband (LSB)


are compensated for by a corresponding pre-distortion at the transmitter.

Let the effective noise power density at the receiver be  $N_0 = 10^{–14} \ \rm W/Hz.$


For the first two subtasks,  it is assumed that the transmitter transmits only the carrier,  which is equivalent to the modulation depth being  $m = 0$.




Hints:


Questions

1

What power is received at a distance  $d = 10 \ \rm km$  from the transmitter when only the carrier is transmitted  $(m = 0)$?

$P_{\rm E} \ = \ $

$\ \rm mW$

2

At what distance  $d$  from the transmitter is the receiver located when the received power is  $P_{\rm E} = 100 \ \rm µ W$??

$d \ = \ $

$\ \rm km$

3

Which sink SNR results from the distance  $d$  calculated in subtask  (2)  when the modulation depth is  $m = 0.5$ ?

$10 · \lg ρ_v \ = \ $

$\ \text{dB}$

4

What is the minimum modulation depth  $m$  that can be chosen for a resulting sink-to-noise ratio of  $60 \ \rm dB$ ?

$m_{\min} \ = \ $

5

Which of the following statements are true?

"DSB–AM with carrier"  does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
"DSB–AM without carrier"  does not make sense for energy reasons if a synchronous demodulator is used.
A small carrier component can be helpful for the required frequency and phase synchronization.


Solution

(1)  According to the equation for free space attenuation,  when   $d = 10\ \rm km$  and  $f_{\rm T} = 20 \ \rm MHz$,  then:

$$\frac{a_{\rm K}(d, f_{\rm T})}{\rm dB} = 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{f_{\rm T}}{\rm MHz}= 34 + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(10) + 20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(20)\approx 80\hspace{0.1cm}{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • This corresponds to a power reduction by a factor of  $10^{8}$:
$$P_{\rm E}= 10^{-8} \cdot P_{\rm S}= 10^{-8} \cdot 100\,{\rm kW}\hspace{0.15cm}\underline {= 1\, {\rm mW} \hspace{0.05cm}}.$$


(2)  From  $P_{\rm S} = 10^5 \ \rm W$,  $P_{\rm E} = 10{^–4}\ \rm W$  follows a free space attenuation of  $90 \ \rm dB$.  From this,  we further obtain:

$$20 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\frac{d}{\rm km} = ( 90-34 - 26)\hspace{0.1cm}{\rm dB}= 30\,{\rm dB}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} d = 10^{1.5}\,{\rm km}\hspace{0.15cm}\underline { = 31.6\,{\rm km}\hspace{0.05cm}}.$$


(3)  For DSB–AM without carrier,  that is,  for a modulation depth  $m → ∞$,  the following would hold:

$$ \rho_{v } = \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}} = \frac{ P_{\rm E}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}= \frac{10^{-4}\,{\rm W}}{10^{-14}\,{\rm W/Hz}\cdot 8 \cdot 10^{3}\,{\rm Hz} } = 1.25 \cdot 10^6\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \approx 61\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • With modulation depth  $m = 0.5$  the sink SNR becomes smaller by a factor of  $[1 +{2}/{m^2}]^{-1} = {1}/{9}$ .  Thus,  the signal-to-noise ratio at the sink is also smaller:
$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } = 61\,{\rm dB}- 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}(9) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 51.5\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}}.$$


(4)  According to the calculations in subtask  (3),  the following condition must be satisfied:

$$ 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\left({1 + {2}/{m^2}}\right) < 1\,{\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 1 +{2}/{m^2} < 10^{0.1}=1.259 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{2}/{m^2} < 0.259 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m > \sqrt{8}\approx 2.83 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} m_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline {= 2.83} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Answers 1 and 3  are correct:

  • When using a synchronous demodulator, the addition of the carrier makes no sense unless the former is useful for the required carrier recovery.
  • Since the carrier cannot be used for demodulation,  only a fraction of the transmit power is available for demodulation   $($one third for   $m = 1$,  one ninth for  $m = 0.5)$.