Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.7Z: Coherence Bandwidth of the LTI Two-Path Channel"

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[[File:P_ID2178__Mob_Z_2_7.png|right|frame|Zwei Zweiwegekanäle]]
 
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Zum GWSSUS–Modell werden zwei Kenngrößen angegeben, die beide die entstehende Verzögerung  $\tau$  statistisch erfassen. Mehr Informationen zum Thema „Mehrwegeausbreitung” finden Sie im Abschnitt  [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell#Simulation_gem.C3.A4.C3.9F_dem_GWSSUS.E2.80.93Modell| Simulation gemäß dem GWSSUS–Modell]]  des Theorieteils.
+
For the GWSSUS–model, two parameters are given, which both statistically capture the resulting delay  $\tau$ . More information on the topic „multipath propagation” can be found in section  [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell#Simulation_gem.C3.A4.C3.9F_dem_GWSSUS.E2.80.93Modell| Simulation gemäß dem GWSSUS–Modell]]  of the theory part.
* Die &nbsp;<b>Mehrwegeverbreiterung</b>&nbsp; $T_{\rm V}$&nbsp; ist definitionsgemäß gleich der Standardabweichung der Zufallsgröße &nbsp;$\tau$. <br>Diese kann aus der Wahrscheinlichkeitsdichte&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp; ermittelt werden. Die WDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp; ist dabei formgleich mit dem Verzögerungs&ndash;Leistungsdichtespektrum&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.  
+
* The &nbsp;<b>delay spread</b>&nbsp; $T_{\rm V}$&nbsp; is by definition equal to the standard deviation of the random variable &nbsp;$\tau$. <br>This can be determined from the probability density&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp;. The PDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp; has the same shape as the delay power density spectrum&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.  
* Die &nbsp;<b>Kohärenzbandbreite</b>&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; beschreibt den gleichen Sachverhalt im Frequenzbereich. <br>Diese ist implizit durch die Frequenz&ndash;Korrelationsfunktion&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; festgelegt als derjenige&nbsp; $\Delta f$&ndash;Wert, bei dem deren Betrag erstmals auf die Hälfte abgefallen ist:
+
* The &nbsp;<b>coherence bandwidth</b>&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; describes the same situation in the frequency domain. <br> This is implicitly defined by the frequency&ndash;correlation function&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\delta f)$&nbsp; defined as the&nbsp; $\delta f$&ndash;value at which its amount first dropped to half:
:$$|\varphi_{\rm F}(\Delta f = B_{\rm K})| \stackrel {!}{=} {1}/{2} \cdot |\varphi_{\rm F}(\Delta f = 0)| \hspace{0.05cm}.$$
+
$$$\varphi_{\rm F}(\Delta f = B_{\rm K})| \stackrel {!}{=} {1}/{2} \cdot |\varphi_{\rm F}(\delta f = 0)| \hspace{0.05cm}.$$
  
Der Zusammenhang zwischen&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$&nbsp; und&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; ist durch die Fouriertransformation gegeben:
+
The connection between&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$&nbsp; and&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\delta f)$&nbsp; is given by the Fourier transform:
:$$\varphi_{\rm F}(\Delta f)
+
$$\varphi_{\rm F}(\delta f)
  \hspace{0.2cm} {\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} {\it \Phi}_{\rm V}(\tau)\hspace{0.05cm}.$$
+
  \{\hspace{0.2cm} {\bullet\!} {\hspace{0.2cm} {\it \Phi}_{\rm V}(\tau)\hspace{0.05cm}.$
  
*Beide Definitionen sind bei einem zeitinvarianten Kanal nur bedingt geeignet.  
+
*Both definitions are only partially suitable for a time invariant channel.  
*Oft verwendet man für einen zeitinvarianten Zweiwegekanal (also mit konstanten Pfadgewichten entsprechend obiger Grafik) als Näherung für die Kohärenzbandbreite:
+
*Often one uses for a time invariant two-way channel (i.e. with constant path weights according to the above graphic) as an approximation for the coherence bandwidth:
:$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{\tau_{\rm max} - \tau_{\rm min}} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{\frac_{\rm max} - \frac_{\rm min}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
In dieser Aufgabe soll geklärt werden,
+
In this task we want to clarify
* warum es in der Literatur verschiedene Definitionen für die Kohärenzbandbreite gibt,
+
* why there are different definitions for the coherence band in the literature,
* welcher Zusammenhang zwischen&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; und&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; besteht, und
+
* which connection exists between&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; and&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; and
* welche Definitionen bei welchen Randbedingungen sinnvoll sind.
+
* which definitions make sense for which boundary conditions.
  
  
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''Hinweise:''
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''Notes:''
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell| Das GWSSUS&ndash;Kanalmodell]].
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*This task belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell| Das GWSSUS&ndash;Kanalmodell]].
*Bezug genommen  wird auch auf einige Theorieseiten im Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Mehrwegeempfang_beim_Mobilfunk| Mehrwegeempfang beim Mobilfunk]].
+
*This task also refers to some theory pages in chapter&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Mehrwegeempfang_beim_Mobilfunk| Mehrwegeempfang beim Mobilfunk]].
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Kohärenzbandbreitennäherungen&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; ergeben sich für Kanal &nbsp;$\rm A$&nbsp; und &nbsp;$\rm B$?
+
{Which coherence bandwidth approximations&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; are there for channel &nbsp;$\rm A$&nbsp; and &nbsp;$\rm B$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Kanal &nbsp;${\rm A} \text {:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \rm kHz$
+
Channel &nbsp;${\rm A} \text \ \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \ \rm kHz$
Kanal &nbsp;${\rm B} \text {:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \rm kHz$
+
Channel &nbsp;${\rm B} \text \ \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \ \rm kHz$
  
{Wie lautet die WDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$? $G$&nbsp; gibt das Gewicht des zweiten Pfades an.  
+
{What is the WDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$? $G$&nbsp; indicates the weight of the second path.  
 
|type="()"}
 
|type="()"}
 
- $f_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + G \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$,
 
- $f_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + G \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$,
Line 47: Line 47:
 
+ $f_{\rm V}(\tau) = 1/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau) + G^2/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$.
 
+ $f_{\rm V}(\tau) = 1/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau) + G^2/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$.
  
{Berechnen Sie die Mehrwegeverbreitung&nbsp; $ T_{\rm V}$.
+
{Calculate the multipath propagation&nbsp; $ T_{\rm V}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Kanal &nbsp;${\rm A} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.5 3% } $\ \rm &micro; s$
+
Channel &nbsp;${\rm A} \text \ \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.5 3% } $\ \rm &micro; s$
Kanal &nbsp;${\rm B} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.4 3% } $\ \rm &micro; s$
+
Channel &nbsp;${\rm B} \text \ \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.4 3% } $\ \rm &micro; s$
  
{Welche Kohärenzbandbreite&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; weist der Kanal &nbsp;${\rm A}$&nbsp; auf?
+
{What is the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; does the channel &nbsp;${\rm A}$&nbsp; have?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
+
+ It applies&nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
+
- It is&nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \rm MHz$.
+
- It applies&nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \rm MHz$.
- $B_{\rm K}$&nbsp; ist nach dieser Definition nicht angebbar.
+
- $B_{\rm K}$&nbsp; cannot be specified according to this definition.
  
{Welche Kohärenzbandbreite&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; weist der Kanal &nbsp;${\rm B}$&nbsp; auf?
+
{Which coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; does channel &nbsp;${\rm B}$&nbsp; have?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
+
- It applies&nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
+
- It is&nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \rm MHz$.
+
- It applies&nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \ \rm MHz$.
+ $B_{\rm K}$&nbsp; ist nach dieser Definition nicht angebbar.
+
+ $B_{\rm K}$&nbsp; cannot be specified according to this definition.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Sample solution===
{{ML-Kopf}}
+
{{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Bei beiden Kanälen beträgt Laufzeitdifferenz $\Delta \tau = \tau_{\rm max} \, - \tau_{\rm min} = 1 \ \rm &micro; s$.
+
'''(1)'''&nbsp; For both channels the runtime difference is $\Delta \tau = \tau_{\rm max} \, - \tau_{\rm min} = 1 \ \ \rm &micro; s$.
* Deshalb ergibt sich bei beiden Kanälen der gleiche Wert:
+
* That's why both channels have the same value:
:$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ \underline {= 1000 \ \rm kHz}.$$
+
$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ \ \underline {= 1000 \ \rm kHz}.$$
  
 +
'''(2)'''&nbsp; The graphics refer to the impulse response $h(\tau)$.
 +
*To obtain the delay&ndash;LDS, the weights must be squared:
 +
$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = 1^2 \cdot \delta(\tau) + G^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$
  
'''(2)'''&nbsp; Die Grafiken beziehen sich auf die Impulsantwort $h(\tau)$.  
+
*The integral over ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ is therefore $1 + G^2$.  
*Um das Verzögerungs&ndash;LDS zu erhalten, müssen die Gewichte quadriert werden:
+
*The probability density function (WDF), however, must give the &bdquo;area 1&rdquo; (sum of the two Dirac weights equals $1$). From this follows:
:$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = 1^2 \cdot \delta(\tau) + G^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
+
$$f_{\rm V}(\tau) = \frac{1}{1}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau) + \frac{G^2}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$
  
*Das Integral über ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ ist demnach $1 + G^2$.  
+
*So only the <u>solution 3</u> is correct.
*Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF) muss aber die &bdquo;Fläche 1&rdquo; ergeben (Summe der beiden Diracgewichte gleich $1$). Daraus folgt:
+
*The first proposal does not describe the WDF $f_{\rm V}(\tau)$, but the impulse response $h(\tau)$.  
:$$f_{\rm V}(\tau) = \frac{1}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau) + \frac{G^2}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
+
*The second equation specifies the delay &ndash;LDS ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.
  
*Richtig ist somit nur der <u>Lösungsvorschlag 3</u>.
 
*Der erste Vorschlag beschreibt nicht die WDF $f_{\rm V}(\tau)$, sondern die Impulsantwort $h(\tau)$.
 
*Die zweite Gleichung gibt das Verzögerungs&ndash;LDS ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ an.
 
  
  
 
+
'''(3)'''&nbsp; For channel &nbsp;$\rm A$&nbsp; the two impulse weights are equal.  
'''(3)'''&nbsp; Beim Kanal &nbsp;$\rm A$&nbsp; sind die beiden Impulsgewichte gleich.  
+
*This means that for the mean value $m_{\rm V}$ and the standard deviation $\sigma_{\rm V} = T_{\rm V}$ can be written without a big calculation:
*Damit kann für den Mittelwert $m_{\rm V}$ und die Standardabweichung $\sigma_{\rm V} = T_{\rm V}$ ohne große Rechnung geschrieben werden:
+
$$m_{\rm V} = \frac{\frost_0}{2} {\hspace{0.15cm} {= 0.5\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}
:$$m_{\rm V} = \frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm} {= 0.5\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm},
+
  \hspace{0.2cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} =\frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5\,{\rm &micro; s}
  \hspace{0.2cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} =\frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5\,{\rm &micro; s}}
 
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Beim Kanal &nbsp;$\rm B$&nbsp; sind die Impulsgewichte $1/(1+0.5^2) = 0.8$ (für $\tau = 0$) und $0.2$ (für $\tau = 1 \ \rm &micro; s$).
+
For channel &nbsp;$\rm B$&nbsp; the pulse weights are $1/(1+0.5^2) = 0.8$ (for $\tau = 0$) and $0.2$ (for $\tau = 1 \ \rm &micro; s$).
* Damit erhält man für den linearen und den quadratischen Mittelwert nach den [[Stochastische_Signaltheorie/Erwartungswerte_und_Momente#Momentenberechnung_als_Scharmittelwert|grundlegenden Gesetzen]] der Statistik:
+
* This gives for the linear and the quadratic mean value according to the [[Stochastic_Signal Theory/Expected Values_and_Moments#Moment Calculation_as_Sharsh Mean Value|basic Laws]] of statistics:
 
:$$m_{\rm 1} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0 + 0.2 \cdot 1\,{\rm &micro; s} = 0.2\,{\rm &micro; s} \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}
 
:$$m_{\rm 1} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0 + 0.2 \cdot 1\,{\rm &micro; s} = 0.2\,{\rm &micro; s} \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}
 
m_{\rm 2} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0^2 + 0.2 \cdot (1\,{\rm &micro; s})^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 \hspace{0.05cm}.$$
 
m_{\rm 2} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0^2 + 0.2 \cdot (1\,{\rm &micro; s})^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 \hspace{0.05cm}.$$
  
*Zum gesuchten Ergebnis kommt man mit dem [[Stochastische_Signaltheorie/Erwartungswerte_und_Momente#Einige_h.C3.A4ufig_benutzte_Zentralmomente| Satz von Steiner]].
+
*To get the result you are looking for you can use the [[Stochastic_Signaltheorie/Expected_values_and_Moments#Some_h.C3.A4Used_central_moments| Theorem of Steiner]].
:$$\sigma_{\rm V}^2 = m_{\rm 2} - m_{\rm 1}^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 - (0.2\,{\rm &micro; s})^2 = 0.16\,({\rm &micro; s})^2
+
$$\sigma_{\rm V}^2 = m_{\rm 2} - m_{\rm 1}^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 - (0.2\,{\rm &micro; s})^2 = 0.16\,({\rm &micro; s})^2
 
   \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V}  \hspace{0.15cm}\underline {= 0.4\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V}  \hspace{0.15cm}\underline {= 0.4\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Die Frequenz&ndash;Korrelationsfunktion ist die Fouriertransformierte von ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + \delta(\tau \, &ndash; \tau_0)$:
+
'''(4)'''&nbsp; The frequency&ndash;correlation function is the Fourier transform of ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + \delta(\tau \, &ndash; \tau_0)$:
:$$\varphi_{\rm F}(\Delta f) = 1 + {\rm exp}(-{\rm j} \cdot 2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) = 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) $$
+
$$$\varphi_{\rm F}(\delta f) = 1 + {\rm exp}(-{\rm j} \cdot 2\pi \cdot \delta f \cdot \cdot \tau_0) = 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot \delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot {\rm sin}(2\pi \cdot \delta f \cdot \tau_0) $$
[[File:P_ID2186__Mob_Z_2_7d.png|right|frame|Frequenzkorrelationsfunktion und Kohärenzbandbreite]]
+
[[File:P_ID2186__Mob_Z_2_7d.png|right|frame|Frequency correlation function and coherence bandwidth]]
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} |\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = \sqrt{2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) }\hspace{0.05cm}.$$
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} |\varphi_{\rm F}(\delta f)| = \sqrt{2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \delta f \cdot \cdot \tau_0) }\hspace{0.05cm}.$
  
*Das Funktionsmaximum bei $\Delta f = 0$ ist gleich $2$.  
+
*The function maximum at $\delta f = 0$ is equal to $2$.  
*Deshalb lautet die Bestimmungsgleichung für $B_{\rm K}$:
+
*Therefore the equation of determination for $B_{\rm K}$ is
:$$|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})| = 1 \hspace{0.3cm} $$
+
$$|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})| = 1 \hspace{0.3cm} $$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})|^2 = 1
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})|^2 = 1
  \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = 1$$
+
  \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = 1$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = -0.5 \hspace{0.3cm} $$
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = -0.5 \hspace{0.3cm} $$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0 = \frac{2\pi}{3}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}B_{\rm K} = \frac{1}{3\tau_0} = 333\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0 = \frac{2\pi}{3}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}B_{\rm K} = \frac{1}{3\tau_0} = 333\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Richtig ist somit der <u>Lösungsvorschlag 1</u>. Die Grafik (blaue Kurve) verdeutlicht das Ergebnis.
+
*Correct is therefore the <u>solution 1</u>. The graphic (blue curve) illustrates the result.
  
 +
'''(5)'''&nbsp; For the channel &nbsp;${\rm B}$&nbsp; the corresponding equations are
 +
$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1^2 \cdot \delta(\tau) + (-0.5)^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}
 +
\varphi_{\rm F}(\delta f) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1 + 0.25 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot 0.25 \cdot {\rm sin}(2\pi \cdot \delta f \cdot \tau_0)\hspace{0.05cm},$$
 +
$$$\varphi_{\rm F}(\delta f)| \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}= \sqrt{\frac{17}{16} + \frac{1}{2} \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \delta f \cdot \tau_0) }\hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Max}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\delta f)| = 1.25\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Min}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\delta f)| = 0.75\hspace{0.05cm}.$$
  
 +
*You can see from this result that the $50\%$&ndash;coherence bandwidth cannot be specified here.
 +
*The correct solution is therefore the <u>solution proposal 4</u>.
  
'''(5)'''&nbsp; Für den Kanal &nbsp;${\rm B}$&nbsp; lauten die entsprechenden Gleichungen:
 
:$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1^2 \cdot \delta(\tau) + (-0.5)^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}
 
\varphi_{\rm F}(\Delta f) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}  1 + 0.25 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot 0.25 \cdot  {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0)\hspace{0.05cm},$$
 
:$$|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}= \sqrt{\frac{17}{16} +  \frac{1}{2} \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) }\hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Max}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 1.25\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Min}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 0.75\hspace{0.05cm}.$$
 
  
*Man erkennt an diesem Resultat, dass hier die $50\%$&ndash;Kohärenzbandbreite nicht angebbar ist.  
+
This result is the reason why there are different definitions for the coherence range in the literature, for example
*Richtig ist also der <u>Lösungsvorschlag 4</u>.
+
* the $90\%$&ndash;coherence bandwidth (in the example $B_{\rm K, \hspace{0.03cm} 90\%} =184 \ \ \rm kHz$),
 +
* the very simple approximation $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$ given above (in the example $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' =1 \ \ \rm MHz$)
  
  
Dieses Ergebnis ist der Grund dafür, dass es für die Kohärenzbandbreite in der Literatur unterschiedliche Definitionen gibt, zum Beispiel:
+
You can see from these numerical values that all the information on this is very vague and that the individual &bdquo;coherence bandwidths&rdquo; can differ by factors.
* die $90\%$&ndash;Kohärenzbandbreite (im Beispiel wäre $B_{\rm K, \hspace{0.03cm} 90\%} =184 \ \rm kHz$),
 
* die vorne angegebene sehr einfache Näherung $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$ (im Beispiel $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' =1 \ \rm MHz$).
 
  
 
Man erkennt bereits an diesen Zahlenwerten, dass alle diesbezüglichen Angaben sehr vage sind und sich die einzelnen &bdquo;Kohärenzbandbreiten&rdquo; um Faktoren unterscheiden können.
 
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
 
  
  
 
[[Category:Exercises for Mobile Communications|^2.3 The GWSSUS Channel Model^]]
 
[[Category:Exercises for Mobile Communications|^2.3 The GWSSUS Channel Model^]]

Revision as of 18:46, 22 April 2020

Zwei Zweiwegekanäle

For the GWSSUS–model, two parameters are given, which both statistically capture the resulting delay  $\tau$ . More information on the topic „multipath propagation” can be found in section  Simulation gemäß dem GWSSUS–Modell  of the theory part.

  • The  delay spread  $T_{\rm V}$  is by definition equal to the standard deviation of the random variable  $\tau$.
    This can be determined from the probability density  $f_{\rm V}(\tau)$ . The PDF  $f_{\rm V}(\tau)$  has the same shape as the delay power density spectrum  ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.
  • The  coherence bandwidth  $B_{\rm K}$  describes the same situation in the frequency domain.
    This is implicitly defined by the frequency–correlation function  $\varphi_{\rm F}(\delta f)$  defined as the  $\delta f$–value at which its amount first dropped to half:

$$$\varphi_{\rm F}(\Delta f = B_{\rm K})| \stackrel {!}{=} {1}/{2} \cdot |\varphi_{\rm F}(\delta f = 0)| \hspace{0.05cm}.$$

The connection between  ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$  and  $\varphi_{\rm F}(\delta f)$  is given by the Fourier transform: $$\varphi_{\rm F}(\delta f) \{\hspace{0.2cm} {\bullet\!} {\hspace{0.2cm} {\it \Phi}_{\rm V}(\tau)\hspace{0.05cm}.$ *Both definitions are only partially suitable for a time invariant channel. *Often one uses for a time invariant two-way channel (i.e. with constant path weights according to the above graphic) as an approximation for the coherence bandwidth: :$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{\frac_{\rm max} - \frac_{\rm min}} \hspace{0.05cm}.$$ In this task we want to clarify * why there are different definitions for the coherence band in the literature, * which connection exists between  $B_{\rm K}$  and  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$  and * which definitions make sense for which boundary conditions. ''Notes:'' *This task belongs to the chapter  [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell| Das GWSSUS–Kanalmodell]]. *This task also refers to some theory pages in chapter  [[Mobile_Kommunikation/Mehrwegeempfang_beim_Mobilfunk| Mehrwegeempfang beim Mobilfunk]]. ==='"`UNIQ--h-0--QINU`"'Questionnaire=== '"`UNIQ--quiz-00000002-QINU`"' ==='"`UNIQ--h-1--QINU`"'Sample solution=== {'"`UNIQ--html-00000003-QINU`"' '''(1)'''  For both channels the runtime difference is $\Delta \tau = \tau_{\rm max} \, - \tau_{\rm min} = 1 \ \ \rm µ s$. * That's why both channels have the same value: $$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ \ \underline {= 1000 \ \rm kHz}.$$ '''(2)'''  The graphics refer to the impulse response $h(\tau)$. *To obtain the delay–LDS, the weights must be squared: $${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = 1^2 \cdot \delta(\tau) + G^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$ *The integral over ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ is therefore $1 + G^2$. *The probability density function (WDF), however, must give the „area 1” (sum of the two Dirac weights equals $1$). From this follows: '"`UNIQ-MathJax34-QINU`"'m_{\rm V} = \frac{\frost_0}{2} {\hspace{0.15cm} {= 0.5\,{\rm µ s}}\hspace{0.05cm} \hspace{0.2cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} =\frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5\,{\rm µ s} \hspace{0.05cm}.'"`UNIQ-MathJax35-QINU`"'m_{\rm 1} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0 + 0.2 \cdot 1\,{\rm µ s} = 0.2\,{\rm µ s} \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} m_{\rm 2} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0^2 + 0.2 \cdot (1\,{\rm µ s})^2 = 0.2\,({\rm µ s})^2 \hspace{0.05cm}.'"`UNIQ-MathJax36-QINU`"'\sigma_{\rm V}^2 = m_{\rm 2} - m_{\rm 1}^2 = 0.2\,({\rm µ s})^2 - (0.2\,{\rm µ s})^2 = 0.16\,({\rm µ s})^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.4\,{\rm µ s}}\hspace{0.05cm}.'"`UNIQ-MathJax37-QINU`"'$\varphi_{\rm F}(\delta f) = 1 + {\rm exp}(-{\rm j} \cdot 2\pi \cdot \delta f \cdot \cdot \tau_0) = 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot \delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot {\rm sin}(2\pi \cdot \delta f \cdot \tau_0) $$ [[File:P_ID2186__Mob_Z_2_7d.png|right|frame|Frequency correlation function and coherence bandwidth]] $$\Rightarrow \hspace{0.3cm} |\varphi_{\rm F}(\delta f)| = \sqrt{2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \delta f \cdot \cdot \tau_0) }\hspace{0.05cm}.$ *The function maximum at $\delta f = 0$ is equal to $2$. *Therefore the equation of determination for $B_{\rm K}$ is '"`UNIQ-MathJax39-QINU`"' '"`UNIQ-MathJax40-QINU`"' '"`UNIQ-MathJax41-QINU`"' '"`UNIQ-MathJax42-QINU`"' *Correct is therefore the <u>solution 1</u>. The graphic (blue curve) illustrates the result. '''(5)'''  For the channel  ${\rm B}$  the corresponding equations are '"`UNIQ-MathJax43-QINU`"' '"`UNIQ-MathJax44-QINU`"' *You can see from this result that the $50\%$–coherence bandwidth cannot be specified here. *The correct solution is therefore the <u>solution proposal 4</u>. This result is the reason why there are different definitions for the coherence range in the literature, for example * the $90\%$–coherence bandwidth (in the example $B_{\rm K, \hspace{0.03cm} 90\%} =184 \ \ \rm kHz$), * the very simple approximation $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$ given above (in the example $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' =1 \ \ \rm MHz$)


You can see from these numerical values that all the information on this is very vague and that the individual „coherence bandwidths” can differ by factors.