Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.11: Pre-Emphase and De-Emphase"

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Bei der Sprach– und Tonsignalübertragung wird das Signalfrequenzband vor dem FM–Modulator über ein RC–Hochpassglied gemäß der Skizze vorverzerrt. Man bezeichnet diese Maßnahme als "Preemphase"  $\rm (PE)$.
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In voice and audio signal transmission, the signal frequency band is pre-distorted before the FM modulator via an RC high-pass filter according to the diagram. This measure is called "pre-emphasis"   $\rm (PE)$.
  
Der Amplitudengang des Preemphase–Netzwerks lautet
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The amplitude response of the preemphasis network, together with
*mit den beiden Grenzfrequenzen  $f_{\rm G1} = (2π · R_1 · C)^{–1}$  und  $f_{\rm G2} = f_{\rm G1}/α_0$, sowie
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*the two cutoff frequencies  $f_{\rm G1} = (2π · R_1 · C)^{–1}$  and  $f_{\rm G2} = f_{\rm G1}/α_0$, as well as
*dem Gleichsignalübertragungsfaktor  $α_0 = R_2/(R_1 + R_2)$:
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*the DC signal transmission factor   $α_0 = R_2/(R_1 + R_2)$
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is given by:
 
:$$ |H_{\rm PE} (f)| = \alpha_0 \cdot \sqrt{\frac{1 + (f/f_{\rm G1})^2}{1 + (f/f_{\rm G2})^2}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ |H_{\rm PE} (f)| = \alpha_0 \cdot \sqrt{\frac{1 + (f/f_{\rm G1})^2}{1 + (f/f_{\rm G2})^2}} \hspace{0.05cm}.$$
  
Für die Praxis kann man davon ausgehen, dass die maximale Nachrichtenfrequenz  $f_{\rm N}$  sehr viel kleiner als  $f_{\rm G2}$  ist.  
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For practical purposes, we can assume that the maximum message frequency  $f_{\rm N}$  is much smaller than  $f_{\rm G2}$ .
  
Berücksichtigt man weiter, dass der Gleichsignalübertragungsfaktor  $α_0$  durch eine Verstärkung um  $α$  verändert werden kann, so ist im Weiteren von folgendem Preemphase–Frequenzgang auszugehen  $(f_{\rm G} = f_{\rm G1} = 3 \ \rm  kHz)$:
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If we further consider that the DC signal transmission factor $α_0$  can be changed by an amplification of nbsp;$α$ , we can further assume the following pre-emphasis frequency response
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where  $(f_{\rm G} = f_{\rm G1} = 3 \ \rm  kHz)$:
 
:$$|H_{\rm PE} (f)| \approx \alpha \cdot \sqrt{{1 + \left({f}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$|H_{\rm PE} (f)| \approx \alpha \cdot \sqrt{{1 + \left({f}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
Mit diesem Netzwerk lautet der Frequenzhub  $Δf_{\rm A}$  in Abhängigkeit der Nachrichtenfrequenz $f_{\rm N}$:
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In this network, the frequency deviation is  $Δf_{\rm A}$  as a function of the message frequency $f_{\rm N}$:
 
:$$ \Delta f_{\rm A} (f_{\rm N}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left({f_{\rm N}}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ \Delta f_{\rm A} (f_{\rm N}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left({f_{\rm N}}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
*Hierbei ist  $Δf_\text{A, min}$  der Frequenzhub für sehr kleine Frequenzen  $(f_{\rm N} → 0)$.  
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*Here  $Δf_\text{A, min}$  is the frequency deviation for very small frequencies  $(f_{\rm N} → 0)$.  
*Dieser Parameter ist so zu wählen, dass der maximale Frequenzhub  $Δf_\text{A, max}$  nicht größer wird als  $45 \ \rm kHz$.
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*This parameter should be chosen so that the maximum frequency deviation  $Δf_\text{A, max}$  does not exceed  $45 \ \rm kHz$.
  
  
Um das Nutzsignal nicht zu verfälschen, muss diese Vorverzerrung durch ein   "Deemphase"–Netzwerk beim Empfänger wieder ausgeglichen werden.  Ziel und Zweck von Preemphase/Deemphase ist es allein, die Abhängigkeit des Signal–zu–Rausch–Leistungsverhältnisses von der Signalfrequenz zu vermindern.
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In order not to distort the useful signal, this pre-emphasis must be rebalanced by a "de-emphasis" network at the receiver. The goal and purpose of preemphasis/deemphasis is solely to reduce the dependence of the signal-to-noise power ratio on the signal frequency.
  
In dieser Aufgabe werden folgende Größen verwendet:
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In this task, the following quantities are used:
* Sinken–SNR bei Zweiseitenband-Amplitudenmodulation   $\rm (ZSB–AM)$:
+
* Sink SNR in double-sideband amplitude modulation (DSB-AM)   $\rm (DSB–AM)$:
 
:$$\rho_{{\rm AM} } = \frac{P_{\rm S}}{N_0 \cdot f_{\rm N} } = \xi\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{{\rm AM} } = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\xi \hspace{0.05cm},$$
 
:$$\rho_{{\rm AM} } = \frac{P_{\rm S}}{N_0 \cdot f_{\rm N} } = \xi\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{{\rm AM} } = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\xi \hspace{0.05cm},$$
* Sinken–SNR und Störabstandsgewinn bei Frequenzmodulation   $\rm (FM)$  ohne Preemphase/Deemphase:
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* Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$  without pre-emphasis/de-emphasis: 
 
:$$ \rho_{\rm FM} = {3}/{2 } \cdot \eta^2 \cdot \rho_{\rm AM  } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$ \rho_{\rm FM} = {3}/{2 } \cdot \eta^2 \cdot \rho_{\rm AM  } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
G_{\rm FM} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM} -
 
G_{\rm FM} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM} -
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lg} \hspace{0.15cm}{3}/{2 } \cdot \eta^2
 
lg} \hspace{0.15cm}{3}/{2 } \cdot \eta^2
 
  \hspace{0.05cm},$$
 
  \hspace{0.05cm},$$
*Sinken–SNR und Störabstandsgewinn bei Frequenzmodulation   $\rm (FM)$  durch Preemphase/Deemphase:
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*Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$ using pre-emphasis/de-emphasis:
 
:$$ \rho_{\rm DE} = \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }
 
:$$ \rho_{\rm DE} = \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
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''Hinweise:''
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''Hints:''
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Modulation_Methods/Rauscheinfluss_bei_Winkelmodulation|Rauscheinfluss bei Winkelmodulation]].
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*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Influence_of_Noise_on_Systems_with_Angle_Modulation|Influence of Noise on Systems with Angle Modulation]].
*Bezug genommen wirdinsbesondere auf den Abschnitt  [[Modulation_Methods/Rauscheinfluss_bei_Winkelmodulation#Preemphase_und_Deemphase|Preemphase und Deemphase]].
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*Particular reference is made to the section  [[Modulation_Methods/Influence_of_Noise_on_Systems_with_Angle_Modulation#Pre-emphasis_and_de-emphasis|Pre-emphasis and de-emphasis]].
*Gehen Sie in der gesamten Aufgabe von einem Nachrichtensignal aus, das Frequenzen bis einschließlich  $B_{\rm NF}= 9 \ \rm kHz$  beinhaltet.
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*Throughout the task, assume a message signal containing frequencies up to and including  $B_{\rm NF}= 9 \ \rm kHz$ .
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
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===Musterlösung===
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===Solution===
 
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'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind <u>der erste und der letzte Lösungsvorschlag</u>:
 
'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind <u>der erste und der letzte Lösungsvorschlag</u>:

Revision as of 19:42, 17 March 2022

Realisierung einer Preemphase

In voice and audio signal transmission, the signal frequency band is pre-distorted before the FM modulator via an RC high-pass filter according to the diagram. This measure is called "pre-emphasis"   $\rm (PE)$.

The amplitude response of the preemphasis network, together with

  • the two cutoff frequencies  $f_{\rm G1} = (2π · R_1 · C)^{–1}$  and  $f_{\rm G2} = f_{\rm G1}/α_0$, as well as
  • the DC signal transmission factor  $α_0 = R_2/(R_1 + R_2)$

is given by:

$$ |H_{\rm PE} (f)| = \alpha_0 \cdot \sqrt{\frac{1 + (f/f_{\rm G1})^2}{1 + (f/f_{\rm G2})^2}} \hspace{0.05cm}.$$

For practical purposes, we can assume that the maximum message frequency  $f_{\rm N}$  is much smaller than  $f_{\rm G2}$ .

If we further consider that the DC signal transmission factor $α_0$  can be changed by an amplification of nbsp;$α$ , we can further assume the following pre-emphasis frequency response where  $(f_{\rm G} = f_{\rm G1} = 3 \ \rm kHz)$:

$$|H_{\rm PE} (f)| \approx \alpha \cdot \sqrt{{1 + \left({f}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$

In this network, the frequency deviation is  $Δf_{\rm A}$  as a function of the message frequency $f_{\rm N}$:

$$ \Delta f_{\rm A} (f_{\rm N}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left({f_{\rm N}}/{f_{\rm G}}\right)^2}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Here  $Δf_\text{A, min}$  is the frequency deviation for very small frequencies  $(f_{\rm N} → 0)$.
  • This parameter should be chosen so that the maximum frequency deviation  $Δf_\text{A, max}$  does not exceed  $45 \ \rm kHz$.


In order not to distort the useful signal, this pre-emphasis must be rebalanced by a "de-emphasis" network at the receiver. The goal and purpose of preemphasis/deemphasis is solely to reduce the dependence of the signal-to-noise power ratio on the signal frequency.

In this task, the following quantities are used:

  • Sink SNR in double-sideband amplitude modulation (DSB-AM)  $\rm (DSB–AM)$:
$$\rho_{{\rm AM} } = \frac{P_{\rm S}}{N_0 \cdot f_{\rm N} } = \xi\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{{\rm AM} } = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\xi \hspace{0.05cm},$$
  • Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$  without pre-emphasis/de-emphasis: 
$$ \rho_{\rm FM} = {3}/{2 } \cdot \eta^2 \cdot \rho_{\rm AM } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} G_{\rm FM} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM} - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm AM}= 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}{3}/{2 } \cdot \eta^2 \hspace{0.05cm},$$
  • Sink SNR and sink-to-noise ratio in frequency modulation $\rm (FM)$ using pre-emphasis/de-emphasis:
$$ \rho_{\rm DE} = \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} G_{\rm DE} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm DE} - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}\rho_{\rm FM}\hspace{0.05cm}$$



Hints:



Questions

1

Geben Sie eine mögliche Realisierung des Deemphase–Netzwerks  $H_{\rm DE}(f)$  an.  Welche der folgenden Aussagen sind richtig?

$H_{\rm DE}(f)$  ist ein Tiefpass erster Ordnung.
$H_{\rm DE}(f)$  ist ein Hochpass erster Ordnung.
$H_{\rm DE}(f)$  ist ein Bandpass.
Zusätzlich muss der Faktor  $α$  korrigiert werden.

2

Wie groß ist der Störabstandsgewinn  $G_{\rm FM}$  der herkömmlichen FM gegenüber AM bei den genannten Nachrichtenfrequenzen  $ f_{\rm N}$?

$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $

$\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{3 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $

$\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $

$\ \rm dB$

3

Wie groß ist  $Δf_\text{A, min}$   mit   $Δf_\text{A, max} = 45 \ \rm kHz$   und   $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$   zu wählen?

$Δf_\text{A, min} \ = \ $

$\ \rm kHz$

4

Welcher zusätzliche Gewinn ist durch Preemphase/Deemphase zu erzielen?

$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $

$\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{3 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $

$\ \rm dB$
$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:} \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $

$\ \rm dB$


Solution

(1)  Richtig sind der erste und der letzte Lösungsvorschlag:

  • Der Betragsfrequenzgang des Deemphase–Netzwerks ist wie folgt festgelegt:
$$ |H_{\rm DE} (f)| = \frac{1}{|H_{\rm PE} (f)|}= \frac{1}{\alpha}\cdot \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Der Frequenzgang eines einfachen RC–Tiefpasses – auch bekannt als Tiefpass erster Ordnung – lautet:
$$ H_{\rm RC-TP} (f) = \frac{1}{{1 + {\rm j}\cdot f/f_{\rm G}}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} |H_{\rm RC-TP} (f)| = \frac{1}{\sqrt{1 + (f/f_{\rm G})^2}}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Die Frequenzmodulation ist auf die maximale Frequenz  $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$  ausgelegt.  Dann soll der (maximale) Frequenzhub  $Δf_{\rm A} = 45\ \rm kHz$  betragen.

  • Daraus folgt für den Modulationsindex:
$$ \eta = \frac{\Delta f_{\rm A}}{f_{\rm N} } = 5 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 5^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 15.74\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Mit der Nachrichtenfrequenz  $ f_{\rm N} = 3 \ \rm kHz$  ergibt sich ein um den Faktor  $3$  größerer Modulationsindex und damit ein um den Faktor  $10 · \lg \ 9 = 9.54 \ \rm dB$  größerer Störabstand:
$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm}(1.5 \cdot 15^2) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 25.28\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Ein weiterer Zugewinn ergibt sich durch den Übergang von  $3\ \rm kHz$  auf  $1\ \rm kHz$:
$$G_{\rm FM} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) = 25.28\,{\rm dB} + 9.54\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline {= 34.82\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Der maximale Frequenzhub ergibt sich für $f_{\rm N} = B_{\rm NF}$.

  • Daraus folgt mit $f_{\rm G} = 3 \ \rm kHz$ und $B_{\rm NF} = 9 \ \rm kHz$:
$$\Delta f_{\rm A} (B_{\rm NF}) = \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} \cdot \sqrt{{1 + \left(\frac{B_{\rm NF}}{f_{\rm G}}\right)^2}} = \sqrt {10} \cdot \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min}= \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}max} = 45\,{\rm kHz}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \Delta f_{\rm A, \hspace{0.08cm}min} = \frac{45\,{\rm kHz}}{\sqrt {10}}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 14.23\,{\rm kHz}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Mit der angegebenen Formel erhält man folgende "Gewinne durch Premphase/Deemphase":

$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 9\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{(f_{\rm N}/f_{\rm G})^3}{3 \cdot (f_{\rm N}/f_{\rm G} - \arctan (f_{\rm N}/f_{\rm G}) }= 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{3^3}{3 \cdot (3 - 1.249) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 7.1\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
$$ G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 3\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{1^3}{3 \cdot (1 - \pi/4) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 1.9\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
$$G_{\rm DE} (f_{\rm N} = 1\,{\rm kHz}) = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{(1/3)^3}{3 \cdot (1/3 - 0.322) }\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.28\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$