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

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{Geben Sie eine mögliche Realisierung des Deemphase–Netzwerks &nbsp;$H_{\rm DE}(f)$&nbsp; an.&nbsp; Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
+
{Give a possible realization of the de-emphasis network &nbsp;$H_{\rm DE}(f)$&nbsp;. Which of the following statements are correct?
 
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+ $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; ist ein Tiefpass erster Ordnung.
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+ $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; is a first-order low-pass filter.
- $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; ist ein Hochpass erster Ordnung.
+
- $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; is a first-order high-pass filter.
- $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; ist ein Bandpass.
+
- $H_{\rm DE}(f)$&nbsp; is a bandpass.
+ Zusätzlich muss der Faktor &nbsp;$α$&nbsp; korrigiert werden.
+
+ In addition, the factor &nbsp;$α$&nbsp; must be corrected.
  
  
{Wie groß ist der Störabstandsgewinn &nbsp;$G_{\rm FM}$&nbsp; der herkömmlichen FM gegenüber AM bei den genannten Nachrichtenfrequenzen &nbsp;$ f_{\rm N}$?
+
{What is the signal-to-noise ratio advantage &nbsp;$G_{\rm FM}$&nbsp; of conventional FM over AM at the given message frequencies &nbsp;$ f_{\rm N}$?
 
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$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 15.74 3% } $\ \rm dB$  
 
$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 15.74 3% } $\ \rm dB$  
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$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 34.82 3% } $\ \rm dB$
 
$ f_{\rm N} = \text{1 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm FM} \ = \ $ { 34.82 3% } $\ \rm dB$
  
{Wie groß ist &nbsp;$Δf_\text{A, min}$ &nbsp; mit &nbsp; $Δf_\text{A, max} = 45 \ \rm  kHz$ &nbsp; und &nbsp; $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$ &nbsp; zu wählen?
+
{What &nbsp;$Δf_\text{A, min}$ &nbsp; should we choose when &nbsp; $Δf_\text{A, max} = 45 \ \rm  kHz$ &nbsp; and &nbsp; $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$ &nbsp;?
 
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$Δf_\text{A, min}  \ = \ $ { 14.23 3% } $\ \rm kHz$  
 
$Δf_\text{A, min}  \ = \ $ { 14.23 3% } $\ \rm kHz$  
  
{Welcher zusätzliche Gewinn ist durch Preemphase/Deemphase zu erzielen?
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{What is the additional efficiency gain to be obtained by pre-emphasis/de-emphasis??
 
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$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 7.1 3% } $\ \rm dB$  
 
$ f_{\rm N} = \text{9 kHz:}  \hspace{0.2cm} G_{\rm DE} \ = \ $ { 7.1 3% } $\ \rm dB$  

Revision as of 19:45, 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

Give a possible realization of the de-emphasis network  $H_{\rm DE}(f)$ . Which of the following statements are correct?

$H_{\rm DE}(f)$  is a first-order low-pass filter.
$H_{\rm DE}(f)$  is a first-order high-pass filter.
$H_{\rm DE}(f)$  is a bandpass.
In addition, the factor  $α$  must be corrected.

2

What is the signal-to-noise ratio advantage  $G_{\rm FM}$  of conventional FM over AM at the given message frequencies  $ 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

What  $Δf_\text{A, min}$   should we choose when   $Δf_\text{A, max} = 45 \ \rm kHz$   and   $B_{\rm NF} = f_\text{N, max}= 9 \ \rm kHz$  ?

$Δf_\text{A, min} \ = \ $

$\ \rm kHz$

4

What is the additional efficiency gain to be obtained by pre-emphasis/de-emphasis??

$ 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":

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