Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.1: Phase Modulation Locus Curve"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Phasenmodulation (PM)
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{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)
 
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[[File:P_ID1079__Mod_A_3_1.png|right|]]
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[[File:P_ID1079__Mod_A_3_1.png|right|frame|Two locus curves to choose from]]
Die Grafik zeigt Ortskurven am Ausgang zweier Modulatoren $M_1$ und $M_2$. Real- und Imaginärteil sind in dieser Grafik jeweils auf 1 V normiert.
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The locus curve is generally understood as the plot of the equivalent low-pass signal $s_{\rm TP}(t)$  in the complex plane.
Unter der Ortskurve versteht man allgemein die Darstellung des äquivalenten Tiefpass–Signals $s_{TP}(t)$ in der komplexen Ebene.
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*The graph shows locus curves at the output of two modulators  $\rm M_1$  and  $\rm M_2$.  
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*The real and imaginary parts are each normalized to $1 \ \rm V$ in this graph.
  
  
Das Quellensignal sei bei beiden Modulatoren gleich:
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Let the source signal be the same for both modulators:
$$ q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} \cdot t),\hspace{1cm}$$
+
$$ q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} \cdot t),\hspace{1cm}
$${\rm mit}\hspace{0.2cm} A_{\rm N} = 2\,{\rm V},\hspace{0.2cm}f_{\rm N} = 5\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
+
{\rm with}\hspace{0.2cm} A_{\rm N} = 2\,{\rm V},\hspace{0.2cm}f_{\rm N} = 5\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
Einer der beiden Modulatoren realisiert eine Phasenmodulation, die durch folgende Gleichungen gekennzeichnet ist:
+
One of the two modulators implements phase modulation, which is characterized by the following equations:
$$ s(t)  =  A_{\rm T} \cdot \cos \left(\omega_{\rm T} \cdot t + \phi(t) \right)\hspace{0.05cm},$$
+
:$$ s(t)  =  A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \phi(t) \big]\hspace{0.05cm},$$
$$ s_{\rm TP}(t)  =  A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\phi(t) }\hspace{0.05cm},$$
+
:$$ s_{\rm TP}(t)  =  A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\phi(t) }\hspace{0.05cm},$$
$$ \phi(t)  =  K_{\rm PM} \cdot q(t)\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ \phi(t)  =  K_{\rm PM} \cdot q(t)\hspace{0.05cm}.$$
Den Maximalwert von $ϕ(t)$ nennt man Modulationsindex $η$ – teilweise wird diese Größe in der Literatur auch als Phasenhub bezeichnet.
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The maximum value  $ϕ(t)$  is called the   ''modulation index''  $η$.  Often  $η$  is also called   ''phase deviation''  in the literature.
  
  
'''Hinweis:''' Diese Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen von [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM) Kapitel 3.1].
 
  
$\phi(t)$
 
  
===Fragebogen===
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''Hints:''
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*This exercise belongs to the chapter  [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|Phase Modulation]].
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*Particular reference is made to the page   [[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)#Equivalent_low-pass_signal_in_phase_modulation|Equivalent low-pass signal in phase modulation]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welches Modulationsverfahren verwendet der Modulator $M_1$?
+
{Which modulation method is used by modulator &nbsp;$\rm M_1$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Zweiseitenband–Amplitudenmodulation.
+
- Double-sideband amplitude modulation.
+ Einseitenband–Amplitudenmodulation.
+
+ Single sideband amplitude modulation.
- Phasenmodulation.
+
- Phase modulation.
  
{Welches Modulationsverfahren verwendet der Modulator $M_2$?
+
{Which modulation method is used by modulator &nbsp;$\rm M_2$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Zweiseitenband–Amplitudenmodulation.
+
- Double-sideband amplitude modulation.
- Einseitenband–Amplitudenmodulation.
+
- Single sideband amplitude modulation.
+ Phasenmodulation.
+
+ Phase modulation.
  
{Wie groß ist die Trägeramplitude $A_T$ beim Phasenmodulator? Beachten Sie die Normierung auf 1 V.
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{What is the carrier amplitude &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; for the phase modulator?&nbsp; Note the normalization to &nbsp;$1 \ \rm V$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$A_T$ = { 1 3% } $V$  
+
$A_{\rm T} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm V$  
  
{Welche Werte besitzen der Modulationsindex und die Modulatorkonstante?
+
{What are the values of the modulation index &nbsp;$η$&nbsp; and the modulator constant &nbsp;$K_{\rm PM}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$η$ = { 3.1415 3% }  
+
\ = \ $  { 3.1415 3% }  
$K_{PM}$ = { 1.571 3% } $1/V$
+
$K_{\rm PM}\ = \ $ { 1.571 3% } $\ \rm 1/V$
  
{Beschreiben Sie die Bewegung auf der Ortskurve. Zu welcher Zeit $t_1$ wird zum ersten Mal wieder der Ausgangspunkt $s_{TP}(t = 0) = –1V$ erreicht?
+
{Describe the motion on the locus curve. At what time&nbsp;$t_1$&nbsp; is the starting point &nbsp;$s_{\rm TP}(t = 0) = -1 \ \rm V$&nbsp; first reached again?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$t_1$ = { 100 3% } $μs$
+
$t_1\ = \ $ { 100 3% } $ \ \rm  &micro; s$
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Es handelt sich um eine ESB–AM mit dem Seitenband–zu–Träger–Verhältnis $μ = 1$ ⇒ Antwort 2. Bewegt man sich auf dem Kreis in mathematisch positive Richtung, so liegt speziell eine OSB–AM vor, andernfalls eine USB–AM.
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'''(1)'''&nbsp; We are dealing with SSB-AM with a sideband-to-carrier ratio $μ = 1$ &nbsp; &nbsp; <u>Answer 2</u>:
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*If one moves in the mathematically positive direction on the circle, it is specifically an USB–AM, otherwise it is a LSB–AM.
 +
*The phase function&nbsp; $ϕ(t)$&nbsp; as the angle of a point&nbsp; $s_{\rm TP}(t)$&nbsp; on the circle (arc) with respect to the coordinate origin can take values between&nbsp; $±π/2$&nbsp; and does not show a cosine progression.
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*The envelope &nbsp; $a(t) = |s_{\rm TP}(t)|$&nbsp; is also not cosine.
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*If an envelope demodulator were used for&nbsp; $\rm M_1$&nbsp; at the receiver, nonlinear distortions would occur, in contrast to DSB–AM, which has a horizontal straight line for a locus curve.
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Die Phasenfunktion $ϕ(t)$ als der Winkel eines Punktes $s_{TP}(t)$ auf dem Kreis(bogen) bezogen auf den Koordinatenursprung kann Werte zwischen $±π/2$ annehmen und zeigt keinen Cosinusverlauf. Aber auch die Hüllkurve $a(t) = |s_{TP}(t)|$ ist nicht cosinusförmig. Würde man beim Empfänger für $M_1$ einen Hüllkurvendemodulator einsetzen, so käme es zu nichtlinearen Verzerrungen im Gegensatz zur ZSB–AM, deren Ortskurve eine horizontale Gerade ist.
 
  
  
'''2.'''Hier handelt es sich um die Phasenmodulation Antwort 3. Die Einhüllende $a(t) = A_T$ ist konstant, während die Phase $ϕ(t)$ entsprechend dem Quellensignal cosinusförmig verläuft.
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'''(2)'''&nbsp; Here, we observe phase modulation  &nbsp; &nbsp; <u>Answer 3</u>:
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*The envelope &nbsp; $a(t) = A_{\rm T}$&nbsp; is constant,  
 +
*while the phase&nbsp; $ϕ(t)$&nbsp; is cosinusoidal according to the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp;.
  
'''3.''' Bei der Phasenmodulation gilt
 
$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\phi(t) }\hspace{0.05cm}.$$
 
Aus der Grafik kann man die Trägeramplitude $A_T = 1 V$ als den Kreisradius ablesen.
 
  
  
'''4.'''Das Quellensignal $q(t)$ ist zum Zeitpunkt $t = 0$ maximal und damit auch die Phasenfunktion:
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$$ \eta = \phi_{\rm max} = \phi( t =0)\hspace{0.15cm}\underline { = \pi} \hspace{0.05cm}.$$
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'''(3)'''&nbsp; In the case of phase modulation:
Daraus erhält man für die Modulatorkonstante:
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:$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\phi(t) }\hspace{0.05cm}.$$
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*From the graph, we can read the carrier amplitude &nbsp; $A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline{ = 1 \ \rm V}$&nbsp; as the radius of the circle.
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'''(4)'''&nbsp; The source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is at its maximum at time&nbsp; $t = 0$&nbsp; and therefore so is the phase function:
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:$$ \eta = \phi_{\rm max} = \phi( t =0) = \pi\hspace{0.15cm}\underline { = 3.1415} \hspace{0.05cm}.$$
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*This gives the modulator constant:
 
$$K_{\rm PM} = \frac{\eta}{A_{\rm N}} = \frac{\pi}{2\,{\rm V}}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.571\,{\rm V}^{-1}}\hspace{0.05cm}.$$
 
$$K_{\rm PM} = \frac{\eta}{A_{\rm N}} = \frac{\pi}{2\,{\rm V}}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.571\,{\rm V}^{-1}}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''5.'''Man bewegt sich auf dem Kreis(bogen) im Uhrzeigersinn. Nach einem Viertel der Periodendauer $T_N = 1/f_N = 200 μs$ ist $ϕ(t) = 0$ und $s_{TP}(t) = 1 V$. Zur Zeit $t_1 = T_N/2 = 100 μs$ gilt $ϕ(t_1) = –π$ und $s_{TP}(t_1) = –1 V$. Danach bewegt man sich auf dem Kreisbogen entgegen dem Uhrzeigersinn.
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'''(5)'''&nbsp; One moves clockwise along the circular arc.  
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*After a quarter of the period &nbsp;$T_{\rm N} = 1/f_{\rm N}  = 200 \ \rm &micro; s$&nbsp;, &nbsp;$ϕ(t) = 0$&nbsp; and &nbsp;$s_{\rm TP}(t) = 1 \, \rm V$.  
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*At time &nbsp;$t_1 = T_{\rm N}/2\hspace{0.15cm}\underline { = 100 \ \rm &micro; s}$&nbsp;, &nbsp;$ϕ(t_1) = $&nbsp; and &nbsp;$s_{\rm TP}(t_1) = -1 \, \rm V$.  
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*Afterwards, one moves counterclockwise along the arc.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^3.1 Phasenmodulation (PM)^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^3.1 Phase Modulation^]]

Latest revision as of 16:54, 9 April 2022

Two locus curves to choose from

The locus curve is generally understood as the plot of the equivalent low-pass signal $s_{\rm TP}(t)$  in the complex plane.

  • The graph shows locus curves at the output of two modulators  $\rm M_1$  and  $\rm M_2$.
  • The real and imaginary parts are each normalized to $1 \ \rm V$ in this graph.


Let the source signal be the same for both modulators: $$ q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} \cdot t),\hspace{1cm} {\rm with}\hspace{0.2cm} A_{\rm N} = 2\,{\rm V},\hspace{0.2cm}f_{\rm N} = 5\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$ One of the two modulators implements phase modulation, which is characterized by the following equations:

$$ s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos \hspace{-0.1cm} \big[\omega_{\rm T} \cdot t + \phi(t) \big]\hspace{0.05cm},$$
$$ s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\phi(t) }\hspace{0.05cm},$$
$$ \phi(t) = K_{\rm PM} \cdot q(t)\hspace{0.05cm}.$$

The maximum value  $ϕ(t)$  is called the   modulation index  $η$.  Often  $η$  is also called   phase deviation  in the literature.





Hints:


Questions

1

Which modulation method is used by modulator  $\rm M_1$?

Double-sideband amplitude modulation.
Single sideband amplitude modulation.
Phase modulation.

2

Which modulation method is used by modulator  $\rm M_2$?

Double-sideband amplitude modulation.
Single sideband amplitude modulation.
Phase modulation.

3

What is the carrier amplitude  $A_{\rm T}$  for the phase modulator?  Note the normalization to  $1 \ \rm V$.

$A_{\rm T} \ = \ $

$\ \rm V$

4

What are the values of the modulation index  $η$  and the modulator constant  $K_{\rm PM}$?

$η\ = \ $

$K_{\rm PM}\ = \ $

$\ \rm 1/V$

5

Describe the motion on the locus curve. At what time $t_1$  is the starting point  $s_{\rm TP}(t = 0) = -1 \ \rm V$  first reached again?

$t_1\ = \ $

$ \ \rm µ s$


Solution

(1)  We are dealing with SSB-AM with a sideband-to-carrier ratio $μ = 1$   ⇒   Answer 2:

  • If one moves in the mathematically positive direction on the circle, it is specifically an USB–AM, otherwise it is a LSB–AM.
  • The phase function  $ϕ(t)$  as the angle of a point  $s_{\rm TP}(t)$  on the circle (arc) with respect to the coordinate origin can take values between  $±π/2$  and does not show a cosine progression.
  • The envelope   $a(t) = |s_{\rm TP}(t)|$  is also not cosine.
  • If an envelope demodulator were used for  $\rm M_1$  at the receiver, nonlinear distortions would occur, in contrast to DSB–AM, which has a horizontal straight line for a locus curve.



(2)  Here, we observe phase modulation   ⇒   Answer 3:

  • The envelope   $a(t) = A_{\rm T}$  is constant,
  • while the phase  $ϕ(t)$  is cosinusoidal according to the source signal  $q(t)$ .



(3)  In the case of phase modulation:

$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\phi(t) }\hspace{0.05cm}.$$
  • From the graph, we can read the carrier amplitude   $A_{\rm T}\hspace{0.15cm}\underline{ = 1 \ \rm V}$  as the radius of the circle.



(4)  The source signal  $q(t)$  is at its maximum at time  $t = 0$  and therefore so is the phase function:

$$ \eta = \phi_{\rm max} = \phi( t =0) = \pi\hspace{0.15cm}\underline { = 3.1415} \hspace{0.05cm}.$$
  • This gives the modulator constant:

$$K_{\rm PM} = \frac{\eta}{A_{\rm N}} = \frac{\pi}{2\,{\rm V}}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.571\,{\rm V}^{-1}}\hspace{0.05cm}.$$



(5)  One moves clockwise along the circular arc.

  • After a quarter of the period  $T_{\rm N} = 1/f_{\rm N} = 200 \ \rm µ s$ ,  $ϕ(t) = 0$  and  $s_{\rm TP}(t) = 1 \, \rm V$.
  • At time  $t_1 = T_{\rm N}/2\hspace{0.15cm}\underline { = 100 \ \rm µ s}$ ,  $ϕ(t_1) = -π$  and  $s_{\rm TP}(t_1) = -1 \, \rm V$.
  • Afterwards, one moves counterclockwise along the arc.