Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.2Z: Optimum Cutoff Frequency for Gaussian Low-pass"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Ber%C3%BCcksichtigung_von_Impulsinterferenzen
+
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference
 
}}
 
}}
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[[File:EN_Dig_Z_3_2_ret.png|right|frame|Noiseless and noisy eye diagrams]]
  
[[File:P_ID1383__Dig_Z_3_2.png|right|frame|Optimale Gauß–Grenzfrequenz]]
+
As in  [[Aufgaben:Exercise_3.2:_Eye_Pattern_according_to_Gaussian_Low-Pass|Exercise 3.2]],  a binary bipolar redundancy-free binary system with Gaussian receiver filter  $H_{\rm G}(f)$  is considered.  Its cutoff frequency  $f_{\rm G}$  is to be determined such that the worst-case S/N ratio
Wie in Aufgabe A3.2 wird ein binäres bipolares redundanzfreies Binärsystem mit gaußförmigen Empfangsfilter $H_G(f)$ betrachtet. Dessen Grenzfrequenz $f_G$ soll so bestimmt werden, dass das ungünstigste S/N–Verhältnis
+
:$$\rho_{\rm U} = \frac{\big[\ddot{o}(T_{\rm D})/2 \big]^2}{ \sigma_d^2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
:$$\rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
 
   p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}
 
   p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}}
 
   \right)$$
 
   \right)$$
  
maximal und damit die ungünsigste Fehlerwahrscheinlichkeit $p_U$ minimal wird. Die so optimierte Grenzfrequenz $f_{\rm G, \ opt}$ führt meist zur minimalen mittleren Symbolfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm S, \ min}$.
+
becomes maximum and thus the worst-case error probability  $p_{\rm U}$  becomes minimum.  The thus optimized cutoff frequency  $f_{\rm G, \ opt}$  usually also leads to the minimum mean symbol error probability  $p_{\rm S, \ min}$.
  
In obiger Gleichung sind folgende Systemgrößen verwendet:
+
In the above equation,  the following system quantities are used:
* $\sigma_d^2$ ist die Detektionsrauschleistung. Bei gaußförmigen Empfangsfilter:
+
* $\sigma_d^2$  is the detection noise power.  For a Gaussian receiver filter holds:
 
:$$\sigma_d^2 = \frac{N_0}{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty}
 
:$$\sigma_d^2 = \frac{N_0}{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty}
 
|H_{\rm G}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0 \cdot f_{\rm
 
|H_{\rm G}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0 \cdot f_{\rm
 
G}}{\sqrt{2}}\hspace{0.05cm}.$$
 
G}}{\sqrt{2}}\hspace{0.05cm}.$$
* $\ddot{o}(T_D)$ gibt die Augenöffnung an. Der Detektionszeitpunkt wird stets zu $T_D = 0$ angenommen.
+
* $\ddot{o}(T_{\rm D})$  indicates the  "eye opening".  The detection time is always assumed to be  $T_{\rm D} = 0$. 
* Bei einem gaußförmigen Empfangsfilter kann die vertikale Augenöffnung $\ddot{o}(T_D)$ allein durch die Amplitude $s_0$ des Sendegrundimpulses (obere Begrenzung im Auge ohne Rauschen) sowie durch den Maximalwert $g_0$ des Detektionsgrundimpulses ausgedrückt werden. Die Impulsamplitude $g_0$ ist dabei wie folgt zu berechnen:
+
 
:$$g_0 = g_d(t = 0) = s_0 \cdot \left [1- 2 \cdot {\rm Q} \left(
+
* For a Gaussian receiver filter,  the vertical eye opening  $\ddot{o}(T_{\rm D})$  can be expressed solely by the amplitude  $s_0$  of the basic transmission pulse  $($upper boundary line in the noiseless eye diagram$)$ and the maximum value  $g_0$  of the basic detection pulse.  $g_0$ is to be calculated as follows:
 +
:$$g_0 = g_d(t = 0) = s_0 \cdot \big [1- 2 \cdot {\rm Q} \left(
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
   \right)\right]\hspace{0.05cm}.$$
+
   \right)\big]\hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
The graph shows the eye diagrams of the sought configuration with optimal cutoff frequency.
 +
*In the upper diagram,  noise is not considered.
 +
 
 +
*The lower diagram,  on the other hand,  is valid with AWGN noise for  $10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$.
  
Die Grafik zeigt die Augendiagramme der gesuchten Konfiguration mit optimaler Grenzfrequenz. Im oberen Diagramm sind die Rauschstörungen nicht berücksichtigt. Das untere Diagramm gilt dagegen mit AWGN–Rauschen für $10 \cdot \rm lg \ E_B/N_0 = 10 \ \rm dB$.
 
  
''Hinweise:''
 
* Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Grundlagen_der_codierten_%C3%9Cbertragung|Grundlagen der codierten Übertragung]].
 
* Verwenden Sie zur numerischen Auswertung der Q–Funktion das folgende Interaktionsmodul: [https://intern.lntwww.de/cgi-bin/extern/uni.pl?uno=hyperlink&due=block&b_id=1706&hyperlink_typ=block_verweis&hyperlink_fenstergroesse=blockverweis_gross| Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]
 
  
  
===Fragebogen===
+
Notes:
 +
*The exercise belongs to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference|"Error Probability with Intersymbol Interference"]].
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* Use our HTML5/JavaScript applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]] for the numerical evaluation of the Q–function.
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 +
 
 +
 
 +
 
 +
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen sind für das Augendiagramm zutreffend?
+
{Which statements are true for the eye diagram?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die Berechnung der Augenöffnung erfolgt ohne Rauschen.
+
+ The eye opening is calculated without noise.
- Bei gaußförmigem Empfangsfilter gilt $\ddot{o}(T_D)/2 = s_0 \ &ndash; \ g_0$.
+
- With Gaussian receiver filter: &nbsp;$\ddot{o}(T_{\rm D})/2 = s_0 \ &ndash; \ g_0$.
+ Bei gaußförmigem Impulsformer gilt $\ddot{o}(T_D)/2 = 2 \cdot g_0 \ &ndash; \ s_0$
+
+ With Gaussian receiver filter: &nbsp;$\ddot{o}(T_{\rm D})/2 = 2 \cdot g_0 \ &ndash; \ s_0$.
  
{Ab welcher Grenzfrequenz ergibt sich ein geschlossenes Auge?
+
{At what cutoff frequency does a closed eye result?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$f_{\rm G, \ min} \cdot T$ = { 0.27 3% }  
+
$f_{\rm G, \ min} \cdot T \ = \ $ { 0.27 3% }  
  
{Berechnen Sie das ungünstigste SNR für $10 \cdot {\rm lg} \ E_B/N_0 = 10 \ \rm dB$. Welche Werte ergeben sich für die nachgenannten Grenzfrequenzen?
+
{Calculate the worst-case SNR for &nbsp;$10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$.&nbsp; What are the values for the cutoff frequencies listed below?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$f_G \cdot T = 0.6: \ 10 \cdot \rm lg \ \rho_U$ = { 11.04 3% } $\rm dB$
+
$f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ = \ $ { 11.04 3% } $\ \rm dB$
$f_G \cdot T = 0.8: \ 10 \cdot \rm lg \ \rho_U$ = { 11.66 3% } $\rm dB$
+
$f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm}  10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U}\ = \ $ { 11.66 3% } $\ \rm dB$
$f_G \cdot T = 1.0: \ 10 \cdot \rm lg \ \rho_U$ = { 11.3 3% } $\rm dB$
+
$f_{\rm G} \cdot T = 1.0\text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ = \ $ { 11.3 3% } $\ \rm dB$
  
{Welche Aussagen bezüglich der optimalen Grenzfrequenz sind zutreffend?
+
{Which statements are true regarding the optimal cutoff frequency?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die Optimierung hinsichtlich $\rho_U$ (bzw. $\rho_U$) ergibt $f_{\rm G, \ opt} \cdot T \approx 0.8$.
+
+ Optimization with respect to &nbsp;$p_{\rm U}$&nbsp; $($or &nbsp;$\rho_{\rm U})$&nbsp; yields $f_{\rm G, \ opt} \cdot T \approx 0.8$.
+ Dieses Optimierungsergebnis ist unabhängig von $E_B/N_0$.
+
+ This optimization result is independent of &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$.
- Die Optimierung hinsichtlich $p_S$ führt zum exakt gleichen Ergebnis.
+
- Optimization with respect to &nbsp;$p_{\rm S}$&nbsp; leads to exactly the same result.
  
{Berechnen Sie für die optimale Grenzfrequenz $f_{\rm G, \ opt}$ folgende Größen, wobei wieder $10 \cdot {\rm lg} \ (E_B/N_0) = 10 \ \rm dB$ gelten soll.
+
{Determine the following quantities for the optimal cutoff frequency &nbsp;$f_{\rm G, \ opt}$&nbsp; for &nbsp;$10 \cdot {\rm lg} \ (E_{\rm B}/N_0) = 10 \ \rm dB$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\ddot{o}(T_D)/s_0$ = { 1.824 3% }  
+
$\ddot{o}(T_{\rm D})/s_0 \ = \ $ { 1.824 3% }  
$\sigma_d/s_0$ = { 0.238 3% }  
+
$\sigma_d/s_0 \ = \ $ { 0.238 3% }  
$10 \cdot \rm lg \ \rho_U$ = { 11.66 3% } $\rm dB$  
+
$10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ = \ $ { 11.66 3% } $\ \rm dB$  
$p_U$ = { 6.4 3% } $\cdot 10^{\rm &ndash;5}$
+
$p_{\rm U}\ = \ $ { 6.4 3% } $\ \cdot 10^{\rm -5}$
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Bei der Berechnung der vertikalen Augenöffnung darf der Rauschanteil nicht berücksichtigt werden. Dieser wird durch den Rauscheffektivwert $\sigma_d$ erfasst. Würde man die Augenöffnung aus dem unteren Augendiagramm auf der Angabenseite entnehmen, so würde die Rauschkomponente zweima erfasst.
+
'''(1)'''&nbsp; The&nbsp; <u>first and third solutions</u>&nbsp; are correct:
 
+
*When calculating the vertical eye opening,&nbsp; the noise component must not be taken into account.&nbsp; This is captured by the noise rms value&nbsp; $\sigma_d$.  
Die obere Begrenzung der inneren Augenlinie ergibt sich für die Symbolfolge &bdquo; $\ ... \, \ &ndash;1 \ &ndash;1, +1, &ndash;1, \ &ndash; 1, \ ... \ $ &rdquo; . Die lange &bdquo;$&ndash;1$&rdquo;&ndash;Folge würde zum Wert $&ndash;s_0$ führen. Dagegen führt die &bdquo;worst&ndash;case&rdquo;&ndash;Folge zur Augenlinie $&ndash;s_0 + 2 \cdot g_d(t)$. Zum Detektionszeitpunkt $T_D = 0$ gilt somit mit der Entscheiderschwelle $E = 0$:
+
*If the eye opening were taken from the lower eye diagram,&nbsp; the noise component would be captured twice.
 +
*The upper boundary of the inner eye line results for the symbol sequence&nbsp; "$\text{ ...} \, \ -\hspace{-0.1cm}1 \ -\hspace{-0.1cm}1, +1, -\hspace{-0.1cm}1, \ -\hspace{-0.1cm}1, \text{ ...$" .  
 +
*The long&nbsp; "$-1$"&nbsp; sequence would lead to the value $-s_0$.  
 +
*In contrast,&nbsp; the&nbsp; "worst&ndash;case"&nbsp; sequence leads to the eye line&nbsp; $-s_0 + 2 \cdot g_d(t)$.  
 +
*Thus,&nbsp; at detection time&nbsp; $T_{\rm D} = 0$,&nbsp; with decision threshold&nbsp; $E = 0$:
 
:$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ 2}= 2 \cdot g_0 - s_0
 
:$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ 2}= 2 \cdot g_0 - s_0
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Richtig sind somit der <u>erste und der dritte Lösungsvorschlag</u>.
+
'''(2)'''&nbsp; For the half vertical eye opening holds:
 
 
 
 
'''(2)'''&nbsp; Für die halbe vertikale Augenöffnung gilt:
 
 
:$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ 2} \ = \ 2 \cdot g_0 - s_0 = 2 \cdot s_0
 
:$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ 2} \ = \ 2 \cdot g_0 - s_0 = 2 \cdot s_0
 
   \cdot\left [ 1- 2 \cdot {\rm Q} \left(
 
   \cdot\left [ 1- 2 \cdot {\rm Q} \left(
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
   \right)\right] - s_0 = $$
+
   \right)\right] - s_0 = s_0
:$$ \ = \ s_0
 
 
   \cdot\left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left(
 
   \cdot\left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left(
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
Line 82: Line 92:
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Ein geschlossenes Auge ergibt sich gemäß dem angegebenen Interaktionsmodul für
+
*A closed eye results according to the given applet for
 
:$${\rm Q} \left(
 
:$${\rm Q} \left(
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
 
   \right) \ge 0.25 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot
 
   \right) \ge 0.25 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot
   T< 0.675$$
+
   T< 0.675\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  f_{\rm G, min} \cdot
:$$\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}  f_{\rm G, min} \cdot
 
 
   T \approx \frac{0.675}{2.5}\hspace{0.15cm}\underline {  \approx 0.27}
 
   T \approx \frac{0.675}{2.5}\hspace{0.15cm}\underline {  \approx 0.27}
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
 
+
'''(3)'''&nbsp; Using the equations on the information section and the previous calculations,&nbsp; we obtain
'''(3)'''&nbsp; Mit den Gleichungen auf der Angabenseite und den bisherigen Berechnungen ergibt sich
+
[[File:P_ID1395__Dig_Z_3_2_c.png|right|frame|$\rho_{\rm U}$ as a function of (normalized) cutoff frequency]]
 
:$$\rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2} =
 
:$$\rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2} =
 
   \frac{s_0^2
 
   \frac{s_0^2
Line 99: Line 108:
 
   \right)\right]^2}{ N_0 \cdot f_{\rm G} / \sqrt{2}}$$
 
   \right)\right]^2}{ N_0 \cdot f_{\rm G} / \sqrt{2}}$$
  
Mit der Angabe $&bdquo;E_B/N_0 = 10 \ \rm dB &rdquo;$ erhält man folgende Bestimmungsgleichung:
+
*With the specification&nbsp; $E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB $,&nbsp; the following determining equation is obtained:
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}  {E_{\rm B}}/{ N_0} = 10 \, {\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}  {E_{\rm B}}/{ N_0} = 10 \, {\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
   {E_{\rm B}}/{ N_0} = {s_0^2 \cdot T}/{ N_0} = 10$$
 
   {E_{\rm B}}/{ N_0} = {s_0^2 \cdot T}/{ N_0} = 10$$
Line 107: Line 116:
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
 
\sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T
 
   \right)\right]^2}{  f_{\rm G} \cdot T}\hspace{0.05cm}.$$
 
   \right)\right]^2}{  f_{\rm G} \cdot T}\hspace{0.05cm}.$$
 +
*The figure shows this function plot as a function of the&nbsp; (normalized)&nbsp; cutoff frequency.&nbsp; For the given cutoff frequencies holds:
 +
* $f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 12.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.04 \ \rm dB},$
 +
* $f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 14.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.66 \ \rm dB},$
 +
* $f_{\rm G} \cdot T = 1.0\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 13.5 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.30 \ \rm dB}.$
  
[[File:P_ID1395__Dig_Z_3_2_c.png|frame|$\rho_U$ in Abhängigkeit der (normierten) Grenzfrequenz]]
+
*From the above graph,&nbsp; one can also see the minimum cutoff frequency &nbsp; &rArr; &nbsp; subtask '''(2)'''.
Die Abbildung zeigt diesen Funktionsverlauf in Abhängigkeit der (normierten) Grenzfrequenz. Für die vorgegebenen Grenzfrequenzen gilt:
 
* $f_G \cdot T = 0.6: \rho_{\rm U} \approx 12.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_U \ \underline {\approx \ 11.04 \ \rm dB},$
 
* $f_G \cdot T = 0.8: \rho_{\rm U} \approx 14.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_U \ \underline {\approx \ 11.66 \ \rm dB},$
 
* $f_G \cdot T = 1.0: \rho_{\rm U} \approx 13.5 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_U \ \underline {\approx \ 11.30 \ \rm dB}.$
 
 
 
 
 
Aus obiger Grafik erkennt man auch die minimale Grenzfrequenz gemäß Teilaufgabe 2).
 
 
 
 
 
'''(4)'''&nbsp; Die Gültigkeit der ersten Aussage ergibt sich aus obiger Grafik. Da in der obigen Gleichung für $\rho_{\rm U}$ das Verhältnis $E_{\rm B}/N_0$ nur als Faktor auftritt, führt die Optimierung (Nullsetzen der Ableitung) unabhängig von $E_{\rm B}/N_0$ stets zum gleichen Ergebnis.
 
  
Die optimale Grenzfrequenz hinsichtlich $p_{\rm U}$ ist näherungsweise auch hinsichtlich $p_{\rm S}$ optimal, aber nicht exakt. Für sehr große Werte von $E_{\rm B}/N_0$ (kleines Rauschen) stimmt diese Näherung sehr gut und es gilt $p_{\rm S} \ \approx \ p_{\rm B}/4$. Dagegen ergibt sich bei großem Rauschen, beispielsweise $10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$ eine kleinere optimale Grenzfrequenz, wenn die Optimierung auf $p_{\rm S}$ basiert:
 
* $f_G \cdot T = 0.8: p_{\rm U} = 0.113, p_{\rm S} = 0.102,$
 
* $f_G \cdot T = 0.6: p_{\rm U} = 0.129, p_{\rm S} = 0.094.$
 
  
 +
'''(4)'''&nbsp; The&nbsp; <u>first two solutions</u>&nbsp; are correct:
 +
*The validity of the first statement is evident from the above graph.
 +
*Since in  &nbsp;$\rho_{\rm U}$&nbsp; equation the ratio&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; occurs only a factor,&nbsp; the optimization&nbsp; (setting derivative to zero)&nbsp; always leads to the same result independent of&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$.
 +
*The optimal cutoff frequency with respect to&nbsp; $p_{\rm U}$&nbsp; is approximately optimal with respect to&nbsp; $p_{\rm S}$&nbsp; as well,&nbsp; but not exactly.
 +
*For very large values of&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; (small noise),&nbsp; this approximation is very correct and&nbsp; $p_{\rm S} \ \approx \ p_{\rm U}/4$&nbsp; holds.
 +
*In contrast,&nbsp; for large noise e.g. &nbsp;$10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$,&nbsp; a smaller optimal cutoff frequency results when the optimization is based on&nbsp; $p_{\rm S}$:
 +
:: $f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm U} = 0.113,\hspace{0.4cm} p_{\rm S} = 0.102,$
 +
:: $f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm U} = 0.129,\hspace{0.4cm} p_{\rm S} = 0.094.$
 +
*However,&nbsp; the error probabilities are then so large that these results are not practically relevant.
  
Die Fehlerwahrscheinlichkeiten sind dann aber so groß, dass diese Ergebnisse nicht praxisrelevant sind. Richtig sind also die <u>beiden ersten Lösungsvorschläge</u>.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Mit dem Ergebnis aus 2), $E_{\rm B}/N_0 = 10$ und $f_{\rm G} \cdot T = 0.8$ gilt:
+
'''(5)'''&nbsp; With the result of subtask&nbsp; '''(2)''' &nbsp; &rArr; &nbsp;  $E_{\rm B}/N_0 = 10$ and $f_{\rm G} \cdot T = 0.8$&nbsp; holds:
 
:$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ s_0} = 2 \cdot \left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left(
 
:$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ s_0} = 2 \cdot \left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left(
 
\sqrt{2\pi} \cdot 0.8 \right)\right] =  2 \cdot \left [ 1- 4
 
\sqrt{2\pi} \cdot 0.8 \right)\right] =  2 \cdot \left [ 1- 4
Line 151: Line 159:
  
  
[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^3.2 Bitfehlerrate mit Impulsinterferenzen^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^3.2 BER with Intersymbol Interference^]]

Latest revision as of 14:25, 10 October 2022

Noiseless and noisy eye diagrams

As in  Exercise 3.2,  a binary bipolar redundancy-free binary system with Gaussian receiver filter  $H_{\rm G}(f)$  is considered.  Its cutoff frequency  $f_{\rm G}$  is to be determined such that the worst-case S/N ratio

$$\rho_{\rm U} = \frac{\big[\ddot{o}(T_{\rm D})/2 \big]^2}{ \sigma_d^2}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}} \right)$$

becomes maximum and thus the worst-case error probability  $p_{\rm U}$  becomes minimum.  The thus optimized cutoff frequency  $f_{\rm G, \ opt}$  usually also leads to the minimum mean symbol error probability  $p_{\rm S, \ min}$.

In the above equation,  the following system quantities are used:

  • $\sigma_d^2$  is the detection noise power.  For a Gaussian receiver filter holds:
$$\sigma_d^2 = \frac{N_0}{2} \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} |H_{\rm G}(f)|^2 \,{\rm d} f = \frac{N_0 \cdot f_{\rm G}}{\sqrt{2}}\hspace{0.05cm}.$$
  • $\ddot{o}(T_{\rm D})$  indicates the  "eye opening".  The detection time is always assumed to be  $T_{\rm D} = 0$. 
  • For a Gaussian receiver filter,  the vertical eye opening  $\ddot{o}(T_{\rm D})$  can be expressed solely by the amplitude  $s_0$  of the basic transmission pulse  $($upper boundary line in the noiseless eye diagram$)$ and the maximum value  $g_0$  of the basic detection pulse.  $g_0$ is to be calculated as follows:
$$g_0 = g_d(t = 0) = s_0 \cdot \big [1- 2 \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T \right)\big]\hspace{0.05cm}.$$

The graph shows the eye diagrams of the sought configuration with optimal cutoff frequency.

  • In the upper diagram,  noise is not considered.
  • The lower diagram,  on the other hand,  is valid with AWGN noise for  $10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$.



Notes:



Questions

1

Which statements are true for the eye diagram?

The eye opening is calculated without noise.
With Gaussian receiver filter:  $\ddot{o}(T_{\rm D})/2 = s_0 \ – \ g_0$.
With Gaussian receiver filter:  $\ddot{o}(T_{\rm D})/2 = 2 \cdot g_0 \ – \ s_0$.

2

At what cutoff frequency does a closed eye result?

$f_{\rm G, \ min} \cdot T \ = \ $

3

Calculate the worst-case SNR for  $10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$.  What are the values for the cutoff frequencies listed below?

$f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ = \ $

$\ \rm dB$
$f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U}\ = \ $

$\ \rm dB$
$f_{\rm G} \cdot T = 1.0\text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ = \ $

$\ \rm dB$

4

Which statements are true regarding the optimal cutoff frequency?

Optimization with respect to  $p_{\rm U}$  $($or  $\rho_{\rm U})$  yields $f_{\rm G, \ opt} \cdot T \approx 0.8$.
This optimization result is independent of  $E_{\rm B}/N_0$.
Optimization with respect to  $p_{\rm S}$  leads to exactly the same result.

5

Determine the following quantities for the optimal cutoff frequency  $f_{\rm G, \ opt}$  for  $10 \cdot {\rm lg} \ (E_{\rm B}/N_0) = 10 \ \rm dB$.

$\ddot{o}(T_{\rm D})/s_0 \ = \ $

$\sigma_d/s_0 \ = \ $

$10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ = \ $

$\ \rm dB$
$p_{\rm U}\ = \ $

$\ \cdot 10^{\rm -5}$


Solution

(1)  The  first and third solutions  are correct:

  • When calculating the vertical eye opening,  the noise component must not be taken into account.  This is captured by the noise rms value  $\sigma_d$.
  • If the eye opening were taken from the lower eye diagram,  the noise component would be captured twice.
  • The upper boundary of the inner eye line results for the symbol sequence  "$\text{ ...} \, \ -\hspace{-0.1cm}1 \ -\hspace{-0.1cm}1, +1, -\hspace{-0.1cm}1, \ -\hspace{-0.1cm}1, \text{ ...} $" .
  • The long  "$-1$"  sequence would lead to the value $-s_0$.
  • In contrast,  the  "worst–case"  sequence leads to the eye line  $-s_0 + 2 \cdot g_d(t)$.
  • Thus,  at detection time  $T_{\rm D} = 0$,  with decision threshold  $E = 0$:
$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ 2}= 2 \cdot g_0 - s_0 \hspace{0.05cm}.$$

(2)  For the half vertical eye opening holds:

$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ 2} \ = \ 2 \cdot g_0 - s_0 = 2 \cdot s_0 \cdot\left [ 1- 2 \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T \right)\right] - s_0 = s_0 \cdot\left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T \right)\right] \hspace{0.05cm}.$$
  • A closed eye results according to the given applet for
$${\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T \right) \ge 0.25 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T< 0.675\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} f_{\rm G, min} \cdot T \approx \frac{0.675}{2.5}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.27} \hspace{0.05cm}.$$

(3)  Using the equations on the information section and the previous calculations,  we obtain

$\rho_{\rm U}$ as a function of (normalized) cutoff frequency
$$\rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2} = \frac{s_0^2 \cdot\left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T \right)\right]^2}{ N_0 \cdot f_{\rm G} / \sqrt{2}}$$
  • With the specification  $E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB $,  the following determining equation is obtained:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} {E_{\rm B}}/{ N_0} = 10 \, {\rm dB}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {E_{\rm B}}/{ N_0} = {s_0^2 \cdot T}/{ N_0} = 10$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \rho_{\rm U} = 10 \cdot \sqrt{2} \cdot \frac{ \left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot f_{\rm G} \cdot T \right)\right]^2}{ f_{\rm G} \cdot T}\hspace{0.05cm}.$$
  • The figure shows this function plot as a function of the  (normalized)  cutoff frequency.  For the given cutoff frequencies holds:
  • $f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 12.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.04 \ \rm dB},$
  • $f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 14.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.66 \ \rm dB},$
  • $f_{\rm G} \cdot T = 1.0\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 13.5 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.30 \ \rm dB}.$
  • From the above graph,  one can also see the minimum cutoff frequency   ⇒   subtask (2).


(4)  The  first two solutions  are correct:

  • The validity of the first statement is evident from the above graph.
  • Since in  $\rho_{\rm U}$  equation the ratio  $E_{\rm B}/N_0$  occurs only a factor,  the optimization  (setting derivative to zero)  always leads to the same result independent of  $E_{\rm B}/N_0$.
  • The optimal cutoff frequency with respect to  $p_{\rm U}$  is approximately optimal with respect to  $p_{\rm S}$  as well,  but not exactly.
  • For very large values of  $E_{\rm B}/N_0$  (small noise),  this approximation is very correct and  $p_{\rm S} \ \approx \ p_{\rm U}/4$  holds.
  • In contrast,  for large noise e.g.  $10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 0 \ \rm dB$,  a smaller optimal cutoff frequency results when the optimization is based on  $p_{\rm S}$:
$f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm U} = 0.113,\hspace{0.4cm} p_{\rm S} = 0.102,$
$f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm U} = 0.129,\hspace{0.4cm} p_{\rm S} = 0.094.$
  • However,  the error probabilities are then so large that these results are not practically relevant.


(5)  With the result of subtask  (2)   ⇒   $E_{\rm B}/N_0 = 10$ and $f_{\rm G} \cdot T = 0.8$  holds:

$${\ddot{o}(T_{\rm D})}/{ s_0} = 2 \cdot \left [ 1- 4 \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot 0.8 \right)\right] = 2 \cdot \left [ 1- 4 \cdot 0.022\right]\hspace{0.15cm}\underline { = 1.824} \hspace{0.05cm},$$
$${\sigma_d^2}/{ s_0^2} = \frac{N_0 \cdot f_{\rm G} }{\sqrt{2}\cdot s_0^2}= \frac{N_0 }{s_0^2 \cdot T} \cdot \frac{f_{\rm G} \cdot T}{\sqrt{2}} = 0.1 \cdot \frac{0.8}{\sqrt{2}} \approx 0.0566 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\sigma_d}/{ s_0}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 0.238} \hspace{0.05cm},$$
$$\rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})]^2}{ 4 \cdot \sigma_d^2} = \frac{1.824^2}{ 4 \cdot 0.0566}\approx 14.7 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \rho_{\rm U}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 11.66\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$
$$p_{\rm U} = {\rm Q} \left( \sqrt{\rho_{\rm U}} \right) = {\rm Q} \left( \sqrt{14.7} \right) \hspace{0.15cm}\underline { \approx 6.4 \cdot 10^{-5}}\hspace{0.05cm}.$$