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|Augendiagramme ohne und mit Rauschen]]
+
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 [[Aufgaben:3.2_Augendiagramm_nach_Gaußtiefpass|Aufgabe 3.2]] wird ein binäres bipolares redundanzfreies Binärsystem mit gaußförmigen Empfangsfilter $H_{\rm G}(f)$ betrachtet. Dessen Grenzfrequenz $f_{\rm G}$ ist so zu bestimmen, 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 $p_{\rm U}$ 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 gilt:
+
* $\sigma_d^2$  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}.$$
* $\ddot{o}(T_{\rm D})$ gibt die Augenöffnung an. Der Detektionszeitpunkt wird stets zu $T_{\rm D} = 0$ 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 $\ddot{o}(T_{\rm D})$ allein durch die Amplitude $s_0$ des Sendegrundimpulses (obere Begrenzungslinie im Augendiagramm ohne Rauschen) und den Maximalwert $g_0$ des Detektionsgrundimpulses ausgedrückt werden.  
+
 
*Die Impulsamplitude $g_0$ ist dabei wie folgt zu berechnen:
+
* 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:
:$$g_0 = g_d(t = 0) = s_0 \cdot \left [1- 2 \cdot {\rm Q} \left(
+
:$$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 $10 \cdot \rm lg \ E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$.
 
  
  
''Hinweise:''
+
Notes:  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_unter_Berücksichtigung_von_Impulsinterferenzen|Fehlerwahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung von Impulsinterferenzen]].  
+
*The exercise belongs to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Error_Probability_with_Intersymbol_Interference|"Error Probability with Intersymbol Interference"]].
* Verwenden Sie zur numerischen Auswertung der Q–Funktion das Interaktionsmodul [[Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]].
+
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
* Use our HTML5/JavaScript applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]] for the numerical evaluation of the Q–function.
 +
  
  
  
===Fragebogen===
+
===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 $\ddot{o}(T_{\rm D})/2 = s_0 \ &ndash; \ g_0$.
+
- With Gaussian receiver filter: &nbsp;$\ddot{o}(T_{\rm D})/2 = s_0 \ &ndash; \ g_0$.
+ Bei gaußförmigem Impulsformer gilt $\ddot{o}(T_{\rm D})/2 = 2 \cdot g_0 \ &ndash; \ s_0$.
+
+ 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 $10 \cdot {\rm lg} \ E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB$. 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_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm 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% } $\ \rm dB$
Line 50: Line 56:
 
$f_{\rm G} \cdot T = 1.0\text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm 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 sind bezüglich der optimalen Grenzfrequenz zutreffend?
+
{Which statements are true regarding the optimal cutoff frequency?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die Optimierung hinsichtlich $p_{\rm U}$ (bzw. $\rho_{\rm U}$) 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 $E_{\rm B}/N_0$.
+
+ This optimization result is independent of &nbsp;$E_{\rm B}/N_0$.
- Die Optimierung hinsichtlich $p_{\rm S}$ 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 $10 \cdot {\rm lg} \ (E_{\rm B}/N_0) = 10 \ \rm dB$ 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_{\rm D})/s_0 \ = \ $ { 1.824 3% }  
 
$\ddot{o}(T_{\rm D})/s_0 \ = \ $ { 1.824 3% }  
Line 64: Line 70:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind der <u>erste und der dritte Lösungsvorschlag</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; The&nbsp; <u>first and third solutions</u>&nbsp; are correct:
*Bei der Berechnung der vertikalen Augenöffnung darf der Rauschanteil nicht berücksichtigt werden. Dieser wird durch den Rauscheffektivwert $\sigma_d$ erfasst.  
+
*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; $\sigma_d$.  
*Würde man die Augenöffnung aus dem unteren Augendiagramm entnehmen, so würde die Rauschkomponente zweimal erfasst.
+
*If the eye opening were taken from the lower eye diagram,&nbsp; the noise component would be captured twice.
*Die obere Begrenzung der inneren Augenlinie ergibt sich für die Symbolfolge &bdquo; $\text{ ...} \, \ -\hspace{-0.1cm}1 \ -\hspace{-0.1cm}1, +1, -\hspace{-0.1cm}1, \ -\hspace{-0.1cm}1, \text{ ...}  $ &rdquo; .  
+
*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{ ...}  $" .  
*Die lange &bdquo;$-1$&rdquo;&ndash;Folge würde zum Wert $-s_0$ führen.  
+
*The long&nbsp; "$-1$"&nbsp; sequence would lead to the value $-s_0$.  
*Dagegen führt die &bdquo;worst&ndash;case&rdquo;&ndash;Folge zur Augenlinie $-s_0 + 2 \cdot g_d(t)$.  
+
*In contrast,&nbsp; the&nbsp; "worst&ndash;case"&nbsp; sequence leads to the eye line&nbsp; $-s_0 + 2 \cdot g_d(t)$.  
*Zum Detektionszeitpunkt $T_{\rm D} = 0$ gilt somit mit der Entscheiderschwelle $E = 0$:
+
*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}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; Für die halbe vertikale Augenöffnung gilt:
+
'''(2)'''&nbsp; For the half vertical eye opening holds:
 
:$${\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(
Line 86: 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
Line 94: Line 100:
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(3)'''&nbsp; Mit den Gleichungen auf der Angabenseite und den bisherigen Berechnungen ergibt sich
+
'''(3)'''&nbsp; Using the equations on the information section and the previous calculations,&nbsp; we obtain
[[File:P_ID1395__Dig_Z_3_2_c.png|right|frame|$\rho_{\rm U}$ als Funktion der (normierten) Grenzfrequenz]]  
+
[[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 102: 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 $&bdquo;E_{\rm B}/N_0 = 10 \ \rm dB &rdquo;$ 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 110: 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}.$$
Die Abbildung zeigt diesen Funktionsverlauf in Abhängigkeit der (normierten) Grenzfrequenz. Für die vorgegebenen Grenzfrequenzen gilt:
+
*The figure shows this function plot as a function of the&nbsp; (normalized)&nbsp; cutoff frequency.&nbsp; For the given cutoff frequencies holds:
 
* $f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 12.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.04 \ \rm dB},$
 
* $f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 12.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.04 \ \rm dB},$
 
* $f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 14.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.66 \ \rm dB},$
 
* $f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 14.7 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.66 \ \rm dB},$
 
* $f_{\rm G} \cdot T = 1.0\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 13.5 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.30 \ \rm dB}.$
 
* $f_{\rm G} \cdot T = 1.0\text{:} \hspace{0.4cm} \rho_{\rm U} \approx 13.5 \Rightarrow 10 \cdot \rm lg \ \rho_{\rm U} \ \underline {\approx \ 11.30 \ \rm dB}.$
Aus obiger Grafik erkennt man auch die minimale Grenzfrequenz &nbsp; &rArr; &nbsp; Teilaufgabe (2).
 
  
 +
*From the above graph,&nbsp; one can also see the minimum cutoff frequency &nbsp; &rArr; &nbsp; subtask '''(2)'''.
 +
 +
 +
'''(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.
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sinddie <u>beiden ersten Lösungsvorschläge</u>:
 
*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:
 
:: $f_{\rm G} \cdot T = 0.8\text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm U} = 0.113, p_{\rm S} = 0.102,$
 
:: $f_{\rm G} \cdot T = 0.6\text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm U} = 0.129, p_{\rm S} = 0.094.$
 
*Die Fehlerwahrscheinlichkeiten sind dann aber so groß, dass diese Ergebnisse nicht praxisrelevant sind.
 
  
  
'''(5)'''&nbsp; Mit dem Ergebnis der Teilaufgabe (2) nbsp; &rArr; &nbsp;  $E_{\rm B}/N_0 = 10$ 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:

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