Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.4: Optimization of the Cutoff Frequency"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Impulsinterferenzen_bei_mehrstufiger_Übertragung
+
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Intersymbol_Interference_for_Multi-Level_Transmission
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1419__Dig_A_3_4.png|right|frame|Systemgrößen für Binär– und Quaternärsystem sowie für verschiedene Grenzfrequenzen]]
+
[[File:EN_Dig_A_3_4.png|right|frame|System sizes for binary and quaternary systems and for different cutoff frequencies]]
Wir vergleichen ein redundanzfreies Binärsystem ($M = 2$) und ein redundanzfreies Quaternärsystem ($M = 4$) hinsichtlich ihrer S/N–Verhältnisse im ungünstigsten Fall:
+
We compare a redundancy-free binary system  $(M = 2)$  and a redundancy-free quaternary system  $(M = 4)$  in terms of their worst-case S/N ratios:
:$$\rho_{\rm U} = \frac{[\ddot{o}(T_{\rm D})/2]^2}{ \sigma_d^2} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\rho_{\rm U} = \frac{\big[\ddot{o}(T_{\rm D})/2 \big]^2}{ \sigma_d^2} \hspace{0.05cm}.$$
  
$\ddot{o}(T_{\rm D})$ ist  die vertikale Augenöffnung und $\sigma_d^2$ gibt die Detektionsrauschleistung an. Für beide Systemkonfigurationen gelten die gleichen Randbedingungen (ähnlich wie in [[Aufgaben:3.4Z_Augenöffnung_und_Stufenzahl|Aufgabe 3.4Z]]):
+
$\ddot{o}(T_{\rm D})$  is the vertical eye opening and  $\sigma_d^2$  indicates the detection noise power.  The same boundary conditions apply to both system configurations  (similar to  [[Aufgaben:Exercise_3.4Z:_Eye_Opening_and_Level_Number|Exercise 3.4Z]]):
* Der rechteckige Sendegrundimpuls $g_s(t)$ im NRZ–Format hat die Höhe $s_0 = 1 \, {\rm V}$.
+
* The rectangular basic transmission pulse  $g_s(t)$  in NRZ format has the height  $s_0 = 1 \, {\rm V}$.
* Die (äquivalente) Bitrate beträgt in beiden Fällen $R_{\rm B} = 100 \, {\rm Mbit/s}$.
+
 
* Der Kanal besteht aus einem Koaxialkabel mit der charakteristischen Kabeldämpfung $a_* = 80 \, {\rm dB}$ (bzw. $9.2 \, {\rm Np}$).
+
* The (equivalent) bit rate is  $R_{\rm B} = 100 \, {\rm Mbit/s}$ in both cases.
* Das Empfangsfilter sei ein Gaußtiefpass mit der Grenzfrequenz $f_{\rm G}$, die zu optimieren ist:
+
 
 +
* The channel consists of a coaxial cable with the characteristic cable attenuation  $a_* = 80 \, {\rm dB}\Rightarrow 9.2 \, {\rm Np}$.
 +
 
 +
* Let the receiver filter be a Gaussian low-pass filter with cutoff frequency  $f_{\rm G}$,  which is to be optimized:
 
:$$H_{\rm G}(f) = {\rm e}^{{- \pi \cdot f^2}/{(2f_{\rm G})^2}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$H_{\rm G}(f) = {\rm e}^{{- \pi \cdot f^2}/{(2f_{\rm G})^2}}\hspace{0.05cm}.$$
* Am Kanalausgang liegt AWGN–Rauschen mit der Rauschleistungsdichte $N_0$ vor.
+
* AWGN noise with  (one-sided)  power-spectral density  $N_0$  is present at the channel output.
* Die Entscheiderschwellen sind optimal gewählt und auch der Detektionszeitpunkt $T_{\rm D} = 0$.
+
 
 +
* The decision thresholds are optimally selected and the detection time  $T_{\rm D} = 0$  is also best possible.
  
  
Im Gegensatz zur [[Aufgaben:3.4Z_Augenöffnung_und_Stufenzahl|Aufgabe 3.4Z]] (feste Grenzfrequenz $f_{\rm G} = 30 \, {\rm MHz}$) ist hier die Grenzfrequenz des Tiefpasses variabel. Diese soll so bestimmt werden, dass das ungünstigste S/N–Verhältnis $\rho_{\rm U}$ maximiert und damit die (ungünstigste) Fehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm U}$ minimiert wird.
+
In contrast to  [[Aufgaben:Exercise_3.4Z:_Eye_Opening_and_Level_Number|Exercise 3.4Z]]  $($fixed cutoff frequency  $f_{\rm G} = 30 \, {\rm MHz}),$  the cutoff frequency of the low-pass filter is variable here.  This is to be determined in such a way that the  worst-case S/N ratio  $\rho_{\rm U}$  is maximized and thus the worst-case error probability  $p_{\rm U}$  is minimized.
  
Die Tabelle zeigt
+
The table shows
*die (normierte) halbe Augenöffnung und
+
*the  (normalized)  half eye opening,  and
*den (normierten) Detektionsrauscheffektivwert
+
*the  (normalized)  detection noise rms value
  
  
für das Binärsystem ($M = 2$) und das Quaternärsystem ($M = 4$) sowie für verschiedene (normierte) Grenzfrequenzen. Die Normierung basiert dabei auf der Bitrate $R_{\rm B}$.
+
for the binary system  $(M = 2)$  and the quaternary system  $(M = 4)$  as well as for different  (normalized)  cutoff frequencies.  The normalization is based on the bit rate  $R_{\rm B}$.
  
Anzumerken ist:
+
To be noted:
* Die Tabelle gilt für $E_{\rm B}/N_0 = 5 \cdot 10^8$ und $a_* = 80 \, {\rm dB}$ (bzw. $9.2 \, {\rm Np}$).  
+
* The table is valid for  $E_{\rm B}/N_0 = 5 \cdot 10^8$  and  $a_* = 80 \, {\rm dB}\Rightarrow 9.2 \, {\rm Np}$.
* Die (normierte Rauchleistung ergibt sich unter Berücksichtigung des idealen Kanalentzerrers zu
+
 +
* Taking into account the ideal channel equalizer,  the normalized noise power  results in
 
:$$\frac{ \sigma_d^2}{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}} = \frac{ 1}{R_{\rm
 
:$$\frac{ \sigma_d^2}{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}} = \frac{ 1}{R_{\rm
 
B}} \cdot \int_{0}^{\infty}{\rm exp}\left [2 \cdot 9.2
 
B}} \cdot \int_{0}^{\infty}{\rm exp}\left [2 \cdot 9.2
Line 34: Line 39:
 
B})^2}{(2 f_{\rm G}/R_{\rm B})^2} \right ]{\rm d} \hspace{0.05cm} f
 
B})^2}{(2 f_{\rm G}/R_{\rm B})^2} \right ]{\rm d} \hspace{0.05cm} f
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
* Wie in Aufgabe [[Aufgaben:3.4Z_Augenöffnung_und_Stufenzahl|Aufgabe 3.4Z]]  noch hergeleitet wird, gilt für die (normierte) halbe Augenöffnung:
+
* As will be derived in  [[Aufgaben:Exercise_3.4Z:_Eye_Opening_and_Level_Number|Exercise 3.4Z]],  the following holds for the  (normalized)  half eye opening:
:$$\frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{ 2 \cdot s_0} = \frac{1}{ M-1}\cdot \left [1- 2 \cdot M \cdot {\rm Q} \left(
+
:$$\frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{ 2 \cdot s_0} = \frac{1}{ M-1}\cdot \big [1- 2 \cdot M \cdot {\rm Q} \left(
 
\sqrt{2\pi} \cdot {\rm log_2}\hspace{0.1cm}(M) \cdot {f_{\rm
 
\sqrt{2\pi} \cdot {\rm log_2}\hspace{0.1cm}(M) \cdot {f_{\rm
 
G}}/{R_{\rm B}}
 
G}}/{R_{\rm B}}
   \right)\right]
+
   \right)\big]
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
* Damit kann für das ungünstigste S/N–Verhältnis geschrieben werden:
+
* Thus,  for the worst case S/N ratio,  the last term can be interpreted as  "energy per bit related to noise power density"  for the NRZ rectangular pulse considered here:
 
:$$\rho_{\rm U} = \left [\frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{  2 \cdot s_0} \right ]^2 \cdot
 
:$$\rho_{\rm U} = \left [\frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{  2 \cdot s_0} \right ]^2 \cdot
 
  \frac{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}}{ \sigma_d^2} \cdot \frac{ s_0^2}{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}}
 
  \frac{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}}{ \sigma_d^2} \cdot \frac{ s_0^2}{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}}
  \hspace{0.05cm},$$
+
  \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
 
  
:wobei der letzte Term bei dem hier betrachteten NRZ&ndash;Rechteckimpuls als &bdquo;<i>Energie pro Bit bezogen auf die Rauschleistungsdichte</i>&rdquo; interpretiert werden kann.
 
  
Für die Lösung der Aufgabe sind die hier gemachten Anmerkungen nicht relevant:  
+
Notes:  
*In der Tabelle ist $\sigma_d/s_0$ angegeben, das heißt, dass hier der zweite und der dritte Term obiger Gleichung zusammengefasst sind.
+
*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Intersymbol_Interference_for_Multi-Level_Transmission|"Intersymbol Interference for Multi-Level Transmission"]].
*Durch Division des jeweils ersten Spaltenelements (normierte halbe Augenöffnung) durch das zweite in der Tabelle angegebene Element ($\sigma_d/s_0$) und Quadrieren des Quotienten kommt man hier sehr einfach zum Ergebnis $\rho_{\rm U}$.
 
  
 +
*In the table, &nbsp;$\sigma_d/s_0$&nbsp; is given,&nbsp; which means that the second and third terms of the above equation are combined here.
  
''Hinweise:''
+
*By dividing the first column element&nbsp; ("normalized half eye opening")&nbsp; by the second element &nbsp;$(\sigma_d/s_0)$&nbsp; and squaring the quotient,&nbsp; the result &nbsp;$\rho_{\rm U}$&nbsp; is obtained very easily.
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Impulsinterferenzen_bei_mehrstufiger_%C3%9Cbertragung|Impulsinterferenzen bei mehrstufiger Übertragung]].
+
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Die Tabelle ist bezüglich $\sigma_d$ nicht vollständig. Ermitteln Sie folgende Werte:
+
{The table is not complete with respect to &nbsp;$\sigma_d$.&nbsp; Determine the following values:
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$M = 2, f_{\rm G} = 0.33\text{:}\hspace{0.4cm} \sigma_d/s_0 \ = \ $  { 0.047 3% }  
 
$M = 2, f_{\rm G} = 0.33\text{:}\hspace{0.4cm} \sigma_d/s_0 \ = \ $  { 0.047 3% }  
 
$M = 4, f_{\rm G} = 0.28\text{:}\hspace{0.4cm} \sigma_d/s_0 \ = \ $ { 0.021 3% }  
 
$M = 4, f_{\rm G} = 0.28\text{:}\hspace{0.4cm} \sigma_d/s_0 \ = \ $ { 0.021 3% }  
  
{Ermitteln Sie die optimale Grenzfrequenz und den erreichbaren (ungünstigsten) Störabstand für das Binärsystem.
+
{Determine the optimal cutoff frequency and the achievable worst-case signal-to-noise ratio for the binary system.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$M = 2\text{:}\hspace{0.9cm} f_{\rm G, \ opt}/R_{\rm B}\ = \ $ { 0.33 3% }  
 
$M = 2\text{:}\hspace{0.9cm} f_{\rm G, \ opt}/R_{\rm B}\ = \ $ { 0.33 3% }  
 
$M = 2\text{:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U, \ max}\ = \ $ { 11.85 3% } ${\ \rm dB}$
 
$M = 2\text{:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U, \ max}\ = \ $ { 11.85 3% } ${\ \rm dB}$
  
{Ermitteln Sie die optimale Grenzfrequenz und den erreichbaren (ungünstigsten) Störabstand für das Quaternärsystem.
+
{Find the optimal cutoff frequency and the achievable worst-case signal-to-noise ratio for the quaternary system.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$M = 4\text{:}\hspace{0.97cm} f_{\rm G, \ opt}/R_{\rm B}\ = \ ${ 0.28 3% }  
 
$M = 4\text{:}\hspace{0.97cm} f_{\rm G, \ opt}/R_{\rm B}\ = \ ${ 0.28 3% }  
 
$M = 4\text{:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U,\ max}\ = \ $ { 15.21 3% } ${\ \rm dB}$
 
$M = 4\text{:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U,\ max}\ = \ $ { 15.21 3% } ${\ \rm dB}$
  
{Bewerten Sie die Ergebnisse der Teilaufgaben (2) und 3) anhand der folgenden Aussagen. Welche sind zutreffend?
+
{Evaluate the results of subtasks&nbsp; '''(2)'''&nbsp; and&nbsp; '''(3)'''&nbsp; using the following statements.&nbsp; Which of them are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Ist die normierte Grenzfrequen $f_{\rm G}/R_{\rm B} &#8805; 0.35$, so ist das Binärsystem dem Quaternärsystem überlegen.
+
+ If the normalized cutoff frequency &nbsp;$f_{\rm G}/R_{\rm B} &#8805; 0.35$,&nbsp; the binary system is superior to the quaternary system.
- Mit der normierten Grenzfrequenz $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$ ist das Binärsystem besser als das Quaternärsystem.
+
- If the normalized cutoff frequency &nbsp;$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$,&nbsp; the binary system is superior to the quaternary system.
+ Der Hauptgrund für die Überlegenheit des Quaternärsystems gegenüber dem Binärsystem (jeweils optimiert) ist die niedrigere Symbolrate.
+
+ The main reason for the superiority of the quaternary system over the binary system&nbsp; (optimized in each case)&nbsp; is the lower symbol rate.
+ Aus den vorliegenden Werten kann geschlossen werden, dass das (optimale) Quaternärsystem auch für $a_* = 100 \, {\rm dB}$ besser ist.
+
+ From the present values,&nbsp; it can be concluded that the (optimal) quaternary system is also better for &nbsp;$a_* = 100 \, {\rm dB}$.&nbsp;
- Aus den vorliegenden Werten kann geschlossen werden, dass das (optimale) Quaternärsystem auch für $a_* = 40 \, {\rm dB}$ besser ist.
+
- From the present values,&nbsp; it can be concluded that the (optimal) quaternary system is also better for &nbsp;$a_* = 40 \, {\rm dB}$.&nbsp;
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Normiert man die Grenzfrequenz $f_{\rm G}$ auf die Bitrate $R_{\rm B}$ (und nicht auf die Symbolrate $1/T$), so gelten die angegebenen Rauscheffektivwerte unabhängig von der Stufenzahl. Damit erhält man:
+
'''(1)'''&nbsp; Normalizing the cutoff frequency&nbsp; $f_{\rm G}$&nbsp; to the bit rate&nbsp; $R_{\rm B}$&nbsp; $($and not to the symbol rate $1/T)$,&nbsp; the given noise rms values hold independently of the level number.&nbsp; Thus one obtains:
 
:$$M = 2, \hspace{0.1cm}f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33\text{:} \hspace{0.2cm}
 
:$$M = 2, \hspace{0.1cm}f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33\text{:} \hspace{0.2cm}
 
  \sigma_d/s_0 \ \hspace{0.15cm}\underline { = 0.047}
 
  \sigma_d/s_0 \ \hspace{0.15cm}\underline { = 0.047}
Line 93: Line 98:
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; Die optimale Grenzfrequenz ist dann gegeben, wenn der Quotient aus (halber) Augenöffnung und Rauscheffektivwert maximal ist. Das Optimum ergibt sich beim Binärsystem  für $f_{\rm G}/R_{\rm B} \underline {= 0.33}$:
+
'''(2)'''&nbsp; The optimum cutoff frequency is given when the quotient of the (half) eye opening and the noise rms value is maximum.
 +
*The optimum results for the binary system for&nbsp; $f_{\rm G}/R_{\rm B} \underline {= 0.33}$:
 
:$$\rho_{\rm U,\hspace{0.05cm} max} = \frac{0.184^2}{  0.047^2} = 15.32
 
:$$\rho_{\rm U,\hspace{0.05cm} max} = \frac{0.184^2}{  0.047^2} = 15.32
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
Line 100: Line 106:
 
dB}} \hspace{0.05cm}.$$
 
dB}} \hspace{0.05cm}.$$
  
Dagegen gilt für die benachbarten Grenzfrequenzwerte:
+
*In contrast,&nbsp; for the adjacent cutoff frequency values:
 
:$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.32\text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.155^2}{  0.040^2} = 15.02
 
:$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.32\text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.155^2}{  0.040^2} = 15.02
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
Line 110: Line 116:
 
  10 \cdot {\rm
 
  10 \cdot {\rm
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 11.72\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 11.72\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
Hieraus erkennt man das &ndash; wenn auch flache &ndash; Optimum.
+
*From this,&nbsp; one can see the optimum,&nbsp; albeit a flat one.
  
  
'''(3)'''&nbsp; Für $M = 4$ erhält man folgende Ergebnisse:
+
'''(3)'''&nbsp; For $M = 4$, the following results are obtained:
 
:$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.27 \text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.097^2}{  0.017^2} =
 
:$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.27 \text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.097^2}{  0.017^2} =
 
  32.56  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  32.56  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
Line 127: Line 133:
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 14.90\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
 
lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 14.90\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  
Die optimale Grenzfrequenz liegt demnach beim Quaternärsystem bei $f_{\rm G}/R_{\rm B} \underline {= 0.28}$. Der Störabstand ist dann um mehr als $3 \, {\rm dB}$ größer als beim Binärsystem mit optimierter Grenzfrequenz.
+
*Thus,&nbsp; the optimum cutoff frequency is&nbsp; $f_{\rm G}/R_{\rm B} \underline {= 0.28}$&nbsp; for the quaternary system.  
 +
*The signal-to-noise ratio is then more than&nbsp; $3 \, {\rm dB}$&nbsp; larger than for the binary system with optimized cutoff frequency.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Zutreffend sind die <u>Aussagen 1, 3 und 4</u>:  
+
'''(4)'''&nbsp; <u>Statements 1, 3 and 4</u>&nbsp; are correct:  
*Die Richtigkeit der ersten Aussage wird durch die Tabelle bestätigt. Für $f_{\rm G}/R_{\rm B} &#8805; 0.35$ weist das Binärsystem eine größere Augenöffnung als das Quaternärsystem auf. Durch die Normierung aller Frequenzen auf die Bitrate ist zudem der Rauscheffektivwert unabhängig von der Stufenzahl $M$, so dass die Optimierung auf die Augenöffnung beschränkt werden kann.
+
*The correctness of the first statement is confirmed by the table.&nbsp; For&nbsp; $f_{\rm G}/R_{\rm B} &#8805; 0.35$,&nbsp; the binary system has a larger eye opening than the quaternary system.&nbsp; Moreover,&nbsp; by normalizing all frequencies to the bit rate,&nbsp; the noise rms value is independent of the level number&nbsp; $M$,&nbsp; so that the optimization can be restricted to the eye opening.
  
*Für $f_{\rm G}/R_{\rm B} < 0.35$ ist dagegen das Quaternärsystem besser, also auch für $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$. Obwohl diese Grenzfrequenz für $M = 2$ optimal ist und für $M = 4$ nicht, ist mit $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$ das Quaternärsystem um etwa $0.85 \, {\rm dB}$ besser als das Binärsystem.
+
*For&nbsp; $f_{\rm G}/R_{\rm B} < 0.35$,&nbsp; on the other hand,&nbsp; the quaternary system is better,&nbsp; so also for&nbsp; $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$.&nbsp; Although this cutoff frequency is optimal for&nbsp; $M = 2$&nbsp; and not for&nbsp; $M = 4$,&nbsp; with $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$&nbsp; the quaternary system is better than the binary system by about&nbsp; $0.85 \, {\rm dB}$.
  
*Die dritte Aussage trifft zu. Durch die niedrigere (genauer gesagt: halbe) Symbolrate ist für $M = 4$ das Auge auch mit $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.23$ noch geöffnet, während bei einem Binärsystem bereits für $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.27$ ein (fast) geschlossenes Auge vorliegt.
+
*The third statement is true.&nbsp; Due to the lower (more precisely:&nbsp; half) symbol rate,&nbsp; for&nbsp; $M = 4$&nbsp; the eye is still open even with&nbsp; $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.23$,&nbsp; while for a binary system there is already an (almost) closed eye for&nbsp; $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.27$.
  
*Mit größerer charakteristischer Kabeldämpfung geht die Tendenz zu immer kleinerer Grenzfrequenz, um die Anhebung des Rauschens möglichst gering zu halten. Wenn aber bereits bei $a_* = 80 \, {\rm dB}$ das (bezüglich der Grenzfrequenz optimierte) Quaternärsystem besser ist, so gilt das auch für $100 \, {\rm dB}$. Der Gewinn ist größer als $15.21 \, &ndash; \, 11.85 \approx 3.4 \, {\rm dB}$. Diese Werte wurden in den Aufgaben (2) und (3) ermittelt.
+
*With larger characteristic cable attenuation,&nbsp; the tendency goes to smaller and smaller cutoff frequency in order to keep the increase of the noise as small as possible.&nbsp; But if already at&nbsp; $a_* = 80 \, {\rm dB}$&nbsp; the quaternary system&nbsp; (optimized with respect to cutoff frequency)&nbsp; is better,&nbsp; the same is true for&nbsp; $100 \, {\rm dB}$.&nbsp; The gain is larger&nbsp; than $15.21 - 11.85 \approx 3.4 \, {\rm dB}$.&nbsp; These values were obtained in questions&nbsp; '''(2)'''&nbsp; and&nbsp; '''(3)'''.
  
*Dagegen ist für die charakteristische Kabeldämpfung $a_* = 40 \, {\rm dB}$ anhand des vorliegenden Zahlenmaterials keine Aussage möglich. Eine Systemsimulation lieferte hierfür folgende Ergebnisse (für $E_{\rm B}/N_0 = 50 \, {\rm dB}$:
+
*In contrast,&nbsp; no statement is possible for the characteristic cable attenuation&nbsp; $a_* = 40 \, {\rm dB}$&nbsp; based on the available numerical material.&nbsp; A system simulation provided the following results for this&nbsp; $($for $E_{\rm B}/N_0 = 50 \, {\rm dB})$:
:$$M =2\text{:}  \hspace{0.2cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 15.43\,{\rm dB} \hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}
+
:$$M =2\text{:}  \hspace{0.2cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 15.43\,{\rm dB} \hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}
 
f_{\rm G}/R_{\rm B} \approx 0.4 \hspace{0.05cm},$$
 
f_{\rm G}/R_{\rm B} \approx 0.4 \hspace{0.05cm},$$
:$$M =4\text{:}  \hspace{0.2cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 14.65\,{\rm dB} \hspace{0.2cm}{\rm mit}\hspace{0.2cm}
+
:$$M =4\text{:}  \hspace{0.2cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 14.65\,{\rm dB} \hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm}
 
f_{\rm G}/R_{\rm B} \approx 0.32 \hspace{0.05cm}.$$
 
f_{\rm G}/R_{\rm B} \approx 0.32 \hspace{0.05cm}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^3.4 Auge bei mehrstufigen Systemen^]]
+
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^3.4 Eye Opening with Multilevel Systems^]]

Latest revision as of 11:08, 27 June 2022

System sizes for binary and quaternary systems and for different cutoff frequencies

We compare a redundancy-free binary system  $(M = 2)$  and a redundancy-free quaternary system  $(M = 4)$  in terms of their worst-case S/N ratios:

$$\rho_{\rm U} = \frac{\big[\ddot{o}(T_{\rm D})/2 \big]^2}{ \sigma_d^2} \hspace{0.05cm}.$$

$\ddot{o}(T_{\rm D})$  is the vertical eye opening and  $\sigma_d^2$  indicates the detection noise power.  The same boundary conditions apply to both system configurations  (similar to  Exercise 3.4Z):

  • The rectangular basic transmission pulse  $g_s(t)$  in NRZ format has the height  $s_0 = 1 \, {\rm V}$.
  • The (equivalent) bit rate is  $R_{\rm B} = 100 \, {\rm Mbit/s}$ in both cases.
  • The channel consists of a coaxial cable with the characteristic cable attenuation  $a_* = 80 \, {\rm dB}\Rightarrow 9.2 \, {\rm Np}$.
  • Let the receiver filter be a Gaussian low-pass filter with cutoff frequency  $f_{\rm G}$,  which is to be optimized:
$$H_{\rm G}(f) = {\rm e}^{{- \pi \cdot f^2}/{(2f_{\rm G})^2}}\hspace{0.05cm}.$$
  • AWGN noise with  (one-sided)  power-spectral density  $N_0$  is present at the channel output.
  • The decision thresholds are optimally selected and the detection time  $T_{\rm D} = 0$  is also best possible.


In contrast to  Exercise 3.4Z  $($fixed cutoff frequency  $f_{\rm G} = 30 \, {\rm MHz}),$  the cutoff frequency of the low-pass filter is variable here.  This is to be determined in such a way that the worst-case S/N ratio  $\rho_{\rm U}$  is maximized and thus the worst-case error probability  $p_{\rm U}$  is minimized.

The table shows

  • the  (normalized)  half eye opening,  and
  • the  (normalized)  detection noise rms value


for the binary system  $(M = 2)$  and the quaternary system  $(M = 4)$  as well as for different  (normalized)  cutoff frequencies.  The normalization is based on the bit rate  $R_{\rm B}$.

To be noted:

  • The table is valid for  $E_{\rm B}/N_0 = 5 \cdot 10^8$  and  $a_* = 80 \, {\rm dB}\Rightarrow 9.2 \, {\rm Np}$.
  • Taking into account the ideal channel equalizer,  the normalized noise power results in
$$\frac{ \sigma_d^2}{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}} = \frac{ 1}{R_{\rm B}} \cdot \int_{0}^{\infty}{\rm exp}\left [2 \cdot 9.2 \cdot \sqrt{2 \cdot f/R_{\rm B}} - 2\pi \cdot \frac{(f/R_{\rm B})^2}{(2 f_{\rm G}/R_{\rm B})^2} \right ]{\rm d} \hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm}.$$
  • As will be derived in  Exercise 3.4Z,  the following holds for the  (normalized)  half eye opening:
$$\frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{ 2 \cdot s_0} = \frac{1}{ M-1}\cdot \big [1- 2 \cdot M \cdot {\rm Q} \left( \sqrt{2\pi} \cdot {\rm log_2}\hspace{0.1cm}(M) \cdot {f_{\rm G}}/{R_{\rm B}} \right)\big] \hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  for the worst case S/N ratio,  the last term can be interpreted as  "energy per bit related to noise power density"  for the NRZ rectangular pulse considered here:
$$\rho_{\rm U} = \left [\frac{\ddot{o}(T_{\rm D})}{ 2 \cdot s_0} \right ]^2 \cdot \frac{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}}{ \sigma_d^2} \cdot \frac{ s_0^2}{N_{\rm 0} \cdot R_{\rm B}} \hspace{0.05cm}.$$



Notes:

  • In the table,  $\sigma_d/s_0$  is given,  which means that the second and third terms of the above equation are combined here.
  • By dividing the first column element  ("normalized half eye opening")  by the second element  $(\sigma_d/s_0)$  and squaring the quotient,  the result  $\rho_{\rm U}$  is obtained very easily.


Questions

1

The table is not complete with respect to  $\sigma_d$.  Determine the following values:

$M = 2, f_{\rm G} = 0.33\text{:}\hspace{0.4cm} \sigma_d/s_0 \ = \ $

$M = 4, f_{\rm G} = 0.28\text{:}\hspace{0.4cm} \sigma_d/s_0 \ = \ $

2

Determine the optimal cutoff frequency and the achievable worst-case signal-to-noise ratio for the binary system.

$M = 2\text{:}\hspace{0.9cm} f_{\rm G, \ opt}/R_{\rm B}\ = \ $

$M = 2\text{:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U, \ max}\ = \ $

${\ \rm dB}$

3

Find the optimal cutoff frequency and the achievable worst-case signal-to-noise ratio for the quaternary system.

$M = 4\text{:}\hspace{0.97cm} f_{\rm G, \ opt}/R_{\rm B}\ = \ $

$M = 4\text{:}\hspace{0.4cm} 10 \cdot {\rm lg} \, \rho_{\rm U,\ max}\ = \ $

${\ \rm dB}$

4

Evaluate the results of subtasks  (2)  and  (3)  using the following statements.  Which of them are true?

If the normalized cutoff frequency  $f_{\rm G}/R_{\rm B} ≥ 0.35$,  the binary system is superior to the quaternary system.
If the normalized cutoff frequency  $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$,  the binary system is superior to the quaternary system.
The main reason for the superiority of the quaternary system over the binary system  (optimized in each case)  is the lower symbol rate.
From the present values,  it can be concluded that the (optimal) quaternary system is also better for  $a_* = 100 \, {\rm dB}$. 
From the present values,  it can be concluded that the (optimal) quaternary system is also better for  $a_* = 40 \, {\rm dB}$. 


Solution

(1)  Normalizing the cutoff frequency  $f_{\rm G}$  to the bit rate  $R_{\rm B}$  $($and not to the symbol rate $1/T)$,  the given noise rms values hold independently of the level number.  Thus one obtains:

$$M = 2, \hspace{0.1cm}f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33\text{:} \hspace{0.2cm} \sigma_d/s_0 \ \hspace{0.15cm}\underline { = 0.047} \hspace{0.05cm},$$
$$M = 4, \hspace{0.1cm}f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.28\text{:} \hspace{0.2cm} \sigma_d/s_0 \ \hspace{0.15cm}\underline { = 0.021} \hspace{0.05cm}.$$

(2)  The optimum cutoff frequency is given when the quotient of the (half) eye opening and the noise rms value is maximum.

  • The optimum results for the binary system for  $f_{\rm G}/R_{\rm B} \underline {= 0.33}$:
$$\rho_{\rm U,\hspace{0.05cm} max} = \frac{0.184^2}{ 0.047^2} = 15.32 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U,\hspace{0.05cm} max}\hspace{0.15cm}\underline { = 11.85\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$
  • In contrast,  for the adjacent cutoff frequency values:
$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.32\text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.155^2}{ 0.040^2} = 15.02 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 11.76\,{\rm dB} \hspace{0.05cm},$$
$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.34 \text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.212^2}{ 0.055^2} = 14.86 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 11.72\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • From this,  one can see the optimum,  albeit a flat one.


(3)  For $M = 4$, the following results are obtained:

$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.27 \text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.097^2}{ 0.017^2} = 32.56 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 15.13\,{\rm dB} \hspace{0.05cm},$$
$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.28 \text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.121^2}{ 0.021^2} = 33.20 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} \hspace{0.15cm}\underline {= 15.21\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm},$$
$$f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.29 \text{:} \hspace{0.2cm}\rho_{\rm U} = \frac{0.139^2}{ 0.025^2} = 30.91 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 14.90\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  the optimum cutoff frequency is  $f_{\rm G}/R_{\rm B} \underline {= 0.28}$  for the quaternary system.
  • The signal-to-noise ratio is then more than  $3 \, {\rm dB}$  larger than for the binary system with optimized cutoff frequency.


(4)  Statements 1, 3 and 4  are correct:

  • The correctness of the first statement is confirmed by the table.  For  $f_{\rm G}/R_{\rm B} ≥ 0.35$,  the binary system has a larger eye opening than the quaternary system.  Moreover,  by normalizing all frequencies to the bit rate,  the noise rms value is independent of the level number  $M$,  so that the optimization can be restricted to the eye opening.
  • For  $f_{\rm G}/R_{\rm B} < 0.35$,  on the other hand,  the quaternary system is better,  so also for  $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$.  Although this cutoff frequency is optimal for  $M = 2$  and not for  $M = 4$,  with $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.33$  the quaternary system is better than the binary system by about  $0.85 \, {\rm dB}$.
  • The third statement is true.  Due to the lower (more precisely:  half) symbol rate,  for  $M = 4$  the eye is still open even with  $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.23$,  while for a binary system there is already an (almost) closed eye for  $f_{\rm G}/R_{\rm B} = 0.27$.
  • With larger characteristic cable attenuation,  the tendency goes to smaller and smaller cutoff frequency in order to keep the increase of the noise as small as possible.  But if already at  $a_* = 80 \, {\rm dB}$  the quaternary system  (optimized with respect to cutoff frequency)  is better,  the same is true for  $100 \, {\rm dB}$.  The gain is larger  than $15.21 - 11.85 \approx 3.4 \, {\rm dB}$.  These values were obtained in questions  (2)  and  (3).
  • In contrast,  no statement is possible for the characteristic cable attenuation  $a_* = 40 \, {\rm dB}$  based on the available numerical material.  A system simulation provided the following results for this  $($for $E_{\rm B}/N_0 = 50 \, {\rm dB})$:
$$M =2\text{:} \hspace{0.2cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 15.43\,{\rm dB} \hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm} f_{\rm G}/R_{\rm B} \approx 0.4 \hspace{0.05cm},$$
$$M =4\text{:} \hspace{0.2cm}10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm U} = 14.65\,{\rm dB} \hspace{0.2cm}{\rm with}\hspace{0.2cm} f_{\rm G}/R_{\rm B} \approx 0.32 \hspace{0.05cm}.$$