Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.4: Simple Phase Modulator"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Phasenmodulation (PM)
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1086__Mod_A_3_4.png|right|]]
+
[[File:P_ID1086__Mod_A_3_4.png|right|frame|"Approximate phase modulator"]]
Die nebenstehende Schaltung erlaubt die näherungsweise Realisierung eines phasenmodulierten Signals. Der 90°– Phasenschieber formt aus dem cosinusförmigen Träger $z(t)$ ein Sinussignal gleicher Frequenz, so dass für das modulierte Signal geschrieben werden kann:
+
The adjacent circuit allows the approximate realization of a phase-modulated signal.   
$$ s(t) = z(t) + q(t) \cdot \frac{z(t- T_0/4)}{A_{\rm T}} =\hspace{0.45cm}$$
 
$$= A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + q(t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
 
Der zweite Term beschreibt eine ZSB–AM ohne Träger. Zusätzlich wird der um 90° phasenverschobene Träger addiert. Bei cosinusförmigem Quellensignal
 
$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)$$
 
ergibt sich somit:
 
$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) =$$
 
$$ =  A_{\rm T} \cdot \left[\cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \right] \hspace{0.05cm}.$$
 
Hierbei bezeichnen wir das Verhältnis $η = A_N/A_T$ als den Modulationsindex; die Trägeramplitude wird im Folgenden zur Vereinfachung $A_T = 1$ gesetzt.
 
  
Im Gegensatz zur idealen '''PM''' unterscheidet sich bei dieser näherungsweisen Phasenmodulation $η$ vom Phasenhub $ϕ_{max}$. Außerdem werden Sie erkennen, dass die Hüllkurve $a(t) ≠ 1$ ist. Das bedeutet, dass hier der Phasenmodulation eine unerwünschte Amplitudenmodulation überlagert ist.
+
From the cosinusoidal carrier,  $z(t)$ , the  $90^\circ$ phase shifter forms a sinusoidal signal of the same frequency, such that the modulated signal can be written as:
 +
:$$ s(t) = z(t) + q(t) \cdot \frac{z(t- T_0/4)}{A_{\rm T}}
 +
= A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + q(t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
 +
The second term describes a "DSB–AM without carrier".  Additionally, the carrier, phase-shifted by $90^\circ$ , is added.  Thus, with a cosine source signal $q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)$ , we get:
 +
:$$s(t) =  A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t)  $$
 +
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t)  =  A_{\rm T} \cdot \big[\cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \big] \hspace{0.05cm}.$$
 +
We refer to the ratio  $η = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  as the modulation index;  in the following, the carrier amplitude is set to   $A_{\rm T} = 1$  for simplicity.
  
Berechnet werden sollen in dieser Aufgabe aus der Darstellung des äquivalenten TP–Signals $s_{TP}(t)$ in der komplexen Ebene (Ortskurve) die Hüllkurve $a(t)$ und die Phasenfunktion $ϕ(t)$. Außerdem sollen die Verfälschungen analysiert werden, die sich ergeben, wenn bei diesem nichtidealen Modulator ein idealer Phasendemodulator zugrundegelegt wird, der das Sinkensignal $υ(t)$ proportional zur Phase $ϕ(t)$ setzt.
+
*In contrast to  [[Modulation_Methods/Phasenmodulation_(PM)#Signalverl.C3.A4ufe_bei_Phasenmodulation|ideal phase modulation]]  the modulation index  $η$  and the phase deviation  $ϕ_{\rm max}$ may differ in this "approximate phase modulation".  
 +
*Additionally, we can see that the envelope  $a(t) ≠ 1$ .  This means that an unwanted amplitude modulation is superimposed on the phase modulation.
  
'''Hinweis:''' Diese Aufgabe bezieht sich auf den Theorieteil von [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM) Kapitel 3.1]. Zur näherungsweisen Berechnung des Klirrfaktors können Sie folgende Gleichungen benutzen:
 
$$\arctan(\gamma) \approx \gamma - {\gamma^3}/{3} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \cos^3(\gamma) ={3}/{4} \cdot \cos(\gamma) +{1}/{4} \cdot \cos(3 \cdot \gamma) \hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
From the representation of the equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t)$  in the complex plane (locus curve), the following are to be calculated in this task:
 +
*the envelope  $a(t)$  and
 +
*the phase function $ϕ(t)$.
  
===Fragebogen===
+
 
 +
Then, you are to analyse the distortions arising when an ideal PM demodulator, which sets the sink signal  $v(t)$  proportional to the phase  $ϕ(t)$ , is used on the receiving side of this nonideal PM modulator.
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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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 +
*You can use the following equations to approximate the distortion factor:
 +
:$$\arctan(\gamma) \approx \gamma - {\gamma^3}/{3} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \cos^3(\gamma) ={3}/{4} \cdot \cos(\gamma) +{1}/{4} \cdot \cos(3 \cdot \gamma) \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie das äquivalente TP–Signal. Welche Aussage trifft zu?
+
{Calculate the equivalent low-pass signal. Which statement is true?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Die Ortskurve $s_{TP}(t)$ ist ein Kreisbogen.
+
- The locus curve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is a circular arc.
- Die Ortskurve $s_{TP}(t)$ ist eine horizontale Gerade.
+
- The locus curve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is a horizontal straight line.
+ Die Ortskurve $s_{TP}(t)$ ist eine vertikale Gerade.
+
+ The locus curve &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is a vertical straight line.
  
  
{Berechnen Sie die (normierte) Hüllkurve $a(t)$ für $A_T = 1$. Wie groß sind deren Minimal– und Maximalwert mit $η = 1$?
+
{Calculate the (normalized) envelope&nbsp;$a(t)$&nbsp; for &nbsp;$A_{\rm T} = 1$.&nbsp; What are its minimum and maximum values when &nbsp;$η = 1$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$η = 1:  a_{min}$ = { 1 3%  }
+
$a_{\rm min} \ = \ $ { 1 3%  }
$η = 1:  a_{max}$ = { 1.414 3%  }
+
$a_{\rm max} \ = \ $ { 1.414 3%  }
  
{Berechnen Sie den Maximalwert der Phase $ϕ(t)$ für $η = 1$ und $η = 0.5$.
+
{Calculate the maximum value of the phase&nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; for &nbsp;$η = 1$&nbsp; and &nbsp;$η = 0.5$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$ η = 1:  ϕ_{max}$ = { 45 3% } $Grad$
+
$η = 1.0\text{:} \ \ \   ϕ_{\rm max} \ = \ $ { 45 3% } $\ \rm Grad$
$ η = 0.5:  ϕ_{max}$ = { 26.6 3% } $Grad$
+
$η = 0.5\text{:} \ \ \   ϕ_{\rm max} \ = \ $ { 26.6 3% } $\ \rm Grad$
  
{Welche Verzerrungen ergeben sich nach idealer Phasendemodulation von $s(t)$?
+
{What distortions result after ideal phase demodulation of  &nbsp;$s(t)$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
- Es treten keine Verzerrungen auf.
+
- No distortions occur.
- Es treten lineare Verzerrungen auf.
+
- Linear distortions occur.
+ Es treten nichtlineare Verzerrungen auf.
+
+ Nonlinear distortions occur.
  
{Berechnen Sie den Klirrfaktor unter Berücksichtigung der auf der Angabenseite genannten trigonometrischen Beziehungen.
+
{Calculate the distortion factor &nbsp;$K$&nbsp; considering the trigonometric relationships given on the exercise page.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$η = 1:  K$ = { 11.1 3% } $\text{%}$
+
$η = 1.0\text{:} \ \ \   K \ = \ $ { 11.1 3% } $\ \text{%}$
$η = 0.5:  K$ = { 2.2 3% } $\text{%}$
+
$η = 0.5\text{:} \ \ \   K \ = \ $ { 2.2 3% } $\ \text{%}$
  
  
Line 58: Line 76:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.''' Das äquivalente Tiefpass–Signal lautet:
+
[[File:P_ID1087__Mod_A_3_4_a.png|right|frame|Construction of the "vertical locus" from the pointers]]
$$s_{\rm TP}(t)  =  A_{\rm T} \cdot \left ( 1 + {\rm j}\cdot \frac {\eta}{2}\cdot \left ({\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t} + {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{-\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t}\right) \right)$$
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Answer 3</u> is correct:
$$ =  A_{\rm T} \cdot \left ( 1 + {\rm j}\cdot {\eta}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \right)\hspace{0.05cm}.$$
+
*The equivalent low-pass signal is::$$s_{\rm TP}(t)  =  A_{\rm T} \cdot \left ( 1 + {\rm j}\cdot \frac {\eta}{2}\cdot \left ({\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t} + {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{-\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t}\right) \right)  
[[File:P_ID1087__Mod_A_3_4_a.png|right|]]
+
=  A_{\rm T} \cdot \big ( 1 + {\rm j}\cdot {\eta}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \big)\hspace{0.05cm}.$$
Die Grafik verdeutlicht, dass die Ortskurve $s_{TP}(t)$ nun eine vertikale Gerade ist im Gegensatz zur idealen PM (Kreisbogen) und zur ZSB–AM (horizontale Gerade). Im Folgenden wird $A_T = 1$ gesetzt.
+
*The graph illustrates that the locus curve&nbsp; $s_{\rm TP}(t)$&nbsp; is now a a vertical straight line in contrast to the ideal PM (circular arc) and DSB–AM&nbsp; (horizontal straight line).&nbsp;
 +
*In the following, we set &nbsp; $A_{\rm T} = 1$&nbsp;.
 +
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; The envelope is obtained from the time-dependent pointer length as
 +
:$$a(t)  =  \sqrt{1 + \eta^2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm N} \cdot t)} \hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow  \hspace{0.3cm}a_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline { = 1}, \hspace{0.3cm}a_{\rm max} = \sqrt{1 + \eta^2 }\hspace{0.05cm}.$$
 +
*For&nbsp; $η = 1$&nbsp; the maximum value becomes &nbsp;$a_{\rm max} = \sqrt{2}\hspace{0.15cm}\underline { ≈ 1.414}$.
 +
 
 +
 
  
 +
'''(3)'''&nbsp; The phase function of this simple phase demodulator is given by:
 +
:$$\phi(t) = \arctan \frac{{\rm Im}[s_{\rm TP}(t)]}{{\rm Re}[s_{\rm TP}(t)]} = \arctan (\eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
 +
*The maximum value occurs at time&nbsp; $t = 0$&nbsp;, for example, and is &nbsp; $ϕ_{\rm max} = \arctan(η)$.
 +
:*When&nbsp; $η = 1$&nbsp;, one obtains &nbsp; $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { = 45^\circ}$&nbsp; $($to compare:&nbsp; for ideal PM&nbsp; $57.3^\circ)$,
 +
:*When&nbsp; $η = 0.5$&nbsp; one gets &nbsp; $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 26.6^\circ}$&nbsp; $($for ideal PM&nbsp; $28.7^\circ)$.
  
'''2.''' Die Hüllkurve ergibt sich aus der zeitabhängigen Zeigerlänge zu
 
$$a(t)  =  \sqrt{1 + \eta^2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm N} \cdot t)}$$
 
$$ \Rightarrow  \hspace{0.3cm}a_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline { = 1}, \hspace{0.3cm}a_{\rm max} = \sqrt{1 + \eta^2 }\hspace{0.05cm}.$$
 
Für $η = 1$ hat amax den Wert $2^{0.5} ≈ 1.414$.
 
  
  
'''3.''' Für die Phasenfunktion gilt:
+
'''(4)'''&nbsp;<u>Answer 3</u> is correct:
$$\phi(t) = \arctan \frac{{\rm Im}[s_{\rm TP}(t)]}{{\rm Re}[s_{\rm TP}(t)]} = \arctan (\eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
+
*It is&nbsp; '''not''' true that:&nbsp; &nbsp; &nbsp; $\arctan\big [η · \cos(γ)\big ] = η · \cos(γ)$.  
Der Maximalwert tritt beispielsweise zur Zeit $t = 0$ auf und beträgt $ϕ_{max} = arctan(η)$. Für $η = 1$ erhält man $ϕ_{max} = 45°$ (bei idealer PM $57.3°$) und für $η = 0.5$ ergibt sich $ϕ_{max} = 26.6°$ (ideale PM: $28.7°$).
+
*This means that the sink signal is not cosine, in contrast to the source signal.
 +
*This points to nonlinear distortions.
  
  
'''4.'''Es gilt nicht arctan$(η · cos(γ)) = η · cos(γ)$. Das heißt, dass das Sinkensignal im Gegensatz zum Quellensignal nicht cosinusförmig verläuft. Dies weist auf $\underline{nichtlineare Verzerrungen}$ hin ⇒ $\underline{Vorschlag 3}$.
 
  
 +
'''(5)'''&nbsp; Using&nbsp; $γ = η · \cos(ω_N · t)$&nbsp; and&nbsp; $\arctan(γ) ≈ γ – γ^3/3$&nbsp;, we get:
 +
:$$ \phi(t) =  \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \cos^3 (\omega_{\rm N} \cdot t))=
 +
  \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \left [ {3}/{4}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) + {1}/{4}\cdot \cos (3 \omega_{\rm N} \cdot t)\right ] $$
 +
:$$\Rightarrow  \hspace{0.3cm} \phi(t) =  \left(\eta - {\eta^3}/{4} \right) \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - {\eta^3}/{12}\cdot \cos (3\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
 +
*This means:&nbsp; using the given series expansion (where 5th and higher order terms are ignored), only the third-order harmonic distortion is non-zero. Thus:
 +
:$$K = K_3 = \frac{\eta^3/12}{\eta-\eta^3/4}= \frac{1}{12/\eta^2 -3} \hspace{0.05cm}.$$
 +
*When&nbsp; $η = 1$&nbsp; the numerical value is&nbsp; $K = 1/9 \hspace{0.15cm}\underline { ≈ 11.1\%}$.
 +
*When&nbsp; $η = 0.5$&nbsp; the distortion factor is&nbsp; $K = 1/45 \hspace{0.15cm}\underline {≈ 2.2\%}$.
  
'''5.'''  Mit $γ = η · cos(ω_N · t)$ und $arctan(γ) ≈ γ – γ^3/3$ erhält man
 
$$ \phi(t) =  \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \cos^3 (\omega_{\rm N} \cdot t))=$$
 
$$ =  \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \left [ \frac{3}{4}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) + \frac{1}{4}\cdot \cos (3 \omega_{\rm N} \cdot t)\right ] =$$
 
$$ =  \left(\eta - \frac{\eta^3}{4} \right) \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{12}\cdot \cos (3\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
 
Das bedeutet: Bei Verwendung der angegebenen Reihenentwicklung (Terme 5. und höherer Ordnung werden vernachlässigt) ist nur der Klirrfaktor dritter Ordnung von 0 verschieden. Man erhält:
 
$$K = K_3 = \frac{\eta^3/12}{\eta-\eta^3/4}= \frac{1}{12/\eta^2 -3} \hspace{0.05cm}.$$
 
Für $η = 1$ ergibt sich der Zahlenwert $K = 1/9 ≈ 11.1%$. Für $η = 0.5$ ist der Klirrfaktor $K = 1/45 ≈ 2.2%$.
 
  
Eine Simulation zeigt, dass man durch den Abbruch der Reihe nach dem Term dritter Ordnung einen Fehler macht, der den Klirrfaktor als zu hoch erscheinen lässt. Die per Simulation gewonnenen Werte sind $K ≈ 6%$ (für $η = 1$) und $K ≈ 2%$ (für $η = 0.5$). Der Fehler nimmt also mit wachsendem η mehr als proportional zu.
+
A simulation shows that by stopping the series after the third order term, we have made the error of over-estimating the distortion factor:
 +
*The values obtained by simulation are &nbsp; $K ≈ 6%$&nbsp; $($for&nbsp; $η = 1)$&nbsp; and&nbsp; $K ≈ 2%$&nbsp; $($for&nbsp; $η = 0.5)$.  
 +
*Thus, the error increases more than proportionally with increasing  &nbsp;$η$&nbsp;.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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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 17:04, 9 April 2022

"Approximate phase modulator"

The adjacent circuit allows the approximate realization of a phase-modulated signal. 

From the cosinusoidal carrier,  $z(t)$ , the  $90^\circ$ phase shifter forms a sinusoidal signal of the same frequency, such that the modulated signal can be written as:

$$ s(t) = z(t) + q(t) \cdot \frac{z(t- T_0/4)}{A_{\rm T}} = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + q(t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$

The second term describes a "DSB–AM without carrier".  Additionally, the carrier, phase-shifted by $90^\circ$ , is added.  Thus, with a cosine source signal $q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)$ , we get:

$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + A_{\rm N} \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}s(t) = A_{\rm T} \cdot \big[\cos (\omega_{\rm T} \cdot t) + \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \cdot \sin (\omega_{\rm T} \cdot t) \big] \hspace{0.05cm}.$$

We refer to the ratio  $η = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  as the modulation index;  in the following, the carrier amplitude is set to   $A_{\rm T} = 1$  for simplicity.

  • In contrast to  ideal phase modulation  the modulation index  $η$  and the phase deviation  $ϕ_{\rm max}$ may differ in this "approximate phase modulation".
  • Additionally, we can see that the envelope  $a(t) ≠ 1$ .  This means that an unwanted amplitude modulation is superimposed on the phase modulation.


From the representation of the equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t)$  in the complex plane (locus curve), the following are to be calculated in this task:

  • the envelope  $a(t)$  and
  • the phase function $ϕ(t)$.


Then, you are to analyse the distortions arising when an ideal PM demodulator, which sets the sink signal  $v(t)$  proportional to the phase  $ϕ(t)$ , is used on the receiving side of this nonideal PM modulator.





Hints:

  • You can use the following equations to approximate the distortion factor:
$$\arctan(\gamma) \approx \gamma - {\gamma^3}/{3} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \cos^3(\gamma) ={3}/{4} \cdot \cos(\gamma) +{1}/{4} \cdot \cos(3 \cdot \gamma) \hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

Calculate the equivalent low-pass signal. Which statement is true?

The locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is a circular arc.
The locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is a horizontal straight line.
The locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is a vertical straight line.

2

Calculate the (normalized) envelope $a(t)$  for  $A_{\rm T} = 1$.  What are its minimum and maximum values when  $η = 1$?

$a_{\rm min} \ = \ $

$a_{\rm max} \ = \ $

3

Calculate the maximum value of the phase $ϕ(t)$  for  $η = 1$  and  $η = 0.5$.

$η = 1.0\text{:} \ \ \ ϕ_{\rm max} \ = \ $

$\ \rm Grad$
$η = 0.5\text{:} \ \ \ ϕ_{\rm max} \ = \ $

$\ \rm Grad$

4

What distortions result after ideal phase demodulation of  $s(t)$?

No distortions occur.
Linear distortions occur.
Nonlinear distortions occur.

5

Calculate the distortion factor  $K$  considering the trigonometric relationships given on the exercise page.

$η = 1.0\text{:} \ \ \ K \ = \ $

$\ \text{%}$
$η = 0.5\text{:} \ \ \ K \ = \ $

$\ \text{%}$


Solution

Construction of the "vertical locus" from the pointers

(1)  Answer 3 is correct:

  • The equivalent low-pass signal is::$$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot \left ( 1 + {\rm j}\cdot \frac {\eta}{2}\cdot \left ({\rm e}^{\hspace{0.05cm}{\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t} + {\rm e}^{\hspace{0.05cm}{-\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\omega_{\rm N} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t}\right) \right) = A_{\rm T} \cdot \big ( 1 + {\rm j}\cdot {\eta}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) \big)\hspace{0.05cm}.$$
  • The graph illustrates that the locus curve  $s_{\rm TP}(t)$  is now a a vertical straight line in contrast to the ideal PM (circular arc) and DSB–AM  (horizontal straight line). 
  • In the following, we set   $A_{\rm T} = 1$ .


(2)  The envelope is obtained from the time-dependent pointer length as

$$a(t) = \sqrt{1 + \eta^2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm N} \cdot t)} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}a_{\rm min} \hspace{0.15cm}\underline { = 1}, \hspace{0.3cm}a_{\rm max} = \sqrt{1 + \eta^2 }\hspace{0.05cm}.$$
  • For  $η = 1$  the maximum value becomes  $a_{\rm max} = \sqrt{2}\hspace{0.15cm}\underline { ≈ 1.414}$.


(3)  The phase function of this simple phase demodulator is given by:

$$\phi(t) = \arctan \frac{{\rm Im}[s_{\rm TP}(t)]}{{\rm Re}[s_{\rm TP}(t)]} = \arctan (\eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t)) \hspace{0.05cm}.$$
  • The maximum value occurs at time  $t = 0$ , for example, and is   $ϕ_{\rm max} = \arctan(η)$.
  • When  $η = 1$ , one obtains   $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { = 45^\circ}$  $($to compare:  for ideal PM  $57.3^\circ)$,
  • When  $η = 0.5$  one gets   $ϕ_{\rm max}\hspace{0.15cm}\underline { \approx 26.6^\circ}$  $($for ideal PM  $28.7^\circ)$.


(4) Answer 3 is correct:

  • It is  not true that:      $\arctan\big [η · \cos(γ)\big ] = η · \cos(γ)$.
  • This means that the sink signal is not cosine, in contrast to the source signal.
  • This points to nonlinear distortions.


(5)  Using  $γ = η · \cos(ω_N · t)$  and  $\arctan(γ) ≈ γ – γ^3/3$ , we get:

$$ \phi(t) = \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \cos^3 (\omega_{\rm N} \cdot t))= \eta \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - \frac{\eta^3}{3}\cdot \left [ {3}/{4}\cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) + {1}/{4}\cdot \cos (3 \omega_{\rm N} \cdot t)\right ] $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \phi(t) = \left(\eta - {\eta^3}/{4} \right) \cdot \cos (\omega_{\rm N} \cdot t) - {\eta^3}/{12}\cdot \cos (3\omega_{\rm N} \cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
  • This means:  using the given series expansion (where 5th and higher order terms are ignored), only the third-order harmonic distortion is non-zero. Thus:
$$K = K_3 = \frac{\eta^3/12}{\eta-\eta^3/4}= \frac{1}{12/\eta^2 -3} \hspace{0.05cm}.$$
  • When  $η = 1$  the numerical value is  $K = 1/9 \hspace{0.15cm}\underline { ≈ 11.1\%}$.
  • When  $η = 0.5$  the distortion factor is  $K = 1/45 \hspace{0.15cm}\underline {≈ 2.2\%}$.


A simulation shows that by stopping the series after the third order term, we have made the error of over-estimating the distortion factor:

  • The values obtained by simulation are   $K ≈ 6%$  $($for  $η = 1)$  and  $K ≈ 2%$  $($for  $η = 0.5)$.
  • Thus, the error increases more than proportionally with increasing  $η$ .