Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7: PN Modulation"

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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Die Charakteristika von UMTS
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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile_Communications/Characteristics_of_UMTS
 
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[[File:P_ID2259__Mod_Z_5_2.png|right|frame|Ersatzschaltbilder von „PN-Modulation” und „BPSK”]]
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[[File:P_ID2259__Mod_Z_5_2.png|right|frame|Equivalent models for "PN modulation" and "BPSK"]]
Die obere Grafik zeigt das Ersatzschaltbild der PN–Modulation (englisch:   ''Direct Sequence Spread Spectrum'', abgekürzt DS–SS) im äquivalenten Tiefpass–Bereich, wobei„ $n(t)$  für AWGN–Rauschen steht.
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The figure shows the equivalent block diagram of  "PN modulation"  or  "Direct Sequence Spread Spectrum", abbreviated  $\rm DS-SS$  in the equivalent low-pass range, where  $n(t)$  stands for AWGN noise.
 
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Below, the low-pass model of binary phase modulation  $\rm (BPSK)$  is sketched.
Darunter skizziert ist das Tiefpass–Modell der binären Phasenmodulation, kurz BPSK.  
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*The low-pass transmission signal  $s(t)$  is equal to the rectangular source signal  $q(t) ∈ \{+1, -1\}$  with rectangular duration  $T$  only for reasons of uniformity.  
*Das Tiefpass–Sendesignal  $s(t)$  ist hier nur aus Gründen einheitlicher Darstellung gleich dem rechteckförmigen Quellensignal  $q(t) ∈ \{+1, –1\}$  mit Rechteckdauer  $T$  gesetzt.  
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*The function of the integrator can be written as follows:
*Die Funktion des Integrators kann wie folgt geschrieben werden:
 
 
:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.03cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.03cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t \hspace{0.05cm}.$$
  
*Die beiden Modelle unterscheiden sich durch die Multiplikation mit dem  $±1$–Spreizsignal  $c(t)$  bei Sender und Empfänger, wobei von diesem Signal  $c(t)$  lediglich der Spreizgrad  $J$  bekannt ist.  
+
*The two models differ in the multiplication by the  $±1$  spreading signal  $c(t)$  at the transmitter and the receiver.  Of the signal  $c(t)$  only the spread degree $J$  is known.  
*Für die Lösung dieser Aufgabe ist die Angabe der spezifischen Spreizfolge (M–Sequenz oder Walsh–Funktion) nicht von Bedeutung.
+
*The specification of the specific spreading sequence  $($"M sequence"  or  "Walsh function"$)$  is not important for the solution of this task.
  
  
Zu untersuchen ist, ob sich das untere BPSK–Modell auch bei PN–Modulation anwenden lässt und ob die BPSK–Fehlerwahrscheinlichkeit
+
It has to be examined whether the lower BPSK model can also be applied with  "PN modulation"  and whether the BPSK error probability
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$
 
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$
auch für die PN–Modulation gültig ist, beziehungsweise wie die angegebene Gleichung zu modifizieren wäre.
+
is also valid for  "PN modulation", or how the given equation should be modified.
 
 
  
  
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''Hinweise:''
 
  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel   [[Mobile_Kommunikation/Die_Charakteristika_von_UMTS|Die Charakteristika von UMTS]].
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''Notes:''
  
*Das bei UMTS eingesetzte CDMA–Verfahren firmiert auch unter der Bezeichnung „PN–Modulation”.  
+
*This task refers to the chapter  [[Mobile_Communications/Characteristics_of_UMTS|Characteristics of UMTS]].
*Die in dieser Aufgabe verwendete Nomenklatur richtet sich zum Teil auch nach dem Abschnitt  [[Modulationsverfahren/PN–Modulation|PN–Modulation]]  im Buch „Modulationsverfahren”.
+
*The CDMA method used for UMTS is also known as "PN modulation".  
 +
*The nomenclature used in this task is partly based on the page  [[Modulation_Methods/Direct-Sequence_Spread_Spectrum_Modulation|Direct-sequence spread spectrum modulation]]  of the book "Modulation Methods".
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Detektionssignalwerte sind bei BPSK möglich (ohne Rauschen)?
+
{Which values for the detection  signal&nbsp; $d(t)$&nbsp; are possible with BPSK (without noise)?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $d(\nu T)$&nbsp; ist gaußverteilt.
+
- $d(\nu T)$&nbsp; is Gaussian distributed.
- $d(\nu T)$&nbsp; kann die Werte&nbsp; $+1$,&nbsp; $0$&nbsp; und&nbsp; $-1$&nbsp; annehmen.
+
- $d(\nu T)$&nbsp; can take the values&nbsp; $+1$,&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $-1$&nbsp;.
+ Es sind nur die Werte&nbsp; $d(\nu T) = +1$&nbsp; und&nbsp; $d(\nu T) = -1$&nbsp; möglich.
+
+ Only the values&nbsp; $d(\nu T) = +1$&nbsp; and&nbsp; $d(\nu T) = -1$&nbsp; are possible.
  
{Welche Werte sind bei PN–Modulation im rauschfreien Fall möglich?
+
{Which values are possible with PN modulation in a noise-free case?
 
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|type="[]"}
- $d(\nu T)$&nbsp; ist gaußverteilt.
+
- $d(\nu T)$&nbsp; is Gaussian  distributed.
- $d(\nu T)$&nbsp; kann die Werte&nbsp; $+1$,&nbsp; $0$&nbsp; und&nbsp; $-1$&nbsp; annehmen.
+
- $d(\nu T)$&nbsp; can take the values&nbsp; $+1$,&nbsp; $0$&nbsp; und&nbsp; $-1$&nbsp;.
+ Es sind nur die Werte&nbsp; $d(\nu T) = +1$&nbsp; und&nbsp; $d(\nu T) = -1$&nbsp; möglich.
+
+ Only the values&nbsp; $d(\nu T) = +1$&nbsp; und&nbsp; $d(\nu T) = -1$&nbsp; are possible.
  
{Welche Modifikation muss am BPSK–Modell vorgenommen werden, damit es auch für die PN–Modulation anwendbar ist?
+
{What modification must be done to the BPSK model so that it can also be used for PN modulation?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Das Rauschen&nbsp; $n(t)$&nbsp; muss durch&nbsp; $n\hspace{0.05cm}'(t) = n(t) \cdot c(t)$&nbsp; ersetzt werden.
+
+ The noise&nbsp; $n(t)$&nbsp; must be replaced by&nbsp; $n\hspace{0.05cm}'(t) = n(t) \cdot c(t)$.
- Die Integration muss nun über&nbsp; $J \cdot T$&nbsp; erfolgen.
+
- The integration must now be done via&nbsp; $J \cdot T$.
- Die Rauschleistung muss um den Faktor&nbsp; $J$&nbsp; vermindert werden.
+
- The noise power must be reduced by the factor&nbsp; $J$&nbsp;.
  
{Es gelte&nbsp; $10 \cdot {\rm lg}\ (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$. &nbsp;Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit&nbsp; $p_{\rm B}$&nbsp; ergibt sich bei PN–Modulation? <br>''Hinweis'': &nbsp; Bei BPSK ergibt sich&nbsp; $p_{\rm B} \approx 2.3 \cdot 10^{-3}$.
+
{The following applies &nbsp; $10 \cdot {\rm lg}\ (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$. &nbsp;What error probability&nbsp; $p_{\rm B}$&nbsp; results with PN modulation? <br>''Hint'': &nbsp; For BPSK, the result is&nbsp; $p_{\rm B} \approx 2.3 \cdot 10^{-3}$.
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Je größer&nbsp; $J$&nbsp; gewählt wird, desto kleiner ist&nbsp; $p_{\rm B}$.
+
- The larger&nbsp; $J$&nbsp; is selected, the smaller&nbsp; $p_{\rm B}$&nbsp; is.
- Je größer&nbsp; $J$&nbsp; gewählt wird, desto größer ist&nbsp; $p_{\rm B}$.
+
- The larger&nbsp; $J$&nbsp; is selected, the larger&nbsp; $p_{\rm B}$.
+ Es ergibt sich unabhängig von&nbsp; $J$&nbsp; stets der Wert&nbsp; $p_{\rm B} = 2.3 \cdot 10^{-3}$.
+
+ It results  always the value&nbsp; $p_{\rm B} = 2.3 \cdot 10^{-3}$ results, independently from&nbsp; $J$.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 3</u>:
*Es handelt sich hier um einen optimalen Empfänger.  
+
*This is an optimal receiver.&nbsp;
*Ohne Rauschen ist das Signal $b(t)$ innerhalb eines jeden Bits konstant gleich $+1$ oder $-1$.  
+
*Without noise, the signal&nbsp; $b(t)$&nbsp;  is constantly equal to&nbsp; $+1$&nbsp; or&nbsp; $-1$&nbsp; within each bit.  
*Aus der angegebenen Gleichung für den Integrator
+
*From the equation given for the integrator
 
:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.03cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t$$
 
:$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.03cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t$$
:folgt, dass $d(\nu T)$ nur die Werte $±1$ annehmen kann.  
+
:follows that&nbsp; $d(\nu T)$&nbsp; can only take the values&nbsp; $±1$.  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist wieder der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(2)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 3</u>.&nbsp;
* Im rauschfreien Fall &nbsp; &rArr; &nbsp; $n(t) = 0$ kann auf die zweifache Multiplikation mit $c(t) ∈ \{+1, -1\}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $c(t)^{2} = 1$ verzichtet werden, so dass das obere Modell mit dem unteren Modell identisch ist.
+
*In the noise-free case &nbsp; &rArr; &nbsp; $n(t) = 0$, the twofold multiplication by&nbsp; $c(t) ∈ \{+1, -1\}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $c(t)^{2} = 1$&nbsp; can be omitted,  
 +
*so that the upper model is identical to the lower model.
  
  
'''(3)'''&nbsp; Zutreffend ist der  <u>Lösungsvorschlag 1</u>:
+
'''(3)'''&nbsp; The <u>solution 1</u> is applicable:
*Da beide Modelle im rauschfreien Fall identisch sind, muss nur das Rauschsignal angepasst werden: $n'(t) = n(t) \cdot c(t)$.  
+
*Since both models are identical in the noiseless case, only the noise signal has to be adjusted:&nbsp; $n'(t) = n(t) \cdot c(t)$.  
*Die Lösungsvorschläge 2 und 3 sind dagegen nicht zutreffend: Die Integration muss auch weiterhin über $T = J \cdot T_{c}$ erfolgen (nicht über $J \cdot T$) und die PN–Modulation verringert das AWGN–Rauschen nicht.  
+
*The solutions 2 and 3 are not applicable:&nbsp; Integration must still be done via&nbsp; $T = J \cdot T_{c}$&nbsp; $($not via&nbsp; $J \cdot T)$&nbsp; and PN modulation does not reduce the AWGN noise.  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 3</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; Correct is the <u>solution 3</u>:
*Die für BPSK und AWGN–Kanal gültige Gleichung
+
*The equation valid for BPSK and AWGN channel is also applicable to PN modulation, independent of the spreading factor&nbsp; $J$&nbsp; and the specific spreading sequence:
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { \frac{2 \cdot E_{\rm B}}{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$
+
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$  
:ist somit auch bei der PN–Modulation anwendbar und zwar unabhängig vom Spreizfaktor $J$ und von der spezifischen Spreizfolge.
+
*For AWGN noise, the error probability is neither increased nor decreased by band spreading.  
*Bei AWGN–Rauschen wird die Fehlerwahrscheinlichkeit durch Bandspreizung weder vergrößert noch verkleinert.  
 
  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
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[[Category:Exercises for Mobile Communications|^3.4 Characteristics of UMTS^]]
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[[Category:Mobile Communications: Exercises|^3.4 Characteristics of UMTS^]]

Latest revision as of 14:38, 23 March 2021

Equivalent models for "PN modulation" and "BPSK"

The figure shows the equivalent block diagram of  "PN modulation"  or  "Direct Sequence Spread Spectrum", abbreviated  $\rm DS-SS$  in the equivalent low-pass range, where  $n(t)$  stands for AWGN noise. Below, the low-pass model of binary phase modulation  $\rm (BPSK)$  is sketched.

  • The low-pass transmission signal  $s(t)$  is equal to the rectangular source signal  $q(t) ∈ \{+1, -1\}$  with rectangular duration  $T$  only for reasons of uniformity.
  • The function of the integrator can be written as follows:
$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.03cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t \hspace{0.05cm}.$$
  • The two models differ in the multiplication by the  $±1$  spreading signal  $c(t)$  at the transmitter and the receiver.  Of the signal  $c(t)$  only the spread degree $J$  is known.
  • The specification of the specific spreading sequence  $($"M sequence"  or  "Walsh function"$)$  is not important for the solution of this task.


It has to be examined whether the lower BPSK model can also be applied with  "PN modulation"  and whether the BPSK error probability

$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$

is also valid for  "PN modulation", or how the given equation should be modified.




Notes:


Questionnaire

1

Which values for the detection signal  $d(t)$  are possible with BPSK (without noise)?

$d(\nu T)$  is Gaussian distributed.
$d(\nu T)$  can take the values  $+1$,  $0$  and  $-1$ .
Only the values  $d(\nu T) = +1$  and  $d(\nu T) = -1$  are possible.

2

Which values are possible with PN modulation in a noise-free case?

$d(\nu T)$  is Gaussian distributed.
$d(\nu T)$  can take the values  $+1$,  $0$  und  $-1$ .
Only the values  $d(\nu T) = +1$  und  $d(\nu T) = -1$  are possible.

3

What modification must be done to the BPSK model so that it can also be used for PN modulation?

The noise  $n(t)$  must be replaced by  $n\hspace{0.05cm}'(t) = n(t) \cdot c(t)$.
The integration must now be done via  $J \cdot T$.
The noise power must be reduced by the factor  $J$ .

4

The following applies   $10 \cdot {\rm lg}\ (E_{\rm B}/N_0) = 6 \ \rm dB$.  What error probability  $p_{\rm B}$  results with PN modulation?
Hint:   For BPSK, the result is  $p_{\rm B} \approx 2.3 \cdot 10^{-3}$.

The larger  $J$  is selected, the smaller  $p_{\rm B}$  is.
The larger  $J$  is selected, the larger  $p_{\rm B}$.
It results always the value  $p_{\rm B} = 2.3 \cdot 10^{-3}$ results, independently from  $J$.


Solution

(1)  Correct is the solution 3:

  • This is an optimal receiver. 
  • Without noise, the signal  $b(t)$  is constantly equal to  $+1$  or  $-1$  within each bit.
  • From the equation given for the integrator
$$d (\nu T) = \frac{1}{T} \cdot \hspace{-0.03cm} \int_{(\nu -1 )T }^{\nu T} \hspace{-0.3cm} b (t )\hspace{0.1cm} {\rm d}t$$
follows that  $d(\nu T)$  can only take the values  $±1$.


(2)  Correct is the solution 3

  • In the noise-free case   ⇒   $n(t) = 0$, the twofold multiplication by  $c(t) ∈ \{+1, -1\}$   ⇒   $c(t)^{2} = 1$  can be omitted,
  • so that the upper model is identical to the lower model.


(3)  The solution 1 is applicable:

  • Since both models are identical in the noiseless case, only the noise signal has to be adjusted:  $n'(t) = n(t) \cdot c(t)$.
  • The solutions 2 and 3 are not applicable:  Integration must still be done via  $T = J \cdot T_{c}$  $($not via  $J \cdot T)$  and PN modulation does not reduce the AWGN noise.


(4)  Correct is the solution 3:

  • The equation valid for BPSK and AWGN channel is also applicable to PN modulation, independent of the spreading factor  $J$  and the specific spreading sequence:
$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \hspace{-0.05cm} \sqrt { {2 \cdot E_{\rm B}}/{N_{\rm 0}} } \hspace{0.05cm} \right )$$
  • For AWGN noise, the error probability is neither increased nor decreased by band spreading.