Difference between revisions of "Linear and Time Invariant Systems/Classification of the Distortions"

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{{Header|
 
{{Header|
Untermenü=Signalverzerrungen und Entzerrung
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Untermenü=Signal Distortion and Equalization
|Vorherige Seite=Einige systemtheoretische Tiefpassfunktionen
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|Vorherige Seite=Some_Low-Pass_Functions_in_Systems_Theory
|Nächste Seite=Nichtlineare Verzerrungen
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|Nächste Seite=Nonlinear_Distortions
 
}}
 
}}
  
{{Definition}}
+
== # OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER # ==
Unter '''Verzerrungen''' versteht man allgemein:
+
<br>
Unerwünschte deterministische Veränderungen eines Nachrichtensignals durch ein Übertragungssystem.  
+
{{BlaueBox|TEXT= 
{{end}}
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
In general,&nbsp; '''&raquo;distortion&laquo;'''&nbsp; is understood to be undesirable deterministic changes in a message signal caused by a transmission system. }}
  
  
Neben den stochastischen Störungen (Rauschen, Nebensprechen, etc.) sind solche deterministischen Verzerrungen bei vielen Nachrichtensystemen eine entscheidende Begrenzung für die Übertragungsqualität und die Übertragungsrate.
+
In addition to stochastic interferences&nbsp; $($noise,&nbsp; crosstalk, etc.$)$,&nbsp; such deterministic distortions are a critical limitation on the transmission quality and rate for many transmission systems.
  
Weitere Informationen zum Thema &bdquo;Verzerrungen&rdquo; sowie Aufgaben, Simulationen und Programmierübungen finden Sie im
+
This chapter presents these distortions in a summarizing way,&nbsp; in particular:
  
*Kapitel 6: Lineare zeitinvariante Systeme (Programm lzi)
+
#The quantitative description of such signal falsifications via the&nbsp; &raquo;distortion power&laquo;,
 +
#the distinguishing features between&nbsp; &raquo;nonlinear and linear distortions&laquo;,
 +
#the meaning and computation of the&nbsp; &raquo;distortion factor in nonlinear systems&laquo;,&nbsp; and
 +
#the effects of&nbsp; &raquo;linear attenuation and phase distortions&laquo;.
  
  
des Praktikums „Simulationsmethoden in der Nachrichtentechnik”. Diese LNT-Lehrveranstaltung an der TU München basiert auf
 
  
*dem Lehrsoftwarepaket LNTsim  ⇒  Link verweist auf die ZIP-Version des Programms und
+
==Prerequisites for the second main chapter==
*dieser Praktikumsanleitung  ⇒  Link verweist auf die PDF-Version; Kapitel 6: Seite 99-118.
+
<br>
 +
[[File:P_ID873__LZI_T_2_1_S1_neu.png|frame| Description of a linear system|class=fit]]
  
 +
In the following,&nbsp; we consider always  a&nbsp; &raquo;system&laquo;
 +
*whose input is the signal &nbsp;$x(t)$&nbsp; with the corresponding spectrum &nbsp;$X(f)$,&nbsp; and
  
==Voraussetzungen für das gesamte Kapitel ==
+
*the output signal is denoted by &nbsp;$y(t)$&nbsp; and its spectrum by &nbsp;$Y(f).$
Wir betrachten im Folgenden ein System, an dessen Eingang das Signal $x(t)$ mit zugehörigem Spektrum $X(f)$ anliegt. Das Ausgangssignal bezeichnen wir mit $y(t)$ und dessen Spektrum mit $Y(f).$
 
  
[[File:P_ID873__LZI_T_2_1_S1_neu.png| Beschreibung eines linearen Systems|class=fit]]
 
  
Der mit „System” bezeichnete Block kann ein Teil einer elektrischen Schaltung sein oder ein komplettes Übertragungssystem, bestehend aus Sender, Kanal und Empfänger. Für das gesamte Kapitel  &bdquo;Signalverzerrungen und Entzerrung&rdquo; soll gelten:  
+
The block labelled&nbsp;  &raquo;'''system'''&laquo;&nbsp; can be a part of an&nbsp; &raquo;electrical circuit&laquo;&nbsp; or a&nbsp;complete transmission system&laquo;&nbsp; consisting of
*Das System sei zeitinvariant. Führt das Eingangssignal $x(t)$ zum Signal $y(t)$, so wird ein späteres Eingangssignal gleicher Form, nämlich $x(t t_0)$, das Signal $y(t t_0)$ zur Folge haben.  
+
# &raquo;transmitter&laquo;,  
*Es werden keine Rauschprozesse betrachtet, die bei realen Systemen stets vorhanden sind. Zur Beschreibung dieser Phänomene wird auf das Buch [[Stochastische Signaltheorie]] verwiesen.  
+
#&raquo;channel&laquo;, and
*Es werden keine Detailkenntnisse über das System vorausgesetzt. Alle Systemeigenschaften werden im Folgenden allein aus den Signalen $x(t)$ und $y(t)$ bzw. deren Spektren abgeleitet.  
+
# &raquo;receiver&laquo;.  
*Insbesondere seien vorerst keine Festlegungen hinsichtlich der Linearität gegeben. Das „System” kann linear (Voraussetzung für die Anwendung des Superpositionsprinzips) oder nichtlinear sein.  
+
<br clear=all>
*Aus einem einzigen Testsignal $x(t)$ und dessen Antwort $y(t)$ sind nicht alle Systemeigenschaften erkennbar. Daher müssen ausreichend viele Testsignale zur Bewertung herangezogen werden.  
+
For the whole main chapter&nbsp; &raquo;Signal Distortions and Equalization&laquo;&nbsp; the following shall apply:  
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*The system be&nbsp; &raquo;'''time-invariant'''&laquo;.&nbsp; If the input signal &nbsp;$x(t)$&nbsp; results in the output signal &nbsp;$y(t)$,&nbsp; then a later input signal of the same form &ndash; in particular &nbsp;$x(t - t_0)$&nbsp; &ndash; will result in the signal &nbsp;$y(t - t_0)$.
 +
 +
*In the following,&nbsp; &raquo;'''no noise'''&laquo;&nbsp; is considered,&nbsp; which is always present in real systems.&nbsp; For the description of these phenomena we refer to the book&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals|&raquo;Theory of Stochastic Signals&laquo;]].
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 +
*About the system &nbsp; &raquo;'''no detailed knowledge'''&laquo;&nbsp; is assumed.&nbsp; In the following of this chapter,&nbsp; all system properties are derived from the signals  &nbsp;$x(t)$&nbsp; and &nbsp;$y(t)$&nbsp; or their spectra alone.
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 +
*In particular,&nbsp; no specifications are made here with regard to&nbsp; &raquo;'''linearity'''&laquo;.&nbsp; The&nbsp; &raquo;system&laquo; can be&nbsp; &raquo;linear&laquo;&nbsp; $($prerequisite for the application of the superposition principle$)$&nbsp; or&nbsp; &raquo;non-linear&laquo;.
 +
 +
*Not all system properties are discernible from a single test signal &nbsp;$x(t)$&nbsp; and its response &nbsp;$y(t)$&nbsp;. Therefore, &nbsp;'''sufficiently many test signals'''&nbsp; must be used for evaluation.  
  
  
Nachfolgend werden wir solche Systeme näher klassifizieren.  
+
In the following,&nbsp; we will classify transmission systems in more detail in this respect.  
  
==Ideales und verzerrungsfreies System==
+
==Ideal and distortion-free system==
{{Definition}}
+
<br>
Man spricht immer dann von einem '''idealen System''', wenn das Ausgangssignal $y(t)$ exakt gleich dem Eingangssignal $x(t)$ ist:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
$$y(t) = x(t).$$
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
{{end}}
+
One deals with an&nbsp; &raquo;'''ideal system'''&laquo;&nbsp; if the output signal &nbsp;$y(t)$&nbsp; is identical with the input signal &nbsp;$x(t)$:
 +
:$$y(t) \equiv x(t).$$}}
  
  
Anzumerken ist, dass es ein solches ideales System in der Realität nicht gibt, auch wenn man die stets existenten, in diesem Buch aber nicht betrachteten statistischen Störungen und Rauschvorgänge außer Acht lässt. Ein jedes Übertragungsmedium weist Verluste (Dämpfungen) und Laufzeiten auf. Selbst wenn diese physikalischen Phänomene sehr klein sind, so sind sie jedoch niemals Null0. Deshalb ist es notwendig, ein etwas weniger strenges Qualitätsmerkmal einzuführen.  
+
#It should be noted that such an ideal system does not exist in reality even if statistical disturbances and noise processes&nbsp; $($that always exist but are not considered in this book$)$&nbsp;  are disregarded.&nbsp;
 +
#Every transmission medium exhibits losses&nbsp; $($&raquo;attenuation&laquo;$)$&nbsp; and&nbsp; &raquo;transit times&raquo;.&nbsp; Even if these physical phenomena are very small,&nbsp; they are never zero.&nbsp; Therefore  it is necessary to introduce a somewhat less strict quality characteristic.  
  
{{Definition}}
 
Ein '''verzerrungsfreies System''' liegt vor, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
 
$$y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau).$$
 
Hierbei beschreibt $α$ den Dämpfungsfaktor und $τ$ die Laufzeit.
 
{{end}}
 
  
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
A&nbsp; &raquo;'''distortion-free system'''&laquo;&nbsp; exists if the following condition is fulfilled:
 +
:$$y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau).$$
 +
#Here, &nbsp;$α$&nbsp; describes the&nbsp; &raquo;attenuation factor&laquo;&nbsp; and &nbsp;$τ$&nbsp; the&nbsp; &raquo;transit time&laquo;.
 +
#If this condition is not met,&nbsp; the system is said to be&nbsp; &raquo;''' distortive'''&laquo;.}}
  
Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so spricht man von einem verzerrenden System.
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp;
 +
The following diagram shows the input signal &nbsp;$x(t)$&nbsp; and the output signal &nbsp;$y(t)$&nbsp; of a nonideal but distortion-free system.&nbsp; The system parameters are &nbsp;$α = 0.8$&nbsp; and &nbsp;$τ = 0.25 \ \rm ms$.
  
{{Beispiel}}
+
[[File:P_ID874__LZI_T_2_1_S2_neu.png|frame|Exemplary signals of a distortion-free system|class=fit]]
Die folgende Grafik zeigt das Eingangssignal $x(t)$ und das Ausgangssignal $y(t)$ eines zwar nicht idealen, aber verzerrungsfreien Systems. Die Systemparameter sind $α = 0.8$ und $τ = 0.25 \ \rm ms$.
 
  
[[File:P_ID874__LZI_T_2_1_S2_neu.png|Beispielhafte Signale eines verzerrungsfreien Systems|class=fit]]
+
$\text{Note:}$
 +
*The attenuation factor &nbsp;$α$&nbsp; can be completely reversed by a receiver-side gain of &nbsp;$1/α = 1.25$,&nbsp; but it must be taken into account that this also increases any noise.
 +
 +
*However,&nbsp; the transit time &nbsp;$τ$&nbsp; cannot be compensated due to&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification#Causal_and_non-causal_signals|&raquo;causality reasons&laquo;]].&nbsp; It now depends on the application whether such a transit time is subjectively perceived as disturbing or not.
  
Anzumerken ist:  
+
:#For example,&nbsp; even with a transit time of one second the&nbsp; $($unidirectional$)$&nbsp; TV broadcast of an event is still described as "live".&nbsp;
*Der Dämpfungsfaktor $α$ kann durch eine empfängerseitige Verstärkung um $1/α = 1.25$ vollständig rückgängig gemacht werden, doch ist zu berücksichtigen, dass damit auch etwaiges Rauschen angehoben wird.  
+
:#In contrast to this,&nbsp; transit times of&nbsp; $\text{300 ms}$&nbsp; are already perceived as very disturbing in bidirectional communication – e.g. a telephone call.&nbsp;
*Dagegen kann die Laufzeit $τ$ aus [[Signaldarstellung/Klassifizierung_von_Signalen#Kausale_und_akausale_Signale|Kausalitätsgründen]] nicht kompensiert werden. Es hängt nun von der Anwendung ab, ob eine solche Laufzeit subjektiv als störend empfunden wird.  
+
:#You either wait for the other person to react or both participants interrupt each other.}}
  
{{end}}
+
==Quantitative measure for the signal distortions==
 +
<br>
 +
[[File:P_ID875__LZI_T_2_1_S3_neu.png|right|frame|Input and output of a distortive system and difference signal (below)|class=fit]]
 +
We now consider a distortive system on the basis of the input and output signal.&nbsp;
 +
 +
*We assume that apart from the signal distortions there is no additional frequency-independent attenuation factor &nbsp; $α$&nbsp;  and no additional transit time&nbsp; $τ$.&nbsp; These conditions are fulfilled for the signal sections sketched on the right.
  
 +
*In addition to the signals &nbsp;$x(t)$&nbsp; and &nbsp;$y(t)$,&nbsp; the difference signal is shown in the diagram:
 +
:$$\varepsilon(t) = y(t) - x(t).$$
 +
As a quantitative measure of the strength of distortions,&nbsp; the&nbsp; &raquo;mean square value of this difference signal&laquo; is applicable:
 +
:$$\overline{\varepsilon^2(t)} = \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{ 0 }^{ T_{\rm M}} {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.4cm}  \left( = P_{\rm V} \right).$$
  
Beispielsweise wird man selbst bei einer Laufzeit von einer Sekunde die (unidirektionale) TV–Übertragung einer Veranstaltung noch immer als „live” bezeichnen. Dagegen werden bei einer bidirektionalen Kommunikation – zum Beispiel einem Telefonat – schon Laufzeiten von 300 Millisekunden als sehr störend empfunden. Man wartet entweder auf die Reaktion des Gesprächspartners oder beide Teilnehmer fallen sich ins Wort.
+
The following should be noted about this equation:
 +
#The measuring time&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; must be chosen sufficiently large.&nbsp; Actually, this equation should be formulated as a limit process.
 +
#This expression is called&nbsp; &raquo;'''mean squared error'''&laquo;&nbsp; $\rm (MSE)$&nbsp; or &nbsp; &raquo;'''distortion power'''&laquo;&nbsp; $P_{\rm V}$&nbsp; $($because of&nbsp; "distortion" &nbsp; &rArr; &nbsp; German:&nbsp; "Verzerrung" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript&nbsp; "$\rm V$"$)$.
 +
#If &nbsp;$x(t)$&nbsp; and &nbsp;$y(t)$&nbsp; are voltage signals,&nbsp; then &nbsp;$P_{\rm V}$&nbsp; has the unit of &nbsp;${\rm V}^2$,&nbsp; meaning the power is related to the resistance &nbsp;$R = 1 \ Ω$&nbsp; according to the above definition.  
  
==Quantitatives Maß für die Signalverzerrungen==
 
Wir betrachten nun ein verzerrendes System anhand von Eingangs– und Ausgangssignal. Dabei setzen wir zunächst voraus, dass außer den Signalverzerrungen nicht zusätzlich noch ein für alle Frequenzen konstanter Dämpfungsfaktor $α$ und eine für alle Frequenzen konstante Laufzeit $τ$ wirksam sind. Bei den nachfolgend skizzierten Signalausschnitten sind diese Voraussetzungen erfüllt.
 
  
[[File:P_ID875__LZI_T_2_1_S3_neu.png|center|Ein– und Ausgang eines verzerrenden Systems und Fehlersignal|class=fit]]
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; Making use of the power&nbsp; $P_x$&nbsp; $($based on &nbsp;$R = 1 \ Ω)$&nbsp;  of the input signal &nbsp;$x(t)$&nbsp; the &nbsp; &raquo;'''signal–to–distortion (power) ratio'''&laquo;&nbsp; can be given as:
 +
:$$\rho_{\rm V} = \frac{ P_{x} }{P_{\rm V} } \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}  10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}\rho_{\rm V} =
 +
10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}\frac{ P_{x} }{P_{\rm V} }\hspace{0.3cm}  \left( {\rm in \hspace{0.15cm} dB} \right).$$
  
In der Grafik ist zusätzlich zu den Signalen $x(t)$ und $y(t)$ auch das Differenzsignal eingezeichnet:
+
For the signals shown in the diagram above &nbsp; &rArr; &nbsp; $P_x = \ {\rm V}^2$, &nbsp;$P_{\rm V} = 0.04  \ {\rm V}^2$;
$$\varepsilon(t) = y(t) - x(t).$$
+
:$$10 \cdot {\rm lg} \ ρ_{\rm V} = 20 \ \rm dB.$$ }}
Als quantitatives Maß für die Stärke der Verzerrungen eignet sich zum Beispiel der '''quadratische Mittelwert dieses Differenzsignals''':
 
$$\overline{\varepsilon^2(t)} = \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{ 0 }^{ T_{\rm M}} {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.4cm}  \left( = P_{\rm V} \right).$$
 
  
Zu dieser Gleichung ist Folgendes zu bemerken:
 
*Die Messdauer $T_{\rm M}$ zur Bestimmung dieses Mittelwertes muss hinreichend groß gewählt werden. Eigentlich müsste diese Gleichung mit Grenzübergang formuliert werden.
 
*Der oben angegebene quadratische Mittelwert wird oft auch als der mittlere quadratische Fehler (MQF) oder als die '''Verzerrungsleistung''' $P_{\rm V}$ bezeichnet.
 
*Sind $x(t)$ und $y(t)$ Spannungssignale, so besitzt $P_{\rm V}$ die Einheit ${\rm V}^2$, das heißt, die Leistung ist nach obiger Definition auf den Widerstand $1 \ Ω$ bezogen.
 
*Mit der in gleicher Weise definierten Leistung $P_x$ des Eingangssignals $x(t)$ – also ebenfalls auf $1 \ Ω$ bezogen – kann das '''Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis''' angegeben werden:
 
:$$\rho_{\rm V} = \frac{ P_{x}}{P_{\rm V}} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}  10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}\rho_{\rm V} =
 
10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}\frac{ P_{x}}{P_{\rm V}}\hspace{0.3cm}  \left( {\rm in \hspace{0.15cm} dB} \right).$$
 
  
Bei den in der Grafik dargestellten Signalen gilt $P_x = 4  \ {\rm V}^2$, $P_{\rm V} = 0.04  \ {\rm V}^2$ und damit $10 \cdot {\rm  lg} \ ρ_{\rm V} = 20 \ \rm dB$.
+
We reference the interactive applet &nbsp;[[Applets:Linear_Distortions_of_Periodic_Signals|&raquo;Linear Distortions of Periodic Signals&laquo;]].
  
==Berücksichtigung von Dämpfung und Laufzeit==
+
==Elimination of attenuation factor and transit time==
Die auf der letzten Seite angegebenen Gleichungen führen dann nicht zu verwertbaren Aussagen, wenn zusätzlich eine Dämpfung $α$ und/oder eine Laufzeit $τ$ im System wirksam ist.
+
<br>
 +
The equations given in the last section do not result in applicable statements if the system is additionally affected by an attenuation factor &nbsp;$α$&nbsp; and/or a transit time &nbsp;$τ$.&nbsp; The diagram shows the attenuated,&nbsp; delayed and distorted signal
  
[[File:P_ID876__LZI_T_2_1_S4_neu.png|Berücksichtigung von Dämpfung und Laufzeit|class=fit]]
+
[[File:P_ID876__LZI_T_2_1_S4_neu.png|right|frame|Elimination of attenuation factor&nbsp;$α$&nbsp;
 +
<br>and transit time&nbsp; $τ$|class=fit]]
  
Die obere Grafik zeigt das gedämpfte, verzögerte und verzerrte Signal
+
:$$y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau) + \varepsilon_1(t).$$
$$y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau) + \varepsilon_1(t),$$
+
*Here,&nbsp; instead of the&nbsp; &raquo;distortion power&laquo;&nbsp; the&nbsp; &raquo;distortion energy&laquo;&nbsp; must be considered because &nbsp;$x(t)$&nbsp; and &nbsp;$y(t)$&nbsp; are energy-limited signals.
wobei im Term $ε_1(t)$ alle Verzerrungen zusammengefasst sind. Man erkennt an der grünen Fläche, dass das Fehlersignal $ε_1(t)$ relativ klein ist.  
 
  
Sind dagegen die Dämpfung $α$ und die Laufzeit $τ$ unbekannt, so ist Folgendes zu beachten:
+
*The term &nbsp;$ε_1(t)$&nbsp; summarizes all distortions.&nbsp; It can be seen from the green area that the difference signal &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;error  signal&laquo;&nbsp;$ε_1(t)$&nbsp; is relatively small.  
*Das so ermittelte Fehlersignal $ε_2(t) = y(t) – x(t)$ ist trotz kleiner Verzerrungen $ε_1(t)$ relativ groß.  
 
*Anstelle der Verzerrungsleistung muss hier die Verzerrungsenergie betrachtet werden, da $x(t)$ und $y(t)$ energiebegrenzte Signale sind.
 
*Die Verzerrungsenergie erhält man, in dem die unbekannten Größen $α$ und $τ$ variiert werden und auf diese Weise das Minimum des mittleren quadratischen Fehlers ermittelt wird:
 
:$$E_{\rm V}  = \min_{\alpha, \tau} \int_{ - \infty }^{ + \infty}
 
{\left[y(t) - \left(\alpha \cdot x(t - \tau) \right) \right]^2}\hspace{0.1cm}{\rm d}t.$$
 
*Die Energie des gedämpften und verzögerten Signals $α · x(t – τ)$ ist unabhängig von der Laufzeit $τ$ gleich $α^2 · E_x$. Somit gilt hier für das Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis:
 
:$$\rho_{\rm V} = \frac{ \alpha^2 \cdot E_{x}}{E_{\rm V}}\hspace{0.3cm}{\rm bzw.}\hspace{0.3cm}\rho_{\rm V}= \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V}} .$$
 
*Die erste dieser beiden Gleichungen gilt für zeitlich begrenzte und damit energiebegrenzte Signale, die zweite für zeitlich unbegrenzte, also leistungsbegrenzte Signale entsprechend der Seite [[Signaldarstellung/Klassifizierung_von_Signalen#Energiebegrenzte_und_leistungsbegrenzte_Signale|Energiebegrenzte und leistungsbegrenzte Signale]] im Buch &bdquo;Signaldarstellung&rdquo;.
 
  
==Lineare und nichtlineare Verzerrungen==
 
Man unterscheidet zwischen linearen und nichtlinearen Verzerrungen:
 
  
Ist das System linear und zeitinvariant (LZI), so wird es vollständig durch seinen Frequenzgang $H(f)$ charakterisiert, und es lässt sich Folgendes feststellen:  
+
In contrast to this,&nbsp; if the attenuation factor  &nbsp;$α$&nbsp; and the transit time &nbsp;$τ$&nbsp; are unknown,&nbsp; the following should be noted:  
*Entspechend der $H(f)$-Definition gilt für das Ausgangsspektrum: $Y(f)$ = $X(f) · H(f)$. Daraus folgt, dass $Y(f)$ keine Frequenzanteile beinhalten kann, die nicht auch in $X(f)$ enthalten sind.
+
*In the second example the difference signal &nbsp;$ε_2(t) = y(t) - x(t)$&nbsp; determined in this way is relatively large despite small distortions &nbsp;$ε_1(t)$.
*Die Umkehrung besagt: Das Ausgangssignal $y(t)$ kann jede Frequenz $f_0$ beinhalten, die bereits im Eingangssignal $x(t)$ enthalten ist. Voraussetzung ist also, dass $X(f_0) ≠$ 0 gilt.  
+
*Bei einem LZI–System ist die absolute Bandbreite des Ausgangssignals $(B_y)$ nie größer als die des Eingangssignals $(B_x)$:
+
*The distortion energy is obtained by varying the unknown quantities &nbsp;$α$&nbsp; and &nbsp;$τ$&nbsp; and thus finding the minimum of the&nbsp; &raquo;mean squared error&laquo;:
$$B_y \le B_x .$$
+
:$$E_{\rm V}  = \min_{\alpha, \ \tau} \int_{ - \infty }^{ + \infty}
 +
{\big[y(t) - \left(\alpha \cdot x(t - \tau) \right) \big]^2}\hspace{0.1cm}{\rm d}t.$$
 +
*The energy of the attenuated and delayed signal &nbsp;$α · x(t - τ)$&nbsp; is &nbsp;$E_{\rm V}  =α^2 · E_x$ independent of the transit time &nbsp;$τ$.&nbsp;  Thus for the signal-to-distortion&nbsp; $($energy or power$)$&nbsp; ratio the following is applicable:
 +
:$$\rho_{\rm V} = \frac{ \alpha^2 \cdot E_{x}}{E_{\rm V}}\hspace{0.3cm}{\rm or}\hspace{0.3cm}\rho_{\rm V}= \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V}} .$$
 +
*The first of these two equations applies to time-limited and thus energy-limited signals,&nbsp; the second one to time-unlimited and thus power-limited signals according to the section &nbsp;[[Signal_Representation/Signal_classification#Energy.E2.80.93limited_and_power.E2.80.93limited_signals|&raquo;Energy-limited and power-limited signals&laquo;]]&nbsp; in the book&nbsp; &raquo;Signal Representation&laquo;.
  
 +
==Linear and nonlinear distortions==
 +
<br>
 +
A distinction is made between&nbsp; &raquo;linear distortions&laquo;&nbsp; and&nbsp; &raquo;nonlinear distortions&laquo;:
  
In der oberen Grafik gilt $B_y$ = $B_x$. Lineare Verzerrungen liegen vor, da sich in diesem Frequenzband $X(f)$ und $Y(f)$ unterscheiden. Eine Bandbegrenzung $(B_y < B_x)$ ist eine Sonderform linearer Verzerrungen, die im Kapitel 2.3  ausführlich behandelt werden.
+
If the system is linear and time-invariant&nbsp; $(\rm LTI)$,&nbsp; then it is fully characterized by its&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/System_Description_in_Frequency_Domain#Frequency_response_.E2.80.93_Transfer_function|$\text{frequency response}$]]&nbsp; $H(f)$&nbsp; and the following can be stated:
 +
#According to the&nbsp; $H(f)$&nbsp; definition the following holds for the output spectrum: &nbsp; $Y(f)=X(f) · H(f)$. &nbsp;
 +
#As a consequence according to the calculation rules of multiplication, &nbsp;$Y(f)$&nbsp; cannot contain any frequency components that are not already contained in &nbsp;$X(f)$.
 +
#The inverse implies: &nbsp; The output signal &nbsp;$y(t)$&nbsp; can include any frequency &nbsp;$f_0$&nbsp; already contained in the input &nbsp;$x(t)$&nbsp;. The prerequisite is therefore that &nbsp;$X(f_0) ≠ 0$.
 +
#For an LTI system the absolute bandwidth &nbsp;$B_y$&nbsp; of the output signal is never greater than the bandwidth &nbsp;$B_x$&nbsp; of the input signal: &nbsp; $B_y \le B_x .$
  
[[File:P_ID877__LZI_T_2_1_S5_neu.png | Lineare und nichtlineare Verzerrungen|class=fit]]
 
  
Die untere Grafik zeigt ein Beispiel für nichtlineare Verzerrungen, da $B_y$ größer als $B_x$ ist. Für ein solches System kann kein Frequenzgang $H(f)$ angegeben werden. Welche Beschreibungsgrößen für nichtlineare Systeme geeignet sind, wird im [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Nichtlineare_Verzerrungen|Kapitel 2.2]]  dargelegt.
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
 +
The differences between linear and non-linear distortions are illustrated by the following diagram:
  
Bei den meisten realen Übertragungskanälen treten sowohl lineare als auch nichtlineare Verzerrungen auf. Für eine ganze Reihe von Problemstellungen ist jedoch die klare Trennung der beiden Verzerrungsarten essentiell. In [Kam04]<ref>Kammeyer, K.D.: ''Nachrichtenübertragung''. Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.</ref>  wird ein entsprechendes Ersatzmodell angegeben.  
+
[[File:EN_LZI_T_2_1_S5_neu.png|frame| Linear and nonlinear distortions|class=fit]]
 +
$\rm (A)$ &nbsp; In the upper diagram&nbsp; $B_y = B_x$&nbsp; holds. There are&nbsp; &raquo;'''linear distortions'''&laquo;&nbsp; because in this frequency band&nbsp; $X(f)$&nbsp; and&nbsp; $Y(f)$&nbsp; differ.
 +
 +
:A band limitation&nbsp; $(B_y < B_x)$&nbsp; is a special form of linear distortions,&nbsp; which will be discussed in the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Lineare_Verzerrungen|&raquo;chapter after next&laquo;]].
  
==Quellenverzeichnis==
+
 
<references/>
+
$\rm (B)$ &nbsp; The lower diagram shows an example of&nbsp; &raquo;'''non-linear distortions'''&laquo;&nbsp; $(B_y > B_x)$.&nbsp; For such a system no frequency response&nbsp; $H(f)$&nbsp; can be given.
 +
 
 +
:Descriptive quantities applicable for nonlinear systems will be explained in the next chapter&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions|&raquo;Non-linear Distortions&laquo;]]&nbsp;.
 +
 
 +
 
 +
In most real transmission channels both linear and nonlinear distortions occur.&nbsp; However,&nbsp; for a whole range of problems the precise separation of the two types of distortions is essential.&nbsp; In&nbsp; [Kam04]<ref>Kammeyer, K.D.:&nbsp; Nachrichtenübertragung.&nbsp; Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.</ref>&nbsp;  a corresponding substitute model is shown. }}
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We refer here to the&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video &nbsp;[[Lineare_und_nichtlineare_Verzerrungen_(Lernvideo)|&raquo;Lineare und nichtlineare Verzerrungen]] &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;Linear and nonlinear distortions&laquo;.
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Latest revision as of 17:30, 9 November 2023

# OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER #


$\text{Definition:}$  In general,  »distortion«  is understood to be undesirable deterministic changes in a message signal caused by a transmission system.


In addition to stochastic interferences  $($noise,  crosstalk, etc.$)$,  such deterministic distortions are a critical limitation on the transmission quality and rate for many transmission systems.

This chapter presents these distortions in a summarizing way,  in particular:

  1. The quantitative description of such signal falsifications via the  »distortion power«,
  2. the distinguishing features between  »nonlinear and linear distortions«,
  3. the meaning and computation of the  »distortion factor in nonlinear systems«,  and
  4. the effects of  »linear attenuation and phase distortions«.


Prerequisites for the second main chapter


Description of a linear system

In the following,  we consider always a  »system«

  • whose input is the signal  $x(t)$  with the corresponding spectrum  $X(f)$,  and
  • the output signal is denoted by  $y(t)$  and its spectrum by  $Y(f).$


The block labelled  »system«  can be a part of an  »electrical circuit«  or a complete transmission system«  consisting of

  1. »transmitter«,
  2. »channel«, and
  3. »receiver«.


For the whole main chapter  »Signal Distortions and Equalization«  the following shall apply:

  • The system be  »time-invariant«.  If the input signal  $x(t)$  results in the output signal  $y(t)$,  then a later input signal of the same form – in particular  $x(t - t_0)$  – will result in the signal  $y(t - t_0)$.
  • In the following,  »no noise«  is considered,  which is always present in real systems.  For the description of these phenomena we refer to the book  »Theory of Stochastic Signals«.
  • About the system   »no detailed knowledge«  is assumed.  In the following of this chapter,  all system properties are derived from the signals  $x(t)$  and  $y(t)$  or their spectra alone.
  • In particular,  no specifications are made here with regard to  »linearity«.  The  »system« can be  »linear«  $($prerequisite for the application of the superposition principle$)$  or  »non-linear«.
  • Not all system properties are discernible from a single test signal  $x(t)$  and its response  $y(t)$ . Therefore,  sufficiently many test signals  must be used for evaluation.


In the following,  we will classify transmission systems in more detail in this respect.

Ideal and distortion-free system


$\text{Definition:}$  One deals with an  »ideal system«  if the output signal  $y(t)$  is identical with the input signal  $x(t)$:

$$y(t) \equiv x(t).$$


  1. It should be noted that such an ideal system does not exist in reality even if statistical disturbances and noise processes  $($that always exist but are not considered in this book$)$  are disregarded. 
  2. Every transmission medium exhibits losses  $($»attenuation«$)$  and  »transit times».  Even if these physical phenomena are very small,  they are never zero.  Therefore it is necessary to introduce a somewhat less strict quality characteristic.


$\text{Definition:}$  A  »distortion-free system«  exists if the following condition is fulfilled:

$$y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau).$$
  1. Here,  $α$  describes the  »attenuation factor«  and  $τ$  the  »transit time«.
  2. If this condition is not met,  the system is said to be  » distortive«.


$\text{Example 1:}$  The following diagram shows the input signal  $x(t)$  and the output signal  $y(t)$  of a nonideal but distortion-free system.  The system parameters are  $α = 0.8$  and  $τ = 0.25 \ \rm ms$.

Exemplary signals of a distortion-free system

$\text{Note:}$

  • The attenuation factor  $α$  can be completely reversed by a receiver-side gain of  $1/α = 1.25$,  but it must be taken into account that this also increases any noise.
  • However,  the transit time  $τ$  cannot be compensated due to  »causality reasons«.  It now depends on the application whether such a transit time is subjectively perceived as disturbing or not.
  1. For example,  even with a transit time of one second the  $($unidirectional$)$  TV broadcast of an event is still described as "live". 
  2. In contrast to this,  transit times of  $\text{300 ms}$  are already perceived as very disturbing in bidirectional communication – e.g. a telephone call. 
  3. You either wait for the other person to react or both participants interrupt each other.

Quantitative measure for the signal distortions


Input and output of a distortive system and difference signal (below)

We now consider a distortive system on the basis of the input and output signal. 

  • We assume that apart from the signal distortions there is no additional frequency-independent attenuation factor   $α$  and no additional transit time  $τ$.  These conditions are fulfilled for the signal sections sketched on the right.
  • In addition to the signals  $x(t)$  and  $y(t)$,  the difference signal is shown in the diagram:
$$\varepsilon(t) = y(t) - x(t).$$

As a quantitative measure of the strength of distortions,  the  »mean square value of this difference signal« is applicable:

$$\overline{\varepsilon^2(t)} = \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{ 0 }^{ T_{\rm M}} {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.4cm} \left( = P_{\rm V} \right).$$

The following should be noted about this equation:

  1. The measuring time  $T_{\rm M}$  must be chosen sufficiently large.  Actually, this equation should be formulated as a limit process.
  2. This expression is called  »mean squared error«  $\rm (MSE)$  or   »distortion power«  $P_{\rm V}$  $($because of  "distortion"   ⇒   German:  "Verzerrung"   ⇒   subscript  "$\rm V$"$)$.
  3. If  $x(t)$  and  $y(t)$  are voltage signals,  then  $P_{\rm V}$  has the unit of  ${\rm V}^2$,  meaning the power is related to the resistance  $R = 1 \ Ω$  according to the above definition.


$\text{Definition:}$  Making use of the power  $P_x$  $($based on  $R = 1 \ Ω)$  of the input signal  $x(t)$  the   »signal–to–distortion (power) ratio«  can be given as:

$$\rho_{\rm V} = \frac{ P_{x} }{P_{\rm V} } \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}\rho_{\rm V} = 10 \cdot \lg \hspace{0.1cm}\frac{ P_{x} }{P_{\rm V} }\hspace{0.3cm} \left( {\rm in \hspace{0.15cm} dB} \right).$$

For the signals shown in the diagram above   ⇒   $P_x = 4 \ {\rm V}^2$,  $P_{\rm V} = 0.04 \ {\rm V}^2$;

$$10 \cdot {\rm lg} \ ρ_{\rm V} = 20 \ \rm dB.$$


We reference the interactive applet  »Linear Distortions of Periodic Signals«.

Elimination of attenuation factor and transit time


The equations given in the last section do not result in applicable statements if the system is additionally affected by an attenuation factor  $α$  and/or a transit time  $τ$.  The diagram shows the attenuated,  delayed and distorted signal

Elimination of attenuation factor $α$ 
and transit time  $τ$
$$y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau) + \varepsilon_1(t).$$
  • Here,  instead of the  »distortion power«  the  »distortion energy«  must be considered because  $x(t)$  and  $y(t)$  are energy-limited signals.
  • The term  $ε_1(t)$  summarizes all distortions.  It can be seen from the green area that the difference signal   ⇒   »error signal« $ε_1(t)$  is relatively small.


In contrast to this,  if the attenuation factor  $α$  and the transit time  $τ$  are unknown,  the following should be noted:

  • In the second example the difference signal  $ε_2(t) = y(t) - x(t)$  determined in this way is relatively large despite small distortions  $ε_1(t)$.
  • The distortion energy is obtained by varying the unknown quantities  $α$  and  $τ$  and thus finding the minimum of the  »mean squared error«:
$$E_{\rm V} = \min_{\alpha, \ \tau} \int_{ - \infty }^{ + \infty} {\big[y(t) - \left(\alpha \cdot x(t - \tau) \right) \big]^2}\hspace{0.1cm}{\rm d}t.$$
  • The energy of the attenuated and delayed signal  $α · x(t - τ)$  is  $E_{\rm V} =α^2 · E_x$ independent of the transit time  $τ$.  Thus for the signal-to-distortion  $($energy or power$)$  ratio the following is applicable:
$$\rho_{\rm V} = \frac{ \alpha^2 \cdot E_{x}}{E_{\rm V}}\hspace{0.3cm}{\rm or}\hspace{0.3cm}\rho_{\rm V}= \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V}} .$$
  • The first of these two equations applies to time-limited and thus energy-limited signals,  the second one to time-unlimited and thus power-limited signals according to the section  »Energy-limited and power-limited signals«  in the book  »Signal Representation«.

Linear and nonlinear distortions


A distinction is made between  »linear distortions«  and  »nonlinear distortions«:

If the system is linear and time-invariant  $(\rm LTI)$,  then it is fully characterized by its  $\text{frequency response}$  $H(f)$  and the following can be stated:

  1. According to the  $H(f)$  definition the following holds for the output spectrum:   $Y(f)=X(f) · H(f)$.  
  2. As a consequence according to the calculation rules of multiplication,  $Y(f)$  cannot contain any frequency components that are not already contained in  $X(f)$.
  3. The inverse implies:   The output signal  $y(t)$  can include any frequency  $f_0$  already contained in the input  $x(t)$ . The prerequisite is therefore that  $X(f_0) ≠ 0$.
  4. For an LTI system the absolute bandwidth  $B_y$  of the output signal is never greater than the bandwidth  $B_x$  of the input signal:   $B_y \le B_x .$


$\text{Conclusion:}$  The differences between linear and non-linear distortions are illustrated by the following diagram:

Linear and nonlinear distortions

$\rm (A)$   In the upper diagram  $B_y = B_x$  holds. There are  »linear distortions«  because in this frequency band  $X(f)$  and  $Y(f)$  differ.

A band limitation  $(B_y < B_x)$  is a special form of linear distortions,  which will be discussed in the  »chapter after next«.


$\rm (B)$   The lower diagram shows an example of  »non-linear distortions«  $(B_y > B_x)$.  For such a system no frequency response  $H(f)$  can be given.

Descriptive quantities applicable for nonlinear systems will be explained in the next chapter  »Non-linear Distortions« .


In most real transmission channels both linear and nonlinear distortions occur.  However,  for a whole range of problems the precise separation of the two types of distortions is essential.  In  [Kam04][1]  a corresponding substitute model is shown.


We refer here to the  $($German language$)$  learning video  »Lineare und nichtlineare Verzerrungen   ⇒   »Linear and nonlinear distortions«.

Exercises for the chapter

Exercise 2.1: Linear? Or Non-Linear?

Exercise 2.1Z: Distortion and Equalisation

Exercise 2.2: Distortion Power

Exercise 2.2Z: Distortion Power again



References

  1. Kammeyer, K.D.:  Nachrichtenübertragung.  Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.