Difference between revisions of "Mobile Communications/Statistical Bindings within the Rayleigh Process"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Zeitvariante Übertragungskanäle
+
|Untermenü=Time variant transmission channels
|Vorherige Seite=Wahrscheinlichkeitsdichte des Rayleigh–Fadings
+
|Vorherige Seite=Probability Density of Rayleigh Fading
|Nächste Seite=Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente
+
|Nächste Seite=Non-Frequency Selective Fading With Direct Component
 
}}
 
}}
  
== Einige allgemeine Bemerkungen zu AKF und LDS ==
+
== Some general remarks on ACF and PSD ==
 
<br>
 
<br>
Zur Beschreibung der inneren statistischen Bindungen zwischen den benachbarten Signalwerten&nbsp; $r(t)$&nbsp; und&nbsp; $r(t+ \Delta t)$&nbsp; eignet sich die&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)#Autokorrelationsfunktion_bei_ergodischen_Prozessen| Autokorrelationsfunktion]]&nbsp; $\rm (AKF)$:
+
The correlation between&nbsp; $r(t)$&nbsp; and&nbsp; $r(t+ \Delta t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Auto-Correlation_Function#Auto-correlation_function_for_stationary_and_ergodic_processes|$\text{auto-correlation function}$]] &nbsp; $\rm (ACF)$ is suitable for describing the inner statistical dependencies between the neighboring signal values:
  
 
::<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ r(t) \cdot r^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
 
::<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ r(t) \cdot r^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Gegenüber der Definition unter obigem Link sind folgende Unterschiede zu erkennen:
+
Compared to the definition under the link above, the following differences can be seen:
*Die AKF&ndash;Variable ist hier mit&nbsp; $\Delta t$&nbsp; anstelle von&nbsp; $\tau$&nbsp; bezeichnet, da wir in diesem Buch das &bdquo;$\tau$&rdquo; noch für die 2D&ndash;Impulsantwort&nbsp; $h(t, \hspace{0.05cm}\tau)$&nbsp; benötigen.<br>
+
*The ACF variable is here marked with&nbsp; $\Delta t$&nbsp; instead of&nbsp; $\tau$&nbsp; because in this book we need $\tau$ still for the 2D impulse response&nbsp; $h(t, \hspace{0.05cm}\tau)$&nbsp;.<br>
  
*Das äquivalente Tiefpass&ndash;Signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; ist komplex.&nbsp; Durch den Faktor&nbsp; $1/2$&nbsp; bezieht sich aber die AKF&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t)$&nbsp; und insbesondere die Leistung&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t = 0)$&nbsp; auf das (reelle) Bandpass&ndash;Signal&nbsp; $r_{\rm BP}(t)$.<br><br>
+
*The equivalent low-pass signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; is complex. &nbsp; By the factor&nbsp; $1/2$&nbsp; however, the ACF&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t)$&nbsp; and especially the power&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t = 0)$&nbsp; refer to the (real) band-pass signal&nbsp; $r_{\rm BP}(t)$.<br><br>
  
Beim&nbsp; <i>Rayleigh&ndash;Fading</i>&ndash;Kanalmodell gilt&nbsp; $r(t) = s(t) \cdot z(t)$.&nbsp; Damit ergibt sich für dessen AKF:
+
Applying the Rayleigh fading channel model &nbsp; &rArr; &nbsp; $r(t) = s(t) \cdot z(t)$&nbsp; results for its ACF:
  
 
::<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot z(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] = \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot z(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] = \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm}.</math>
  
Für die AKF von Sendesignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; und multiplikativem Faktor&nbsp; $z(t)$&nbsp; gelten folgende Definitionen:
+
For the ACF of the transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; and the multiplicative factor&nbsp; $z(t)$&nbsp; the following definitions apply:
  
 
::<math> \varphi_s ({\rm \Delta}t)= {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
 
::<math> \varphi_s ({\rm \Delta}t)= {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
Line 28: Line 27:
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]\hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]\hspace{0.05cm}.</math>
  
:Der Faktor&nbsp; $1/2$&nbsp; ist nur bei der AKF&ndash;Berechnung von Bandpass&ndash;Signalen im äquivalenten Tiefpass&ndash;Bereich zu berücksichtigen, nicht jedoch bei&nbsp; $\varphi_z ({\rm \Delta}t)$.&nbsp; Ansonsten würde sich&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t) \ne \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)$&nbsp; ergeben.<br>
+
The factor&nbsp; $1/2$&nbsp; is only to be considered for the ACF calculation of band-pass signals in the equivalent low-pass range, but not for&nbsp; $\varphi_z ({\rm \Delta}t)$. &nbsp; Otherwise&nbsp; $\varphi_r ({\rm \Delta}t) \ne \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)$&nbsp; would result.<br>
  
 +
Based on the definition of&nbsp; $\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]$&nbsp; the ACF is always real even with a complex time function&nbsp; $z(t)$&nbsp; and also with respect to&nbsp; $ {\rm \Delta}t$&nbsp; even. &nbsp; Let us further consider that
 +
*$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $&nbsp;,<br>
  
Aufgrund der Definition&nbsp; $\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]$&nbsp; ist die AKF auch bei einer komplexen Zeitfunktion&nbsp; $z(t)$&nbsp; stets reell und zudem bezüglich&nbsp; $ {\rm \Delta}t$&nbsp; gerade.&nbsp; Berücksichtigen wir weiterhin, dass
+
*$x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; have the same statistical properties, and<br>
*$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot  y(t) $&nbsp; ist,<br>
 
  
*$x(t)$ und $y(t)$&nbsp; gleiche statistische Eigenschaften aufweisen, und<br>
+
*that no statistical dependencies exist between&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; ,<br><br>
 
 
*es zwischen&nbsp; $x(t)$&nbsp; und&nbsp; $y(t)$&nbsp; keine statistischen Bindungen gibt,<br><br>
 
 
 
so lässt sich für die AKF des komplexen Faktors&nbsp;  $z(t)$&nbsp; schreiben:
 
  
 +
so the ACF of the complex factor&nbsp; $z(t)$&nbsp; can be written as:
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_x ({\rm \Delta}t) + \varphi_y ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)  
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_x ({\rm \Delta}t) + \varphi_y ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)  
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp; Daraus ergibt sich folgende Vereinfachung:
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; This results in the following simplification:
*Zur Ermittlung der statistischen Bindungen der komplexen Größe&nbsp; $z(t)$&nbsp; muss nur einer der beiden Gaußprozesse betrachtet werden. Im Folgenden sei dies&nbsp; $x(t)$.
+
*To determine the statistical dependencies of the complex variable&nbsp; $z(t)$&nbsp; only one of the two Gaussian processes must be considered.&nbsp; In the following, this is&nbsp; $x(t)$.
  
*Wir berechnen zuerst die Autokorrelationsfunktion&nbsp; $\rm (AKF)$&nbsp; $\varphi_x ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big[x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\big]$&nbsp; des Realteils und danach dessen Leistungsdichtespektrum&nbsp; $\rm (LDS)$&nbsp;
+
*We first calculate the auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$&nbsp; $\varphi_x ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big[x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\big]$&nbsp; of the real part and then its power-spectral density&nbsp; $\rm (PSD)$&nbsp;
  
 
::<math>{\it \Phi}_x (f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty}  \varphi_x ({\rm \Delta}t) \cdot  
 
::<math>{\it \Phi}_x (f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty}  \varphi_x ({\rm \Delta}t) \cdot  
Line 55: Line 52:
 
  </math>
 
  </math>
  
*Für die entsprechenden Kenngrößen des komplexen Zufallsprozesses&nbsp; $z(t)$&nbsp; gilt dann:
+
*For the corresponding parameters of the complex random process&nbsp; $z(t)$&nbsp; we have:
  
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
Line 61: Line 58:
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Die&nbsp; $\rm LDS$&ndash;Variable ist die&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses#Dopplerfrequenz_und_deren_Verteilung|'''Dopplerfrequenz''']]&nbsp; $f_{\rm D}$, da beim Mobilfunk der so genannte&nbsp; &bdquo;Dopplereffekt&rdquo;&nbsp; die Ursache der statistischen Bindungen ist.}}
+
*The&nbsp; $\rm PSD$&nbsp; variable is the&nbsp; [[Mobile_Communications/Statistical_Bindings_within_the_Rayleigh_Process#Doppler_frequency_and_its_distribution|$\text{Doppler frequency}$]]&nbsp; $f_{\rm D}$, because in mobile radio the so-called&nbsp; "Doppler effect"&nbsp; is the cause of the statistical dependencies. }}
  
  
Dieser Effekt wird auf der nächsten Seite erläutert.
+
This effect is explained in the next section.
  
== Phänomenologische Beschreibung des Dopplereffekts==
+
== Phenomenological description of the Doppler effect==
 
<br>
 
<br>
Die statistischen Bindungen innerhalb der reellen &bdquo;Signale&rdquo;&nbsp; $x(t)$&nbsp; und&nbsp; $y(t)$&nbsp; bzw. innerhalb der komplexen Größe&nbsp; $z(t)$&nbsp; sind auf den Dopplereffekt zurückzuführen.&nbsp; Dieser wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von dem österreichischen Mathematiker, Physiker und Astronomen&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Christian_Doppler Christian Andreas Doppler]&nbsp; theoretisch vorhergesagt und nach ihm benannt.<br>
+
The statistical dependencies within the real signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $y(t)$&nbsp; or within the complex quantity&nbsp; $z(t)$&nbsp; are due to the Doppler effect.&nbsp; This was predicted theoretically in the middle of the 19th century by the Austrian mathematician, physicist and astronomer&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Christian_Doppler $\text{Christian Andreas Doppler}$]&nbsp; and named after him.<br>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Definition:}$&nbsp; Als&nbsp; '''Dopplereffekt'''&nbsp; bezeichnet man die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz von Wellen jeder Art, die sich dann ergibt, wenn sich Quelle (Sender) und Beobachter (Empfänger) relativ zueinander bewegen.}}<br>
+
$\text{Definition:}$&nbsp; The&nbsp; &raquo;'''Doppler effect'''&laquo;&nbsp; refers to the change in the perceived frequency of waves of any kind that occurs when the source (transmitter) and observer (receiver) move relative to each other.}}<br>
  
Qualitativ lässt sich der Dopplerreffekt wie folgt beschreiben:
+
Qualitatively, the Doppler effect can be described as follows:
*Nähern sich Beobachter und Quelle einander an, so erhöht sich aus Sicht des Beobachters die Frequenz, egal, ob sich der Beobachter bewegt oder die Quelle oder beide.<br>
+
*If the observer and source approach each other, the frequency increases from the observer's point of view, regardless of whether the observer is moving or the source or both.
  
*Entfernt sich die Quelle vom Beobachter oder der Beobachter von der Quelle, so nimmt der Beobachter eine niedrigere Frequenz wahr, als tatsächlich gesendet wurde.<br><br>
+
*If the source moves away from the observer or the observer moves away from the source, the observer perceives a lower frequency than that actually transmitted.<br><br>
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Wir betrachten die Tonhöhenänderung des&nbsp; &bdquo;Martinhorns&rdquo;&nbsp; eines Rettungswagens.&nbsp; Solange sich das Fahrzeug annähert, hört der Beobachter einen höheren Ton als bei stehendem Wagen.&nbsp; Entfernt sich der Rettungswagen, so wird ein tieferer Ton wahrgenommen.<br>
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; We look at the pitch change of the&nbsp; "Martinhorn"&nbsp; of an ambulance.&nbsp; As long as the vehicle approaches, the observer hears a higher tone than when the car is stationary.&nbsp; When the ambulance moves away, a lower tone is perceived.<br>
  
Den gleichen Effekt stellt man auch bei einem&nbsp; Autorennen&nbsp; fest.&nbsp; Die Frequenzänderungen und der &bdquo;Sound&rdquo; sind dabei um so deutlicher, je schneller die Autos fahren.}}<br>
+
The same effect can be seen with a&nbsp; car racing&nbsp; note.&nbsp; The frequency changes and the sound are the more obvious the faster the cars are going.}}<br>
  
Den Sachverhalt kann man sich in diesem Lerntutorial mit dem interaktiven Applet&nbsp; [[Applets:Zur_Verdeutlichung_des_Dopplereffekts_(Applet)|Zur Verdeutlichung des Dopplereffekts]]&nbsp; verdeutlichen.
+
In this learning tutorial you can illustrate the subject matter with the interactive applet&nbsp; [[Applets:The_Doppler_Effect|"The Doppler Effect"]]&nbsp;.
  
[[File:P ID2113 Mob T 1 3 S2a v1.png|right|frame|Ausgangslage:&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; und&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; bewegen sich nicht|class=fit]]
+
[[File:P ID2113 Mob T 1 3 S2a v1.png|right|frame|Initial situation:&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; and&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; are not moving|class=fit]]
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 2:}$&nbsp;  
Einige Eigenschaften dieses noch aus dem Physikunterricht bekannten Effekts sollen nun anhand von Bildschirmabzügen einer früheren Version der oben genannter Animation dargestellt werden, wobei natürlich die dynamischen Programmeigenschaften verloren gehen.<br>
+
Some properties of this effect, which is still known from physics lessons, will now be shown by means of snapshots of an earlier version of the above mentioned animation, where the dynamic program properties are of course lost.<br>
  
Die erste Grafik zeigt die Ausgangssituation:  
+
The first diagram shows the initial situation:  
*Der ruhende Sender&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; gibt die konstante Frequenz&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; ab.  
+
*The stationary station&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; outputs the constant frequency&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp;.  
*Die Wellenausbreitung ist in der Grafik durch konzentrische Kreise um&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; veranschaulicht.  
+
*The wave propagation is illustrated in the diagram by concentric circles around&nbsp; $\rm (S)$&nbsp;.  
*Beim ebenfalls ruhenden Empfänger&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; kommt dann natürlich die Frequenz&nbsp; $f_{\rm E} = f_{\rm S}$&nbsp; an.}}
+
*If the receiver&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; is also at rest, the frequency&nbsp; $f_{\rm E} = f_{\rm S}$&nbsp; is then perceived.}}
 
<br>
 
<br>
  
[[File:P ID2114 Mob T 1 3 S2b v2.png|right|frame|Dopplereffekt: $\rm (S)$ bewegt sich auf ruhenden $\rm (E)$ zu]]
+
[[File:P ID2114 Mob T 1 3 S2b v2.png|right|frame|Doppler effect: $\rm (S)$ moves towards resting $\rm (E)$]]
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Der nächste Schnappschuss zeigt den Fall, dass sich der Sender&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; mit konstanter Geschwindigkeit&nbsp; $v$&nbsp; von seinem Startpunkt&nbsp; $\rm (S_0)$&nbsp; auf den Empfänger&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; zu bewegt hat.<br>
+
$\text{Example 3:}$&nbsp; The next snapshot shows the case where the transmitter&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; has moved at constant speed&nbsp; $v$&nbsp; from its starting point&nbsp; $\rm (S_0)$&nbsp; towards the receiver&nbsp; $\rm (E)$.&nbsp; <br>
*Das rechte Diagramm zeigt, dass die vom Empfänger wahrgenommene Frequenz&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; (blaue Schwingung) um etwa&nbsp; $20\%$&nbsp; größer ist als die Frequenz&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; am Sender (rote Schwingung).  
+
*The right diagram shows that the frequency&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; (blue oscillation) perceived by the receiver is larger by about&nbsp; $20\%$&nbsp; than the frequency&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; at the transmitter (red oscillation).  
*Aufgrund der Bewegung des Senders sind nun die Kreise nicht mehr konzentrisch.
+
*Due to the movement of the transmitter, the circles are no longer concentric.
  
[[File:P ID2115 Mob T 1 3 S2c v2.png|left|frame|Dopplereffekt: $\rm (S)$ entfernt sich vom ruhenden $\rm (E)$ ]]
+
[[File:P ID2115 Mob T 1 3 S2c v2.png|left|frame|Doppler effect: $\rm (S)$ moves away from resting $\rm (E)$ ]]
 
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
 
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
* Das links dargestellte Szenerio ergibt sich, wenn sich der Sender&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; vom Empfänger&nbsp; $\rm (E)$&nbsp; entfernt: &nbsp; Dann ist die Empfangsfrequenz&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; (blaue Schwingung) um etwa&nbsp; $20\%$&nbsp; kleiner als die Sendefrequenz&nbsp; $f_{\rm S}$.<br>}}
+
* The scenario shown on the left results when the transmitter&nbsp; $\rm (S)$&nbsp; moves away from the receiver&nbsp; $\rm (E)$.&nbsp; &nbsp; Then the received frequency&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; (blue oscillation) is about&nbsp; $20\%$&nbsp; smaller than the transmitted frequency&nbsp; $f_{\rm S}$.<br>}}
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Zu berücksichtigen ist allerdings:}$&nbsp;  
+
$\text{However, the following must be taken into account:}$&nbsp;  
*Alle diese Angaben gelten für unrealistisch große Geschwindigkeit&nbsp; $(v = c/5)$, wobei&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$&nbsp; die Lichtgeschwindigkeit angibt.&nbsp; Beim Mobilfunk sind die Abweichungen zwischen&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; und&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; dagegen meist nur ein Bruchteil der Sendefrequenz.
+
*All these figures apply to unrealistically high speed&nbsp; $(v = c/5)$, where&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$&nbsp; indicates the speed of light.&nbsp; In mobile radio, the deviations between&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; are usually only a fraction of the transmission frequency.
*Die exakte Gleichung für die Empfangsfrequenz&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; unter Einbeziehung eines Winkels&nbsp; $\alpha$&nbsp; zwischen der Bewegungsrichtung und der Verbindungslinie Sender&ndash;Empfänger lautet:
+
*The exact equation for the receiving frequency&nbsp; $f_{\rm E}$,&nbsp; including an angle&nbsp; $\alpha$&nbsp; between the direction of movement and the connecting line transmitter&ndash;receiver, is
 
::<math>f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}  
 
::<math>f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}  
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.05cm}.</math>
*Wie in der&nbsp; [[Aufgaben:Aufgabe_1.4Z:_Zum_Dopplereffekt|Aufgabe 1.4Z]]&nbsp; gezeigt werden soll, kann man bei realistischen Geschwindigkeiten&nbsp; $(v \ll c)$&nbsp; von der folgenden Näherung ausgehen, bei der die durch die&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Relativit%C3%A4tstheorie Relativitätstheorie]&nbsp; beschriebenen Effekte unberücksichtigt bleiben:
+
*As the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_1.4Z:_On_the_Doppler_Effect|"Exercise 1.4Z"]]&nbsp; will show:&nbsp; One can assume at realistic speeds&nbsp; $(v \ll c)$&nbsp; the following approximation, in which the effects described by the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_relativity $\text{Theory of Relativity}$]&nbsp; are disregarded:
 
::<math>f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.05cm}.</math>}}
 
::<math>f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.05cm}.</math>}}
  
 
+
== Doppler frequency and its distribution==
== Dopplerfrequenz und deren Verteilung==
 
 
<br>
 
<br>
Wir fassen die Aussagen der letzten Seite nochmals kurz zusammen, wobei wir von der zweiten, also der nicht&ndash;relativistischen Gleichung ausgehen:
+
We summarize the statements of the last section briefly, whereby we start from the second, i.e. the non&ndash;relativistic equation:
*Bei einer Relativbewegung zwischen Sender (Quelle) und Empfänger (Beobachter) kommt es zu einer Verschiebung um die Dopplerfrequenz&nbsp; $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S}$.  
+
*A relative movement between transmitter (source) and receiver (observer) results in a shift by the Doppler frequency&nbsp; $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S}$.  
  
*Eine positive Dopplerfrequenz&nbsp; $(f_{\rm E} > f_{\rm S})$&nbsp; ergibt sich dann, wenn sich Sender und Empfänger&nbsp; (relativ)&nbsp; aufeinander zu bewegen.&nbsp; Eine negative Dopplerfrequenz&nbsp; $(f_{\rm E} < f_{\rm S})$&nbsp; bedeutet, dass sich Sender und Empfänger&nbsp; (direkt oder unter einem Winkel)&nbsp; voneinander entfernen.<br>
+
*A positive Doppler frequency&nbsp; $(f_{\rm E} > f_{\rm S})$&nbsp; results when transmitter and receiver&nbsp; move (relative)&nbsp; towards each other.&nbsp; A negative Doppler frequency&nbsp; $(f_{\rm E} < f_{\rm S})$&nbsp; means that transmitter and receiver&nbsp; move away from each other&nbsp; (directly or at an angle).<br>
  
*Die maximale Frequenzverschiebung tritt auf, wenn sich Sender und Empfänger direkt aufeinander zu bewegen &nbsp; &#8658; &nbsp; Winkel&nbsp; $\alpha = 0^\circ$.&nbsp; Dieser Maximalwert hängt in erster Näherung von der Sendefrequenz&nbsp; $ f_{\rm S}$&nbsp; und der Geschwindigkeit&nbsp; $v$&nbsp; ab &nbsp; $(c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$&nbsp; gibt die Lichtgeschwindigkeit an$)$:
+
*The maximum frequency shift occurs when transmitter and receiver move directly towards each other &nbsp; &#8658; &nbsp; angle&nbsp; $\alpha = 0^\circ$. &nbsp; This maximum value depends&nbsp; (first approximation)&nbsp; on the transmission frequency&nbsp; $ f_{\rm S}$&nbsp; and the speed&nbsp; $v$ &nbsp; $(c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$&nbsp; indicates the speed of light$)$:
  
 
::<math>f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = f_{\rm S} \cdot  {v}/{c}  \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = f_{\rm S} \cdot  {v}/{c}  \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Erfolgt die Relativbewegung unter einem beliebigen Winkel&nbsp; $\alpha$&nbsp; zur Verbindungslinie Sender&ndash;Empfänger, so entsteht eine Dopplerverschiebung um
+
*If the relative movement takes place at any angle&nbsp; $\alpha$&nbsp; to the connecting line transmitter&ndash;receiver, then the Doppler shift is
  
 
::<math>f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha)   
 
::<math>f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha)   
Line 134: Line 130:
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp; Unter der Annahme gleichwahrscheinlicher Bewegungsrichtungen&nbsp; $($Gleichverteilung für den Winkel&nbsp; $\alpha$&nbsp; im Bereich&nbsp; $- \pi \le \alpha \le +\pi)$&nbsp; ergibt sich für die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion&nbsp; $($hier mit &bdquo;wdf&rdquo; bezeichnet$)$&nbsp; der Dopplerfrequenz im Bereich&nbsp; $- f_\text{D, max} \le f_{\rm D} \le + f_\text{D, max}$:
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; Assuming equal probable directions of motion&nbsp; $($equal distribution for the angle&nbsp; $\alpha$&nbsp; in the range&nbsp; $- \pi \le \alpha \le +\pi)$&nbsp; the probability density function&nbsp; $($here denoted with $\rm wdf$&nbsp; (from the german '''W'''ahrscheinlichkeits'''D'''ichte'''F'''unktion$)$&nbsp; the Doppler frequency in the range&nbsp; $- f_\text{D, max} \le f_{\rm D} \le + f_\text{D, max}$:
  
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt {1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt {1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Außerhalb des Bereichs  zwischen&nbsp; $-f_{\rm D}$&nbsp; und&nbsp; $+f_{\rm D}$&nbsp; hat die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion stets den Wert Null.}}<br>
+
Outside the range between&nbsp; $-f_\text{D, max}$&nbsp; and&nbsp; $+f_\text{D, max}$&nbsp; the probability density function always has the value zero.}}
 +
 
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Herleitung:}$&nbsp; Die entstehende Dopplerfrequenz in Abhängigkeit des Bewegungswinkels&nbsp; $\alpha$&nbsp;   lautet:
+
$\text{Derivation:}$&nbsp; The resulting Doppler frequency depending on the angle of movement&nbsp; $\alpha$&nbsp; is
  
[[File:P ID3103 Mob T 1 3 S3 v2.png|right|frame|Zur Berechnung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Dopplerfrequenz|class=fit]]
+
[[File:P ID3103 Mob T 1 3 S3 v2.png|right|frame|To calculate the probability density function&nbsp; $\rm (PDF)$&nbsp; of the Doppler frequency|class=fit]]
 
::<math>f_{\rm D} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha) = g(\alpha)  
 
::<math>f_{\rm D} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \cos(\alpha) = g(\alpha)  
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Wir bezeichnen diese Funktion mit&nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; und gehen davon aus, dass
+
We refer to this function as&nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; and assume that
*$\alpha$&nbsp; alle Winkelwerte zwischen&nbsp; $\pm \pi$&nbsp; annimmt,&nbsp;  
+
*$\alpha$&nbsp; takes all angle values between&nbsp; $\pm \pi$&nbsp;  
*und zwar mit gleicher Wahrscheinlichkeit &nbsp; &rArr; &nbsp; Gleichverteilung.&nbsp;
+
*with equal probability &nbsp; &rArr; &nbsp; equal distribution.  
  
  
Dann ergibt sich für die Wahrscheinlichkeit der Dopplerfrequenz entsprechend dem Kapitel&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Exponentialverteilte_Zufallsgr%C3%B6%C3%9Fen#Transformation_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen|Transformation von Zufallsgrößen]]&nbsp; im Buch &bdquo;Stochastische Signaltheorie&rdquo;:
+
Then for the probability of the Doppler frequency according to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables#Transformation_of_random_variables|"Transformation of Random Variables"]]&nbsp; in the book "Stochastic Signal Theory":
  
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{ {\rm wdf}(\alpha)}{\vert g\hspace{0.08cm}'(\alpha)\vert}\Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=h(f_{\rm D})}  
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{ {\rm wdf}(\alpha)}{\vert g\hspace{0.08cm}'(\alpha)\vert}\Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=h(f_{\rm D})}  
 
  \hspace{0.05cm}</math>
 
  \hspace{0.05cm}</math>
  
Verwendet sind hier
+
*with the derivative&nbsp; $g\hspace{0.08cm}'(\alpha)= - f_\text{D, max} \cdot \sin(\alpha)$, and
*die  Ableitung&nbsp; $g\hspace{0.08cm}'(\alpha)= - f_\text{D, max} \cdot \sin(\alpha)$, und
+
*the inverse function&nbsp; $ \alpha = h(f_{\rm D})$.  
*die Umkehrfunktion&nbsp; $ \alpha = h(f_{\rm D})$.  
 
  
  
Im Beispiel lautet die Umkehrfunktion:
+
In the example the inverse function is
 
:$$ \alpha = \arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}).$$
 
:$$ \alpha = \arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}).$$
  
Die Grafik veranschaulicht den Rechengang zur Bestimmung der Dopplerfrequenz&ndash;WDF:  
+
The diagram illustrates the calculation procedure for determining the Doppler frequency's PDF:  
  
*Da die Kennlinie zwischen der Dopplerfrequenz&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; und dem Winkel&nbsp; $\alpha$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $ g(\alpha) = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \cos(\alpha)$&nbsp;   auf den Wert&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$&nbsp; begrenzt ist, ist für&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; kein Wert außerhalb dieses Bereichs möglich.<br>
+
*Since the characteristic curve between the Doppler frequency&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; and the angle&nbsp; $\alpha$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $ g(\alpha) = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \cos(\alpha)$&nbsp; is limited by the value&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$&nbsp; there is for&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; no value  possible outside this range.<br>
  
*Bei der Transformation von Zufallsgrößen muss zwischen Bereichen mit positiver und negativer Steigung der Transformationskennlinie unterschieden werden.&nbsp; Die&nbsp; $\alpha$&ndash;Werte zwischen&nbsp; $-\pi$&nbsp; und&nbsp; $0$ &nbsp; $($positive Steigung der Transformationskennlinie$)$zwischen der Dopplerfrequenz&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; und dem Winkel&nbsp; $\alpha$&nbsp; liefern das Ergebnis
+
*When transforming random variables, a distinction must be made between areas with positive and negative slopes of the transformation's characteristic curve. &nbsp; The&nbsp; $\alpha$&ndash;values between&nbsp; $-\pi$&nbsp; and&nbsp; $0$ &nbsp; $($positive gradient of the transformation characteristic$)$&nbsp; provide the result
  
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{1/(2\pi)}{f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \sin(\alpha)} \Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})} = \frac{(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  )^{-1} }{  \sin(\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}))} = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{1/(2\pi)}{f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot  \sin(\alpha)} \Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})} = \frac{(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  )^{-1} }{  \sin(\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}))} = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
*Aus Symmetriegründen trägt der positive&nbsp; $\alpha$&ndash;Bereich in gleicher Weise bei, so dass im inneren Bereich insgesamt gilt:
+
*For reasons of symmetry, the positive&nbsp; $\alpha$&ndash;area contributes in the same way, so that the inner total area is given by
  
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
::<math>{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Winkel im Bereich um&nbsp; $\alpha = \pm \pi/2$&nbsp; führen zu einer kleinen Dopplerfrequenz &nbsp; &#8658; &nbsp; $f_{\rm D} \approx 0$ &nbsp; $($violette Markierung$)$.&nbsp; Aufgrund der relativ großen Steigung der cosinusförmigen Kennlinie &nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; bei&nbsp; $\alpha = \pm \pi/2$ &nbsp; ist der WDF&ndash;Wert bei&nbsp; $f_{\rm D} \approx 0$&nbsp; allerdings sehr klein.<br>
+
*If &nbsp; $\alpha$&nbsp;  takes values around&nbsp; $\pm \pi/2$&nbsp; it results in a small Doppler frequency &nbsp; &#8658; &nbsp; $f_{\rm D} \approx 0$ &nbsp; $($violet marking$)$.&nbsp; But, because of the relatively large gradient of the cosine curve &nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; at&nbsp; $\alpha = \pm \pi/2$ &nbsp; the PDF&ndash;value at&nbsp; $f_{\rm D} \approx 0$&nbsp; ist very small. <br>
  
*Kleine Winkel &nbsp; $($um&nbsp; $\alpha \approx 0)$ &nbsp; führen dagegen zur maximalen Dopplerfrequenz &nbsp; &#8658; &nbsp; $f_{\rm D} \approx f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$ &nbsp; $($rote Markierung$)$.&nbsp; Aufgrund der nahezu horizontalen Kennlinie&nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; ist hier die&nbsp; $f_{\rm D}$&ndash;WDF deutlich größer.&nbsp; Für&nbsp; $f_{\rm D} \equiv f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$&nbsp; ergibt sich sogar ein unendlich großer Wert.<br>
+
*Small angles&nbsp; $($around&nbsp; $\alpha \approx 0)$, &nbsp; however, lead to the maximum Doppler frequency &nbsp; &#8658; &nbsp; $f_{\rm D} \approx f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$ &nbsp; $($red marker$)$.&nbsp; Because of the nearly horizontal characteristic curve&nbsp; $g(\alpha)$&nbsp; here the&nbsp; $f_{\rm D}$&ndash;PDF is clearly larger.&nbsp; For&nbsp; $f_{\rm D} \equiv f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$&nbsp; this even results in an infinitely large value.<br>
  
*Winkel um&nbsp; $\alpha = \pm \pi$&nbsp; führen dagegen zur Dopplerfrequenz&nbsp; $f_{\rm D} \approx -f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$ &nbsp; $($grüne Markierung$)$.&nbsp; Auch hier ist die Kennlinie nahezu horizontal und es ergibt sich wiederum ein großer WDF&ndash;Wert.}}<br><br>
+
*On the other hand, if &nbsp; $\alpha$&nbsp;  takes values around&nbsp; $\pm \pi$&nbsp; it leads to the Doppler frequency&nbsp; $f_{\rm D} \approx -f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$ &nbsp; $($green marker$)$.&nbsp; Again the characteristic curve is nearly horizontal and this results in a large PDF&ndash;value.}}<br><br>
  
== AKF und LDS bei Rayleigh–Fading ==
+
== ACF and PSD with Rayleigh–Fading ==
 
<br>
 
<br>
Wir setzen nun eine in alle Richtungen gleich abstrahlende Antenne voraus.&nbsp; Dann ist das Doppler&ndash;LDS formgleich mit der WDF der Dopplerfrequenzen.  
+
We now assume an antenna with the same radiation in all directions; then the Doppler power-spectral density  is identical in shape to the PDF of the Doppler frequencies.  
  
Für&nbsp; ${\it \Phi}_x(f_{\rm D})$&nbsp; muss die WDF noch mit der Leistung&nbsp; $\sigma^2$&nbsp; des Gaußprozesses multipliziert werden, und für das resultierende LDS&nbsp; ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$&nbsp; des komplexen Faktors&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $&nbsp; gilt nach Verdoppelung:
+
For&nbsp; ${\it \Phi}_x(f_{\rm D})$&nbsp; the PDF must still be multiplied by the power&nbsp; $\sigma^2$&nbsp; of the Gaussian process, and the resulting PSD &nbsp; ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$&nbsp; of the complex factor&nbsp; $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $&nbsp; can be written after doubling as:
  
 
::<math>{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) =
 
::<math>{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) =
Line 198: Line 194:
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Man nennt diesen Verlauf nach&nbsp; [http://ethw.org/William_C._Jakes,_Jr. William C. Jakes Jr.]&nbsp; das&nbsp; '''Jakes&ndash;Spektrum'''.&nbsp; Die Verdoppelung ist notwendig, da bisher nur der Beitrag des Realteils&nbsp; $x(t)$&nbsp; betrachtet wurde. <br>
+
This process is named after&nbsp; [http://ethw.org/William_C._Jakes,_Jr. $\text{William C. Jakes Jr.}$]&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''Jakes spectrum'''&laquo;.&nbsp; The doubling is necessary, because up to now only the contribution of the real part&nbsp; $x(t)$&nbsp; was considered. <br>
  
Die zugehörige Autokorrelationsfunktion (AKF) erhält man nach&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|Fourierrücktransformation:]]
+
The corresponding auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$ is obtained after a&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_second_Fourier_integral|$\text{inverse Fourier transformation}$]]:
  
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot {\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},</math>
 
::<math>\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot {\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},</math>
  
mit der&nbsp; Besselfunktion erster Art und nullter Ordnung&nbsp; (erste Gleichung:&nbsp; Definition,&nbsp; zweite Gleichung:&nbsp; Reihenentwicklung):
+
with the&nbsp; Bessel function of first kind and zero order&nbsp; $($first equation:&nbsp; definition,&nbsp; second equation:&nbsp; series expansion$)$:
  
 
::<math>{\rm J }_0 (u) = \frac{1}{ 2\pi} \cdot  \int_{0}^{2\pi} {\rm e }^{- {\rm j }\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}u \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\cos(\alpha)} \,{\rm d} \alpha \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}
 
::<math>{\rm J }_0 (u) = \frac{1}{ 2\pi} \cdot  \int_{0}^{2\pi} {\rm e }^{- {\rm j }\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}u \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\cos(\alpha)} \,{\rm d} \alpha \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm}
Line 210: Line 206:
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
  
Die Zahlenwerte dieser Funktion erhalten Sie mit dem&nbsp; [[Applets:Besselfunktionen_erster_Art|gleichnamigen Applet]]. <br>
+
The numerical values of this function can be obtained with the&nbsp; [[Applets:Bessel functions of the first kind|"applet of the same name"]]. <br>
  
[[File:P_ID2117__Mob_T_1_3_S4_v2.png|right|frame|Doppler–LDS und Zeitfunktion (Betrag in dB) bei Rayleigh-Fading mit Dopplereffekt]]
+
[[File:P_ID2117__Mob_T_1_3_S4_v2.png|right|frame|Doppler power-spectral density and time function (magnitude in dB) for Rayleigh fading with Doppler effect]]
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp; Links dargestellt ist das Jakes&ndash;Spektrum    
+
$\text{Example 4:}$&nbsp; Shown on the left is the Jakes spectrum    
*für&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = 50 \ \rm Hz$&nbsp; (blaue Kurve) bzw.
+
*for&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 50 \ \ \rm Hz$&nbsp; (blue curve) as well as
*für&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = 100 \ \rm Hz$&nbsp; (rote Kurve).
+
*for&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 100 \ \rm Hz$&nbsp; (red curve).
 
   
 
   
  
Beim&nbsp; [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_GSM#Zellularstruktur_von_GSM|GSM&ndash;D&ndash;Netz]]&nbsp; $(f_{\rm S} = 900 \ \rm MHz)$&nbsp; entsprechen diese Werte den Geschwindigkeiten&nbsp; $v = 60 \ \rm  km/h$&nbsp; bzw.&nbsp; $v = 120 \ \rm  km/h$.  
+
For&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM#Emergence_and_history_of_GSM|$\text{GSM 900}$]]&nbsp; $(f_{\rm S} = 900 \ \rm MHz)$&nbsp; these values correspond to the speeds&nbsp; $v = 60 \ \rm  km/h$&nbsp; and&nbsp; $v = 120 \ \rm  km/h$,&nbsp; respectively.  
  
Beim E&ndash;Netz&nbsp; $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz)$&nbsp; gelten diese Werte für halb so große Geschwindigkeiten: &nbsp; $v = 30 \ \rm km/h$&nbsp; bzw.&nbsp; $v = 60 \ \rm km/h$.  
+
For&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_GSM#Emergence_and_history_of_GSM|$\text{GSM 1800}$]]&nbsp; $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz)$&nbsp; these values apply to half as high speeds: &nbsp; $v = 30 \ \ \rm km/h$&nbsp; and&nbsp; $v = 60 \ \rm km/h$,&nbsp; resp.  
  
Das rechte Bild zeigt den logarithmierten Betrag von&nbsp; $z(t)$:  
+
The right diagram shows the logarithmic absolute value of&nbsp; $z(t)$:  
*Man erkennt das doppelt so schnelle Fading des roten Kurvenverlaufs.  
+
*For example you can see the twice as fast fading of the red curve.  
*Die Rayleigh&ndash;WDF (Amplitudenverteilung) ist unabhängig von&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$&nbsp; und deshalb für beide Fälle gleich.}}<br>
+
*The Rayleigh PDF (amplitude distribution) is independent of&nbsp; $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max}$&nbsp; and therefore the same for both cases.}}<br>
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:Aufgabe_1.4:_Rayleigh–WDF_und_Jakes–LDS|Aufgabe 1.4: Rayleigh–WDF und Jakes–LDS]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.4: Rayleigh PDF and Jakes PDS]]
  
[[Aufgaben:1.4Z_Zum_Dopplereffekt|Aufgabe 1.4Z: Zum Dopplereffekt]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.4Z: On the Doppler Effect]]
  
[[Aufgaben:1.5 Nachbildung des Jakes–Spektrums|A1.5: Nachbildung des Jakes–Spektrums]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.5: Reconstruction of the Jakes Spectrum]]
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 15:31, 29 January 2023

Some general remarks on ACF and PSD


The correlation between  $r(t)$  and  $r(t+ \Delta t)$   ⇒   $\text{auto-correlation function}$   $\rm (ACF)$ is suitable for describing the inner statistical dependencies between the neighboring signal values:

\[\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ r(t) \cdot r^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] \hspace{0.05cm}.\]

Compared to the definition under the link above, the following differences can be seen:

  • The ACF variable is here marked with  $\Delta t$  instead of  $\tau$  because in this book we need $\tau$ still for the 2D impulse response  $h(t, \hspace{0.05cm}\tau)$ .
  • The equivalent low-pass signal  $r(t)$  is complex.   By the factor  $1/2$  however, the ACF  $\varphi_r ({\rm \Delta}t)$  and especially the power  $\varphi_r ({\rm \Delta}t = 0)$  refer to the (real) band-pass signal  $r_{\rm BP}(t)$.

Applying the Rayleigh fading channel model   ⇒   $r(t) = s(t) \cdot z(t)$  results for its ACF:

\[\varphi_r ({\rm \Delta}t) = {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot z(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] = \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm}.\]

For the ACF of the transmitted signal  $s(t)$  and the multiplicative factor  $z(t)$  the following definitions apply:

\[ \varphi_s ({\rm \Delta}t)= {1}/{2} \cdot {\rm E}\big [ s(t) \cdot s^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] \hspace{0.05cm},\]
\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]\hspace{0.05cm}.\]

The factor  $1/2$  is only to be considered for the ACF calculation of band-pass signals in the equivalent low-pass range, but not for  $\varphi_z ({\rm \Delta}t)$.   Otherwise  $\varphi_r ({\rm \Delta}t) \ne \varphi_s ({\rm \Delta}t) \cdot \varphi_z ({\rm \Delta}t)$  would result.

Based on the definition of  $\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]$  the ACF is always real even with a complex time function  $z(t)$  and also with respect to  $ {\rm \Delta}t$  even.   Let us further consider that

  • $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $ ,
  • $x(t)$  and  $y(t)$  have the same statistical properties, and
  • that no statistical dependencies exist between  $x(t)$  and  $y(t)$  ,

so the ACF of the complex factor  $z(t)$  can be written as:

\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_x ({\rm \Delta}t) + \varphi_y ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t) \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Conclusion:}$  This results in the following simplification:

  • To determine the statistical dependencies of the complex variable  $z(t)$  only one of the two Gaussian processes must be considered.  In the following, this is  $x(t)$.
  • We first calculate the auto-correlation function  $\rm (ACF)$  $\varphi_x ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big[x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\big]$  of the real part and then its power-spectral density  $\rm (PSD)$ 
\[{\it \Phi}_x (f_{\rm D}) = \int_{-\infty}^{+\infty} \varphi_x ({\rm \Delta}t) \cdot {\rm e}^{ -- {\rm j \cdot 2 \pi} \cdot f_{\rm D} \cdot {\rm \Delta}t } \hspace{0.15cm}{\rm d}( {\rm \Delta}t) \hspace{0.3cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \hspace{0.3cm} \varphi_x ({\rm \Delta}t) \hspace{0.05cm}. \]
  • For the corresponding parameters of the complex random process  $z(t)$  we have:
\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = 2 \cdot \varphi_x ({\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\it \Phi}_z (f_{\rm D}) = 2 \cdot {\it \Phi}_x (f_{\rm D}) \hspace{0.05cm}.\]
  • The  $\rm PSD$  variable is the  $\text{Doppler frequency}$  $f_{\rm D}$, because in mobile radio the so-called  "Doppler effect"  is the cause of the statistical dependencies.


This effect is explained in the next section.

Phenomenological description of the Doppler effect


The statistical dependencies within the real signals  $x(t)$  and  $y(t)$  or within the complex quantity  $z(t)$  are due to the Doppler effect.  This was predicted theoretically in the middle of the 19th century by the Austrian mathematician, physicist and astronomer  $\text{Christian Andreas Doppler}$  and named after him.

$\text{Definition:}$  The  »Doppler effect«  refers to the change in the perceived frequency of waves of any kind that occurs when the source (transmitter) and observer (receiver) move relative to each other.


Qualitatively, the Doppler effect can be described as follows:

  • If the observer and source approach each other, the frequency increases from the observer's point of view, regardless of whether the observer is moving or the source or both.
  • If the source moves away from the observer or the observer moves away from the source, the observer perceives a lower frequency than that actually transmitted.

$\text{Example 1:}$  We look at the pitch change of the  "Martinhorn"  of an ambulance.  As long as the vehicle approaches, the observer hears a higher tone than when the car is stationary.  When the ambulance moves away, a lower tone is perceived.

The same effect can be seen with a  car racing  note.  The frequency changes and the sound are the more obvious the faster the cars are going.


In this learning tutorial you can illustrate the subject matter with the interactive applet  "The Doppler Effect" .

Initial situation:  $\rm (S)$  and  $\rm (E)$  are not moving

$\text{Example 2:}$  Some properties of this effect, which is still known from physics lessons, will now be shown by means of snapshots of an earlier version of the above mentioned animation, where the dynamic program properties are of course lost.

The first diagram shows the initial situation:

  • The stationary station  $\rm (S)$  outputs the constant frequency  $f_{\rm S}$ .
  • The wave propagation is illustrated in the diagram by concentric circles around  $\rm (S)$ .
  • If the receiver  $\rm (E)$  is also at rest, the frequency  $f_{\rm E} = f_{\rm S}$  is then perceived.


Doppler effect: $\rm (S)$ moves towards resting $\rm (E)$

$\text{Example 3:}$  The next snapshot shows the case where the transmitter  $\rm (S)$  has moved at constant speed  $v$  from its starting point  $\rm (S_0)$  towards the receiver  $\rm (E)$. 

  • The right diagram shows that the frequency  $f_{\rm E}$  (blue oscillation) perceived by the receiver is larger by about  $20\%$  than the frequency  $f_{\rm S}$  at the transmitter (red oscillation).
  • Due to the movement of the transmitter, the circles are no longer concentric.
Doppler effect: $\rm (S)$ moves away from resting $\rm (E)$













  • The scenario shown on the left results when the transmitter  $\rm (S)$  moves away from the receiver  $\rm (E)$.    Then the received frequency  $f_{\rm E}$  (blue oscillation) is about  $20\%$  smaller than the transmitted frequency  $f_{\rm S}$.


$\text{However, the following must be taken into account:}$ 

  • All these figures apply to unrealistically high speed  $(v = c/5)$, where  $c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$  indicates the speed of light.  In mobile radio, the deviations between  $f_{\rm S}$  and  $f_{\rm E}$  are usually only a fraction of the transmission frequency.
  • The exact equation for the receiving frequency  $f_{\rm E}$,  including an angle  $\alpha$  between the direction of movement and the connecting line transmitter–receiver, is
\[f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)} \hspace{0.05cm}.\]
\[f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.05cm}.\]

Doppler frequency and its distribution


We summarize the statements of the last section briefly, whereby we start from the second, i.e. the non–relativistic equation:

  • A relative movement between transmitter (source) and receiver (observer) results in a shift by the Doppler frequency  $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S}$.
  • A positive Doppler frequency  $(f_{\rm E} > f_{\rm S})$  results when transmitter and receiver  move (relative)  towards each other.  A negative Doppler frequency  $(f_{\rm E} < f_{\rm S})$  means that transmitter and receiver  move away from each other  (directly or at an angle).
  • The maximum frequency shift occurs when transmitter and receiver move directly towards each other   ⇒   angle  $\alpha = 0^\circ$.   This maximum value depends  (first approximation)  on the transmission frequency  $ f_{\rm S}$  and the speed  $v$   $(c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$  indicates the speed of light$)$:
\[f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = f_{\rm S} \cdot {v}/{c} \hspace{0.05cm}.\]
  • If the relative movement takes place at any angle  $\alpha$  to the connecting line transmitter–receiver, then the Doppler shift is
\[f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \cos(\alpha) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} - \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \le f_{\rm D} \le + \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Conclusion:}$  Assuming equal probable directions of motion  $($equal distribution for the angle  $\alpha$  in the range  $- \pi \le \alpha \le +\pi)$  the probability density function  $($here denoted with $\rm wdf$  (from the german WahrscheinlichkeitsDichteFunktion$)$  the Doppler frequency in the range  $- f_\text{D, max} \le f_{\rm D} \le + f_\text{D, max}$:

\[{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sqrt {1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 } } \hspace{0.05cm}.\]

Outside the range between  $-f_\text{D, max}$  and  $+f_\text{D, max}$  the probability density function always has the value zero.


$\text{Derivation:}$  The resulting Doppler frequency depending on the angle of movement  $\alpha$  is

To calculate the probability density function  $\rm (PDF)$  of the Doppler frequency
\[f_{\rm D} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \cos(\alpha) = g(\alpha) \hspace{0.05cm}.\]

We refer to this function as  $g(\alpha)$  and assume that

  • $\alpha$  takes all angle values between  $\pm \pi$ 
  • with equal probability   ⇒   equal distribution.


Then for the probability of the Doppler frequency according to the chapter  "Transformation of Random Variables"  in the book "Stochastic Signal Theory":

\[{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{ {\rm wdf}(\alpha)}{\vert g\hspace{0.08cm}'(\alpha)\vert}\Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=h(f_{\rm D})} \hspace{0.05cm}\]
  • with the derivative  $g\hspace{0.08cm}'(\alpha)= - f_\text{D, max} \cdot \sin(\alpha)$, and
  • the inverse function  $ \alpha = h(f_{\rm D})$.


In the example the inverse function is

$$ \alpha = \arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}).$$

The diagram illustrates the calculation procedure for determining the Doppler frequency's PDF:

  • Since the characteristic curve between the Doppler frequency  $f_{\rm D}$  and the angle  $\alpha$   ⇒   $ g(\alpha) = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \cos(\alpha)$  is limited by the value  $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$  there is for  $f_{\rm D}$  no value possible outside this range.
  • When transforming random variables, a distinction must be made between areas with positive and negative slopes of the transformation's characteristic curve.   The  $\alpha$–values between  $-\pi$  and  $0$   $($positive gradient of the transformation characteristic$)$  provide the result
\[{\rm wdf}(f_{\rm D})=\frac{1/(2\pi)}{f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sin(\alpha)} \Bigg \vert_{\hspace{0.1cm} \alpha=\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})} = \frac{(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} )^{-1} }{ \sin(\arccos(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}))} = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 } } \hspace{0.05cm}.\]
  • For reasons of symmetry, the positive  $\alpha$–area contributes in the same way, so that the inner total area is given by
\[{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sqrt { 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 } } \hspace{0.05cm}.\]
  • If   $\alpha$  takes values around  $\pm \pi/2$  it results in a small Doppler frequency   ⇒   $f_{\rm D} \approx 0$   $($violet marking$)$.  But, because of the relatively large gradient of the cosine curve   $g(\alpha)$  at  $\alpha = \pm \pi/2$   the PDF–value at  $f_{\rm D} \approx 0$  ist very small.
  • Small angles  $($around  $\alpha \approx 0)$,   however, lead to the maximum Doppler frequency   ⇒   $f_{\rm D} \approx f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$   $($red marker$)$.  Because of the nearly horizontal characteristic curve  $g(\alpha)$  here the  $f_{\rm D}$–PDF is clearly larger.  For  $f_{\rm D} \equiv f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$  this even results in an infinitely large value.
  • On the other hand, if   $\alpha$  takes values around  $\pm \pi$  it leads to the Doppler frequency  $f_{\rm D} \approx -f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$   $($green marker$)$.  Again the characteristic curve is nearly horizontal and this results in a large PDF–value.



ACF and PSD with Rayleigh–Fading


We now assume an antenna with the same radiation in all directions; then the Doppler power-spectral density is identical in shape to the PDF of the Doppler frequencies.

For  ${\it \Phi}_x(f_{\rm D})$  the PDF must still be multiplied by the power  $\sigma^2$  of the Gaussian process, and the resulting PSD   ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$  of the complex factor  $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $  can be written after doubling as:

\[{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) = \left\{ \begin{array}{c} (2\sigma^2)/( \pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}) \cdot \left [ 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 \right ]^{-0.5} \\ 0 \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} |f_{\rm D}| \le f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \\ {\rm sonst} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.\]

This process is named after  $\text{William C. Jakes Jr.}$  the  »Jakes spectrum«.  The doubling is necessary, because up to now only the contribution of the real part  $x(t)$  was considered.

The corresponding auto-correlation function  $\rm (ACF)$ is obtained after a  $\text{inverse Fourier transformation}$:

\[\varphi_z ({\rm \Delta}t) = 2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot {\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm},\]

with the  Bessel function of first kind and zero order  $($first equation:  definition,  second equation:  series expansion$)$:

\[{\rm J }_0 (u) = \frac{1}{ 2\pi} \cdot \int_{0}^{2\pi} {\rm e }^{- {\rm j }\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}u \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\cos(\alpha)} \,{\rm d} \alpha \hspace{0.2cm} = \hspace{0.2cm} \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{(-1)^k \cdot (u/2)^{2k}}{k! \cdot \Gamma (k+1)} \hspace{0.05cm}.\]

The numerical values of this function can be obtained with the  "applet of the same name".

Doppler power-spectral density and time function (magnitude in dB) for Rayleigh fading with Doppler effect

$\text{Example 4:}$  Shown on the left is the Jakes spectrum

  • for  $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 50 \ \ \rm Hz$  (blue curve) as well as
  • for  $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max} = 100 \ \rm Hz$  (red curve).


For  $\text{GSM 900}$  $(f_{\rm S} = 900 \ \rm MHz)$  these values correspond to the speeds  $v = 60 \ \rm km/h$  and  $v = 120 \ \rm km/h$,  respectively.

For  $\text{GSM 1800}$  $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz)$  these values apply to half as high speeds:   $v = 30 \ \ \rm km/h$  and  $v = 60 \ \rm km/h$,  resp.

The right diagram shows the logarithmic absolute value of  $z(t)$:

  • For example you can see the twice as fast fading of the red curve.
  • The Rayleigh PDF (amplitude distribution) is independent of  $f_{\rm D, \hspace{0.15cm} max}$  and therefore the same for both cases.



Exercises for the chapter


Exercise 1.4: Rayleigh PDF and Jakes PDS

Exercise 1.4Z: On the Doppler Effect

Exercise 1.5: Reconstruction of the Jakes Spectrum