Difference between revisions of "Modulation Methods/Quality Criteria"

From LNTwww
 
(109 intermediate revisions by 8 users not shown)
Line 1: Line 1:
 
   
 
   
 
{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Allgemeine Beschreibung
+
|Untermenü=General Description
|Vorherige Seite=Zielsetzung von Modulation und Demodulation
+
|Vorherige Seite=Objectives of Modulation and Demodulation
|Nächste Seite=Allgemeines Modell der Modulation
+
|Nächste Seite=General Model of Modulation
 
}}
 
}}
==Ideales und verzerrungsfreies System==
+
==Ideal and distortionless system==
In allen nachfolgenden Kapiteln wird stets von folgendem Modell ausgegangen:
+
<br>
 +
[[File:EN_Mod_T_1_2_S1.png |right|frame| Block diagram describing modulation and demodulation]]
 +
In all subsequent chapters, the following model will be assumed:
  
 +
The task of any message transmission system is
 +
*to provide a sink signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; at a spatially distant sink
 +
 +
*that differs as little as possible from the source signal &nbsp; $q(t)$&nbsp;.
 +
<br clear=all>
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;  An&nbsp; &raquo;'''ideal system'''&laquo;&nbsp; is achieved when the following conditions hold:
 +
:$$v(t) = q(t) + n(t), \hspace{1cm}n(t)  \to 0.$$
 +
This takes into account that &nbsp;$n(t) \equiv 0$&nbsp; is physically impossible due to&nbsp;  [[Aufgaben:Exercise_1.3Z:_Thermal_Noise|$\text{thermal noise}$]].}}
  
[[File:P_ID940__Mod_T_1_2_S1_neu.png | Blockschaltbild zur Beschreibung von Modulation und Demodulation]]
 
  
 +
In practice,&nbsp; the signals&nbsp; $q(t)$&nbsp; and &nbsp;$v(t)$&nbsp; will not differ by more than  the noise term&nbsp; $n(t)$&nbsp; for the following reasons:
  
Die Aufgabe eines jeden Nachrichtenübertragungssystems besteht darin, an der räumlich entfernten Sinke ein Signal $υ(t)$ zur Verfügung zu stellen, das sich möglichst wenig vom Quellensignal $q(t)$ unterscheidet. Bei $υ(t) = q(t)$ würde man von einem idealen System sprechen.
+
*Non-ideal realization of the modulator and the demodulator,
  
In der Praxis werden sich die Signale $q(t)$ und $υ(t)$ stets unterscheiden, wofür es folgende Gründe gibt:
+
*linear attenuation distortions and phase distortions,&nbsp; as well as nonlinearities,
*Nichtideale Realisierung von Modulator und Demodulator,  
 
*lineare Dämpfungs– und Phasenverzerrungen sowie Nichtlinearitäten,  
 
*externe Störungen und stochastische Rauschprozesse,
 
*frequenzunabhängige Dämpfung und Laufzeit.
 
  
 +
*external disturbances and additional stochastic noise processes,
  
Ist nur die letztgenannte Einschränkung wirksam, so liegt ein verzerrungs– und rauschfreies System vor, und es gilt:
+
*frequency-independent attenuation and delay.
$$v(t) = \alpha \cdot q(t- \tau).$$
 
  
Durch den Dämpfungsfaktor $α$ ist das Sinkensignal $υ(t)$ gegenüber dem Quellensignal $q(t)$ nur „leiser”. Auch eine Laufzeit $τ$ ist oft tolerabel, zumindest bei einer unidirektionalen Übertragung. Dagegen wird bei einer bidirektionalen Kommunikation – zum Beispiel einem Telefonat – schon eine Laufzeit von 300 Millisekunden als sehr störend empfunden.
 
  
==Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis (1)==
+
{{BlaueBox|TEXT=
Im allgemeinen Fall wird sich das Sinkensignal $υ(t)$ auch gegenüber $α · q(t – τ)$ unterscheiden, und es gilt für das Fehlersignal:  
+
$\text{Definition:}$&nbsp;  A&nbsp; &raquo;'''distortionless system'''&laquo;&nbsp; is achieved,&nbsp; if from the above list only the last restriction is effective:  
$$\varepsilon (t) = v(t) - \alpha \cdot q(t- \tau) = \varepsilon_{\rm V} (t) \varepsilon_{\rm St} (t).$$
+
:$$v(t) = \alpha \cdot q(t- \tau) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$}}
  
Dieses setzt sich aus zwei Anteilen zusammen:
 
*den linearen und nichtlinearen Verzerrungen $ε_{\rm V}(t)$, die durch Modulator, Kanal und Demodulator hervorgerufen werden können und deterministisches Verhalten zeigen,
 
*der stochastischen Komponente $ε_{\rm St}(t)$, die von der HF–Störung $n(t)$ am Demodulatoreingang herrührt. Im Gegensatz zu $n(t)$ handelt es sich bei $ε_{\rm St}(t)$ um eine niederfrequente Störung.
 
  
 +
*Due to the attenuation factor&nbsp; $α$,&nbsp; the sink signal &nbsp;$v(t)$ is only&nbsp; "quieter"&nbsp; compared to the source signal&nbsp; $q(t)$.
 +
 +
*Even a delay&nbsp; $τ$&nbsp; is often tolerable,&nbsp; at least for a unidirectional transmission.
 +
 +
*In contrast,&nbsp; in bidirectional communications – such as a telephone call – a delay of&nbsp; $300$&nbsp; milliseconds is already perceived as a significant disturbance.
  
Als Maß für die Qualität des Nachrichtensystems wird das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis $ρ_υ$ an der Sinke als Quotient der Leistungen (Varianzen) von Nutzanteil $υ(t) – ε(t)$ und Störanteil $ε(t)$ definiert:  
+
==Signal–to–noise (power) ratio==
$$P_{v -\varepsilon= \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int\limits_{0}^{  T_{\rm M}}
+
<br>
{[v(t)-\varepsilon(t)]^2 }\hspace{0.1cm}{\rm d}t,$$
+
In the general case,&nbsp; the sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; will still differ from&nbsp; $α · q(t - τ)$,&nbsp; and the error signal is characterized by:
$$P_{\varepsilon}  = \overline{\varepsilon^2(t)} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int\limits_{0}^{  T_{\rm M}}
+
:$$\varepsilon (t) = v(t) - \alpha \cdot q(t- \tau) = \varepsilon_{\rm V} (t) \varepsilon_{\rm St} (t).$$
{\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t$$
 
$$\Rightarrow \hspace{0.5cm}\rho_{v} = \frac{  P_{v -\varepsilon}}{P_{\varepsilon}} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
Für die Leistung des Nutzanteils erhält man unabhängig von der Laufzeit $τ$:
+
This error signal is composed of two components:
$$P_{v -\varepsilon} = \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \overline{\alpha^2 \cdot q^2(t - \tau)}= \alpha^2 \cdot P_{q}.$$
+
*linear and nonlinear distortions&nbsp; (German:&nbsp; "Verzerrungen" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript "V")&nbsp; $ε_{\rm V}(t)$,&nbsp; which are caused by the frequency responses of the modulator,&nbsp; the channel,&nbsp; and the demodulator and thus exhibit deterministic&nbsp; (time-invariant)&nbsp; behavior;
Hierbei bezeichnet $P_q$ die Leistung des Quellensignals $q(t)$:
+
*a stochastic component $ε_{\rm St}(t)$,&nbsp; which originates from the high-frequency noise  &nbsp; $n(t)$&nbsp; at the demodulator input.&nbsp; However,&nbsp; unlike &nbsp; $n(t)$,&nbsp; $ε_{\rm St}(t)$&nbsp; is usually due to a low-frequency noise disturbance in a demodulator with a low-pass&nbsp;characteristic curve.
$$P_{q}  =  \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int\limits_{0}^{ T_{\rm M}} {q^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t .$$
 
Damit erhält man:
 
$$\rho_{v} = \frac{\alpha^2 \cdot  P_{q}}{P_{\varepsilon}}  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}\rho_{v} =
 
10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} \frac{\alpha^2 \cdot  P_{q}}{P_{\varepsilon}} \hspace{0.05cm}.$$
 
Im Folgenden bezeichnen wir $ρ_υ$ kurz als das Sinken–SNR (''Signal–to–Noise–Ratio'') und 10 · lg $ρ_υ$ als den Sinken–Störabstand, der bei Verwendung des Zehner–Logarithmus (lg) in dB angegeben wird.  
 
  
==Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis (2)==
 
{{Beispiel}}
 
Nachfolgend sehen Sie einen beispielhaften Ausschnitt des (blauen) Quellensignals $q(t)$ und des (roten) Sinkensignals $υ(t)$, die sich deutlich voneinander unterscheiden.
 
  
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; As a measure of the quality of the communication system,&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''signal-to-noise (power) ratio'''&laquo;&nbsp; $\rm (SNR)$&nbsp; $ρ_v$&nbsp; at the sink is defined as the quotient of the signal power (variance) of the useful component &nbsp;$v(t) - ε(t)$&nbsp; and the disturbing component &nbsp;$ε(t)$,&nbsp; respectively:
 +
:$$\rho_{v} = \frac{  P_{v -\varepsilon} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm},\hspace{0.7cm}\text{with}\hspace{0.7cm} P_{v -\varepsilon}  = \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{  T_{\rm M} }
 +
{\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2 }\hspace{0.1cm}{\rm d}t,\hspace{0.5cm}
 +
P_{\varepsilon}  = \overline{\varepsilon^2(t)} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{  T_{\rm M} }
 +
{\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}.$$}}
  
[[File:P_ID941__Mod_T_1_2_S2_neu.png | Beispiel für ein Fehlersignal]]
 
  
 +
For the power of the useful part,&nbsp; we obtain regardless of the delay time &nbsp;$τ$:
 +
:$$P_{v -\varepsilon} = \overline{\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2} = \overline{\alpha^2 \cdot q^2(t - \tau)}= \alpha^2 \cdot P_{q}.$$
 +
Here, &nbsp;$P_q$&nbsp; denotes the power of the source signal&nbsp; $q(t)$:
 +
:$$P_{q}  =  \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{0}^{  T_{\rm M}} {q^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t .$$
  
Die mittlere Grafik macht jedoch deutlich, dass der wesentliche Unterschied zwischen $q(t)$ und $υ(t)$ auf den Dämpfungsfaktor $α =$ 0.7 und die Laufzeit $τ =$ 0.1 Millisekunden zurückzuführen ist.  
+
{{BlaueBox|TEXT=&nbsp;  This gives:
 +
:$$\rho_{v} = \frac{\alpha^2 \cdot  P_{q} }{P_{\varepsilon} }  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}\rho_{v} =
 +
10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} \frac{\alpha^2 \cdot  P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm}.$$
 +
*In the following,&nbsp; we will refer to &nbsp;$ρ_v$&nbsp; as the&nbsp; &raquo;'''sink signal–to–noise ratio'''&laquo; &nbsp; or short:&nbsp; &raquo;'''sink SNR'''&laquo;.
 +
*One often uses the logarithmic form &nbsp; &rArr; &nbsp; $10 · \lg \ ρ_v$&nbsp; which is expressed in&nbsp; $\rm dB$&nbsp; when using the logarithm of base ten &nbsp; $(\lg)$&nbsp;.}}
  
Die untere Skizze zeigt das verbleibende Fehlersignal $ε(t) = υ(t) – α · q(t – τ)$ nach Korrektur von Dämpfung und Laufzeit. Der quadratische Mittelwert (Varianz) dieses Signals ist die Störleistung $P_ε$.
 
  
Zur Berechnung des Sinken–SNR $ρ_υ$ muss $P_ε$ in Bezug zur Nutzleistung $α^2 · P_q$ gesetzt werden. Diese ergibt sich als die Varianz des in der mittleren Grafik hellblau eingezeichneten Signals $α · q(t τ)$. Mit den für diese Grafik vorausgesetzten Kenngrößen
+
[[File:P_ID941__Mod_T_1_2_S2_neu.png |right|frame|Illustrating the remaining error signal  &nbsp;$ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$]]
$$\alpha = 0.7\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}\alpha^2 \approx 0.5,  \hspace{0.2cm} P_{q} = 8\,{\rm V^2}, \hspace{0.2cm}{P_{\varepsilon}} = 0.04\,{\rm V^2}$$
+
{{GraueBox|TEXT=
ergibt sich das Sinken–SNR $ρ_υ$ ≈ 100 bzw. der Sinken–Störabstand 10 · lg $ρ_υ$ ≈ 20 dB.  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; On the right, you can see an exemplary section of the&nbsp; (blue)&nbsp; source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; and the&nbsp; (red)&nbsp; sink signal &nbsp;$v(t)$, which are noticeably different.  
{{end}}
 
  
 +
However, the middle graph makes it clear that the main difference between  &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$v(t)$&nbsp; is due to the  attenuation factor &nbsp;$α = 0.7$&nbsp; and the transmission delay &nbsp;$τ = 0.1\text{ ms}$.
  
Das Fehlersignal $ε(t)$ – und damit auch das Sinken–SNR $ρ_υ$ – berücksichtigt alle Unzulänglichkeiten des betrachteten Nachrichtenübertragungssystems (Verzerrungen, externe Störungen, Rauschen, usw.). Im Folgenden werden wir aus Darstellungsgründen die unterschiedlichen Effekte getrennt betrachten.  
+
The bottom sketch shows the remaining error signal &nbsp;$ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$&nbsp; after correcting for attenuation and delay.&nbsp; We refer to the mean square ⇒ "variance" of this signal as the noise power &nbsp;$P_ε$.  
  
==Untersuchungen im Hinblick auf Signalverzerrungen==
+
To calculate the sink SNR &nbsp;$ρ_v$&nbsp;, &nbsp;$P_ε$&nbsp; must be related to the useful signal power &nbsp;^2 · P_q$.&nbsp; This is obtained from the variance of the signal &nbsp;$α · q(t - τ)$,&nbsp; plotted in light blue in the middle graph.  
Alle in den folgenden Kapiteln beschriebenen Modulationsverfahren führen bei nichtidealen Bedingungen zu Verzerrungen, das heißt zu einem Sinkensignal $υ(t) ≠ α · q(t – τ)$, das sich nicht nur durch eine Dämpfung und eine Laufzeit von $q(t)$ unterscheidet. Für die Untersuchung und Beschreibung dieser Signalverfälschungen gehen wir stets von folgenden Voraussetzungen aus (siehe Grafik):
 
*Das additive Störsignal $n(t)$ am Kanalausgang (Demodulatoreingang) sei vernachlässigbar klein und wird nicht berücksichtigt.
 
*Alle Komponenten von Modulator und Demodulator seien linear, ebenso wie der Kanal, der somit durch seinen Frequenzgang $H_{\rm K}(f)$ vollständig beschrieben wird.
 
:[[File:P_ID944__Mod_T_1_2_S3_neu.png | Vereinfachtes Modell eines Übertragungssystems]]
 
  
 +
From the assumed properties &nbsp;$\alpha = 0.7$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $\alpha^2 \approx 0.5$&nbsp; as well as &nbsp;$P_{q} = 8\,{\rm V^2}$&nbsp; and &nbsp;${P_{\varepsilon} } = 0.04\,{\rm V^2}$&nbsp;, we obtain the sink SNR
 +
:$$ ρ_v ≈ 100 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}10 · \lg ρ_v ≈ 20\ \rm  dB.$$
  
Je nach Art und Realisierung von Modulator und Demodulator treten folgende Signalverfälschungen auf:
+
*The error signal &nbsp;$ε(t)$&nbsp; – and thus also the sink SNR &nbsp;$ρ_v$&nbsp;  – takes into account all imperfections of the transmission system under consideration (e.g. distortions, external interferences, noise, etc.).
*Lineare Verzerrungen, entsprechend der Beschreibung in Kapitel 2.3 des Buches „Lineare zeitinvariante Systeme”. Diese werden weiter in Dämpfungs– und Phasenverzerrungen unterteilt. Lineare Verzerrungen können im Allgemeinen durch einen Entzerrer kompensiert werden, was allerdings bei Vorhandensein einer stochastischen Störung $n(t)$ stets zu einer höheren Störleistung und damit zu einem geringeren Sinken–SNR führt.  
+
*In the following,&nbsp; we will consider each of these different effects separately for the sake of explanation.}}
*Nichtlineare Verzerrungen, die im Kapitel 2.2 des Buches „Lineare zeitinvariante Systeme” ausführlich behandelt werden. Diese sind irreversibel und damit eine stärkere Beeinträchtigung als lineare Verzerrungen. Zur quantitativen Erfassung solcher Verzerrungen eignet sich beispielsweise der Klirrfaktor $K$, der mit dem Sinken–SNR in folgendem Zusammenhang steht:
 
$$\rho_{v} = {1}/{K^2}  \hspace{0.05cm}.$$
 
:Die Angabe des Klirrfaktors setzt jedoch eine harmonische Schwingung als Quellensignal voraus.
 
  
 +
==Investigations with regard to signal distortions==
 +
<br>
 +
All modulation methods described in the following chapters lead to distortions under non-ideal conditions, i.e. to a sink signal &nbsp;
 +
[[File:EN_Mod_T_1_2_S3.png|right|frame| Simplified model of a communication system]]
 +
:$$v(t) ≠ α · q(t - τ),$$
 +
which differs from &nbsp;$q(t)$&nbsp; by more than just attenuation and delay.&nbsp; For the study of these signal distortions, we always assume the following model and premises:
  
Anzumerken ist, dass die Verzerrungen bezüglich $q(t)$ und $υ(t)$ stets dann von nichtlinearer Art sind, wenn der Kanal nichtlineare Komponenten beinhaltet und damit bereits nichtlineare Verzerrungen bezüglich der Signale $s(t)$ und $r(t)$ gegeben sind. Ebenso führen Nichtlinearitäten bei Modulator und Demodulator stets zu nichtlinearen Verzerrungen.  
+
*The additive noise signal &nbsp;$n(t)$&nbsp; at the channel output&nbsp; (demodulator input)&nbsp; is negligible and ignored.
 +
*All components of modulator and demodulator are treated as linear.
 +
*Similarly,&nbsp; the channel is assumed to be linear,&nbsp; and is thus completely characterized by its frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp;.
 +
<br clear=all>
 +
Depending on the type and realization of modulator and demodulator, the following signal distortions occur:
  
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Linear distortions}$,&nbsp;as described in the &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Linear_Distortions|"chapter of the same name"]]&nbsp; in the book "Linear and Time-Invariant Systems":
 +
*Linear distortions can generally be compensated by an equalizer,&nbsp; but this will always result in higher&nbsp; $P_\epsilon$&nbsp; and thus in a lower sink SNR in the presence of a stochastic disturbance  &nbsp;$n(t)$.
 +
*These linear distortions can be further divided into&nbsp; "attenuation distortions"&nbsp; and&nbsp; "phase distortions".
  
Wir verweisen hier auf drei grundlegende Lernvideos aus dem Buch „LZI–Systeme”:
 
  
Eigenschaften des Übertragungskanals (Dauer 5:50)
+
$\text{Nonlinear distortions}$,&nbsp;as described in the &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions|"chapter of the same name"]]&nbsp; in the book&nbsp; "Linear and Time-Invariant Systems":
 +
*Nonlinear distortions are irreversible and thus a more severe problem than linear distortions.
 +
*A suitable quantitative measure of such distortions is the distortion factor &nbsp;$K$,&nbsp; for example, which is related to the sink SNR in the following way: &nbsp; $\rho_{v} = {1}/{K^2} \hspace{0.05cm}.$
 +
*However,&nbsp; specifying a distortion factor assumes a harmonic oscillation as the source signal.}}
  
Einige Anmerkungen zur Übertragungsfunktion  (Dauer 9:08)
 
  
Lineare und nichtlineare Verzerrungen (3 Teile, Gesamtdauer 16:25)
+
We refer you to three of our&nbsp; (German language)&nbsp; basic learning videos:
 +
*[[Lineare_und_nichtlineare_Verzerrungen_(Lernvideo)|"Lineare und nichtlineare Verzerrungen"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Linear and nonlinear distortions",
 +
*[[Eigenschaften_des_Übertragungskanals_(Lernvideo)|"Eigenschaften des Übertragungskanals"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Properties of the transmission channel",
 +
*[[Einige_Anmerkungen_zur_Übertragungsfunktion_(Lernvideo)|"Einige Anmerkungen zur Übertragungsfunktion"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Some remarks on the transmission function".
  
==Einige Anmerkungen zum AWGN–Kanalmodell==
 
Zur Untersuchung des Rauschverhaltens der einzelnen Modulations– und Demodulationsverfahren gehen wir meist vom so genannten AWGN–Kanal aus, wobei die Abkürzung für Additive White Gaussian Noise steht und die Eigenschaften dieses Kanalmodells bereits hinreichend beschreibt:
 
  
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Two further points:}$
 +
#&nbsp; The distortions with respect to &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$v(t)$&nbsp; are nonlinear in nature whenever the channel contains nonlinear components and, as such, <br>nonlinear distortions are already present with respect to the signals &nbsp;$s(t)$&nbsp; and &nbsp;$r(t)$.
 +
#&nbsp; Similarly,&nbsp; nonlinearities in the modulator or demodulator always lead to nonlinear distortions.}}
  
*Das additive Störsignal beinhaltet alle Frequenzanteile gleichermaßen; $n(t)$ besitzt ein konstantes Leistungsdichtespektrum (LDS) und eine diracförmige Autokorrelationsfunktion (AKF):
 
$${\it \Phi}_n(f) = \frac{N_0}{2}\hspace{0.15cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,
 
\hspace{0.15cm} \varphi_n(\tau) = \frac{N_0}{2} \cdot \delta (\tau)\hspace{0.05cm}.$$
 
:Der Faktor 1/2 in diesen Gleichungen berücksichtigt jeweils die zweiseitige Spektraldarstellung.
 
  
 +
==Some remarks on the AWGN channel model==
 +
<br>
 +
To investigate the noise behavior of each individual modulation and demodulation method, the starting point is usually the so-called&nbsp; $\rm AWGN$&nbsp; channel, where the abbreviation stands for &nbsp;"$\rm A$dditive $\rm W$hite $\rm G$aussian $\rm N$oise".&nbsp; The name already sufficiently describes the properties of this channel model. 
  
*Beispielsweise gilt bei thermischem Rauschen für die physikalische Rauschleistungsdichte (das heißt: einseitige Betrachtungsweise) mit der Rauschzahl $F$ ≥ 1 und der absoluten Temperatur $θ$:
+
We would also like to refer you to the&nbsp; (German language)&nbsp; three-part learning video &nbsp;[[Der_AWGN-Kanal_(Lernvideo)|"Der AWGN-Kanal"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "The AWGN channel".
$${N_0}= F \cdot k_{\rm B} \cdot \theta , \hspace{0.3cm}k_{\rm B} =
 
1.38 \cdot 10^{-23}{ {\rm Ws} }/{ {\rm K} }\hspace{0.2cm}{\rm
 
(Boltzmann-Konstante)}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 
+
*The additive noise signal includes all frequency components equally &nbsp; &rArr; &nbsp; $n(t)$&nbsp; has a constant power-spectral density &nbsp; $\rm (PSD)$ and a Dirac-shaped auto-correlation function $\rm (ACF)$:
*Bei echt weißem Rauschen würde sich eine unendliche große Leistung ergeben. Deshalb ist stets eine Bandbegrenzung auf $B$ zu berücksichtigen, und es gilt für die wirksame Rauschleistung:  
+
:$${\it \Phi}_n(f) = \frac{N_0}{2}\hspace{0.15cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,
$$N = \sigma_n^2 = {N_0} \cdot B \hspace{0.05cm}.$$
+
\hspace{0.15cm} \varphi_n(\tau) = \frac{N_0}{2} \cdot \delta (\tau)\hspace{0.05cm}.$$
 
+
:In each case,&nbsp; the factor &nbsp;$1/2$&nbsp; in these equations accounts for the two-sided spectral representation.
 
+
*For example,&nbsp; in the case of thermal noise,&nbsp; for the physical noise power density&nbsp; (from a one-sided view)&nbsp; with a noise figure &nbsp;$F ≥ 1$&nbsp; and an absolute temperature &nbsp;$θ$:
*Die Amplitude $n$ des Störsignals besitzt eine Gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF) mit dem Störeffektivwert $σ_n$:
+
:$${N_0}= F \cdot k_{\rm B} \cdot \theta , \hspace{0.5cm}\text{Boltzmann constant:}\hspace{0.3cm}k_{\rm B} =
$$f_n(n) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\cdot\sigma_n}\cdot {\rm e}^{-{\it
+
1.38 \cdot 10^{-23}{ {\rm Ws} }/{ {\rm K} }\hspace{0.05cm}.$$
 +
*"True white noise"&nbsp; would result in infinitely large power.&nbsp;  Therefore,&nbsp; a bandwidth limit of  &nbsp;$B$&nbsp; must always be taken into account,&nbsp; and the following applies to the effective noise power:  
 +
:$$N = \sigma_n^2 = {N_0} \cdot B \hspace{0.05cm}.$$
 +
*The noise signal &nbsp;$n(t)$&nbsp; has a Gaussian probability density function $\rm (PDF)$ &nbsp; &rArr; a normal amplitude distribution with standard deviation &nbsp;$σ_n$:
 +
:$$f_n(n) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\cdot\sigma_n}\cdot {\rm e}^{-{\it
 
n^{\rm 2}}/{(2\sigma_{\it n}^2)}}.$$
 
n^{\rm 2}}/{(2\sigma_{\it n}^2)}}.$$
 +
*For the AWGN channel,&nbsp; one should actually set &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$.&nbsp;  However,&nbsp; we modify this model for our purposes by allowing frequency-independent attenuation&nbsp; <br>(note:&nbsp; a frequency-independent attenuation factor does not lead to further distortions):
 +
:$$H_{\rm K}(f) = \alpha_{\rm K}= {\rm const.}$$
  
  
*Eigentlich ist beim AWGN–Kanal $H_{\rm K}(f) =$ 1 zu setzen. Wir modifizieren dieses Modell für unsere Untersuchungen jedoch in der Form, dass wir eine frequenzunabhängige Dämpfung zulassen:
 
$$H_{\rm K}(f) = \alpha_{\rm K}= {\rm const.}$$
 
:Ein solcher frequenzunabhängiger Dämpfungsfaktor führt nicht zu Verzerrungen.
 
  
 +
==Investigations at the AWGN channel ==
 +
<br>
 +
In all investigations regarding noise behavior, we start from the block diagram sketched below.  We will always calculate the sink SNR  &nbsp;$ρ_v$&nbsp; as a function of all system parameters and arrive at the following results:
 +
[[File: EN_Mod_T_1_2_S5.png |right|frame| Block diagram for investigating noise behavior]]
  
Wir möchten Sie hier gerne auf ein dreiteiliges Lernvideo aus dem Buch „Stochastische Signaltheorie” hinweisen, in dem die Eigenschaften des AWGN–Kanals sehr detailliert beschrieben sind:  
+
*The more transmit power&nbsp; (German:&nbsp; "Sendeleistung" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript "S") &nbsp; $P_{\rm S}$&nbsp; we apply,&nbsp; the greater is the sink SNR &nbsp;$ρ_v$.&nbsp; For some methods,&nbsp; this relationship can even be linear.
 +
*$ρ_v$&nbsp; decreases monotonically with increasing noise power density &nbsp;$N_0$&nbsp;.&nbsp; An increase in &nbsp;$N_0$&nbsp; can usually be compensated by a larger transmit power &nbsp;$P_{\rm S}$.
 +
*The smaller the channel's &nbsp;$α_{\rm K}$&nbsp;parameter,&nbsp; the smaller &nbsp;$ρ_v$ becomes.&nbsp; There is often a quadratic relationship, since the received power&nbsp; (German:&nbsp; "Empfangsleistung" &nbsp; &rArr; subscript "E") &nbsp; is  &nbsp;$P_{\rm E} = {α_{\rm K}}^2 · P_{\rm S}$.
 +
*A wider bandwidth of the source signal  $($larger &nbsp;$B_{\rm NF})$&nbsp; requires an increased high-frequency bandwidth&nbsp;$B_{\rm HF}$,&nbsp; too &nbsp; &rArr; &nbsp; this leads to smaller sink SNR  &nbsp;$ρ_v$ &nbsp; &rArr; &nbsp; negative effect on the transmission system's quality.
  
Der AWGN-Kanal – Teil 1  (Dauer 6:00)
 
  
Der AWGN-Kanal – Teil 2  (Dauer 5:15)
 
  
Der AWGN-Kanal – Teil 3 (Dauer 6:15)
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; Considering these four assumptions, we conclude that it makes sense to express the sink SNR in normalized form as
 +
:$$\rho_{v } = \rho_{v }(\xi) \hspace{0.5cm} {\rm with} \hspace{0.5cm}\xi = \frac{ {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }{N_0 \cdot B_{\rm NF} }.$$
 +
&nbsp; In the following,&nbsp; we refer to &nbsp; $ξ$&nbsp; as the&nbsp; &raquo;'''performance parameter'''&laquo;.}}
  
==Untersuchungen beim AWGN–Kanal (1)==
 
Bei allen Untersuchungen hinsichtlich des Rauschverhaltens gehen wir von folgendem Blockschaltbild aus:
 
  
 +
The input variables summarized in &nbsp;$ξ$&nbsp; are marked with blue arrows in the above block diagram, while the quality criterion &nbsp;$ρ_v$&nbsp; is highlighted by the red arrow.
 +
* The larger&nbsp; $ξ$&nbsp; is,&nbsp; the larger is &nbsp; $\rho_{v }$ in general.
 +
* But the relationship is not always linear,&nbsp; as the following example shows.
  
[[File: P_ID945__Mod_T_1_2_S5_neu.png | Blockschaltbild zur Untersuchung des Rauschverhaltens]]
 
  
 +
[[File:P_ID947__Mod_T_1_2_S5b_neu.png |right|frame| The AWGN Channel]]
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;  The left graph shows the sink SNR &nbsp;$ρ_v$&nbsp; of three different systems,&nbsp; each as a function of the normalized performance parameter &nbsp;
 +
:$$\xi = { {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }/({N_0 \cdot B_{\rm NF} }).$$
  
Wir werden dabei stets das Sinken–SNR $ρ_υ$ in Abhängigkeit aller Systemparameter berechnen und zu folgenden Ergebnissen kommen:
+
*For &nbsp;$\text{System A}$,&nbsp; $ρ_ν = ξ$&nbsp; holds.&nbsp; The system parameters
*Je mehr Sendeleistung $P_{\rm S}$ aufgewendet wird, desto besser ist das Sinken–SNR $ρ_υ$. Bei einigen Verfahren ergibt sich sogar ein linearer Zusammenhang.
+
:$$P_{\rm S}= 10 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
*Dagegen nimmt $ρ_υ$ mit steigender Rauschleistungsdichte $N_0$ monoton ab. Eine Vergrößerung von $N_0$ kann meist durch eine größere Sendeleistung ausgeglichen werden.  
+
\alpha_{\rm K} = 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$
*Je kleiner der Dämpfungsfaktor $α_{\rm K}$ ist – das heißt, je stärker der Kanal dämpft – um so kleiner wird $ρ_υ$. Es besteht oft eine quadratische Abhängigkeit, da die Empfangsleistung $P_{\rm E} = {α_{\rm K}}^2 · P_{\rm S}$ ist.  
+
:$$ {N_0} =
*Auch ein breitbandigeres Quellensignal (größeres $B_{\rm NF}$) führt zu einem kleineren $ρ_υ$, da dadurch auch die HF–Bandbreite vergrößert werden muss und somit mehr Störungen wirksam werden.
+
10^{-12}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 +
B_{\rm NF}= 10\; {\rm kHz}$$
  
 +
:give &nbsp;$ξ = ρ_v = 10000$&nbsp; (see the circular mark on the graph).&nbsp;
 +
*Exactly the same sink SNR would result from the parameters
 +
:$$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 +
\alpha_{\rm K} = 10^{-6}\hspace{0.05cm},$$
 +
:$${N_0} =
 +
10^{-16}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 +
B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
 +
*In &nbsp;$\text{System B}$,&nbsp; there is also a linear relationship of &nbsp;$ρ_v = ξ/3$.&nbsp; The line also passes through the origin.&nbsp;  However, the slope is only  &nbsp;$1/3$.
 +
*It should be noted that the noise behavior corresponding to &nbsp;$\text{System A}$&nbsp; is observed for &nbsp; [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Description_in_the_frequency_domain|$\text{double-sideband suppressed-carrier amplitude modulation}$]]&nbsp; $($modulation depth &nbsp;$m → ∞)$,&nbsp; while &nbsp;$\text{System B}$&nbsp; describes &nbsp;  [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Double-Sideband_Amplitude_Modulation_with_carrier|$\text{double-sideband amplitude modulation with carrier}$]]&nbsp; $(m ≈ 0.5)$. 
 +
*$\text{System C}$&nbsp; shows a completely different noise behavior.&nbsp;  For small &nbsp;$ξ$&ndash;values,&nbsp; this system is superior to &nbsp;$\text{System A}$,&nbsp; though the quality of both systems is the same at &nbsp;$ξ = 10000$.
  
Unter Berücksichtigung dieser vier Aussagen kommt man zu dem Schluss, dass es Sinn macht, das Sinken–SNR in der Form
 
$$\rho_{v } = \rho_{v }(\xi) \hspace{0.5cm} {\rm mit} \hspace{0.5cm}\xi = \frac{ {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S}}{{N_0} \cdot B_{\rm NF}}$$
 
  
normiert darzustellen. Die in $ξ$ zusammengefassten Eingangsgrößen sind in obigem Bild mit blauen Pfeilen markiert, während das Qualitätskriterium $ρ_υ$ durch den roten Pfeil hervorgehoben ist.  
+
Increasing the performance parameter &nbsp;$ξ$&nbsp; does not significantly improve &nbsp;$\text{System C}$,&nbsp; unlike in $\text{System A}$.&nbsp; Such behavior can be observed,&nbsp; for example,&nbsp; in digital systems where the sink SNR is limited by the quantization noise.&nbsp;  Along the horizontal section of the curve,&nbsp; a higher transmit power  will not result in a better sink SNR – and thus a smaller bit error probability.
  
==Untersuchungen beim AWGN–Kanal (2)==
+
Usually,&nbsp; the quantities &nbsp;$ρ_v$&nbsp; and &nbsp;$ξ$&nbsp; are represented in logarithmic form,&nbsp; as shown in the graph on the right:
{{Beispiel}}
+
*The double logarithmic representation still results in the angle bisector for &nbsp;$\text{System A}$&nbsp;.  
In der linken Grafik ist das Sinken–SNR $ρ_υ$ für drei verschiedene Systeme dargestellt, jeweils in Abhängigkeit von der normierten Leistungskenngröße
+
*The lower slope&nbsp; $($factor $3)$&nbsp; of  &nbsp;$\text{System B}$&nbsp; now results in a downward shift of &nbsp;$10 · \lg 3 ≈ 5\text{ dB}$.  
$$\xi = { {\alpha_{\rm K}}^2 \cdot P_{\rm S}}/({{N_0} \cdot B_{\rm NF}}).$$
+
*The intersection of &nbsp;$\text{A}$&nbsp; and &nbsp;$\text{C}$&nbsp; shifts from &nbsp;$ξ = ρ_v = 10000$&nbsp; to &nbsp;$10 · \lg ξ = 10 · \lg ρ_v = 40\text{ dB}$ due to the double-logarithmic representation. }}
 
 
 
 
[[File:P_ID947__Mod_T_1_2_S5b_neu.png | Untersuchungen beim AWGN–Kanal]]
 
 
 
 
 
Beim System '''A''' gilt $ρ_ν = ξ$. Beispielsweise führen die Systemparameter
 
$$P_{\rm S}= 10 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 
\alpha_{\rm K} = 10^{-4}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {N_0} =
 
10^{-12}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 
B_{\rm NF}= 10\; {\rm kHz}$$
 
  
Auch beim System '''B''' besteht mit $ρ_υ = ξ/3$ ein linearer Zusammenhang. Anzumerken ist, dass ein Rauschverhalten entsprechend den Systemen A bzw. B bei Zweiseitenband–Amplitudenmodulation mit Modulationsgrad $m → ∞$ bzw. $m$ ≈ 0.5 festzustellen ist (siehe Kapitel 2.2).
 
  
 +
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_1.2:_Distortions%3F_Or_no_Distortion%3F|Exercise 1.2: &nbsp;  Distortion? Or no distortion?]]
  
Das System '''C''' zeigt ein völlig anderes Rauschverhalten. Für kleine Werte von $ξ$ ist dieses System dem System A überlegen, während für $ξ =$ 10000 die Qualität beider Systeme gleich ist. Durch eine Erhöhung von $ξ$ kann das System C im Gegensatz zum System A nicht signifikant verbessert werden.  
+
[[Aufgaben:Exercise_1.2Z:_Linear_Distorting_System|Exercise 1.2Z: &nbsp; Linear distorting system]]
  
Ein solches Verhalten ist zum Beispiel bei Digitalsystemen feststellbar, bei denen das Sinken–SNR durch das Quantisierungsrauschen begrenzt wird. Befindet man sich bereits auf dem horizontalen Abschnitt der Kurve, so ist durch eine größere Sendeleistung – und damit verbunden eine kleinere Bitfehlerwahrscheinlichkeit – kein besseres Sinken–SNR zu erzielen.  
+
[[Aufgaben:Exercise_1.3:_System_Comparison_at_AWGN_Channel|Exercise 1.3: &nbsp;  System comparison at the AWGN channel]]
  
Meist werden die Größen $ρ_υ$ und $ξ$ in logarithmierter Form dargestellt, wie in der rechten Grafik zu sehen. Durch die doppelt–logarithmische Darstellung ergibt sich für das System A weiterhin die Winkelhalbierende. Die geringere Steigung (Faktor 3) von System B führt nun zu einer Verschiebung um 10 · lg 3 ≈ 5 dB nach unten. Der Schnittpunkt der Systeme A und C verschiebt sich durch die doppelt–logarithmische Transformation von $ξ = ρ_υ =$ 10000 auf 10 · lg $ξ =$ 10 · lg $ρ_υ =$ 40 dB.
+
[[Aufgaben:Exercise_1.3Z:_Thermal_Noise|Exercise 1.3Z: &nbsp; Thermal noise]]
{{end}}
 
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 19:01, 12 January 2023

Ideal and distortionless system


Block diagram describing modulation and demodulation

In all subsequent chapters, the following model will be assumed:

The task of any message transmission system is

  • to provide a sink signal  $v(t)$  at a spatially distant sink
  • that differs as little as possible from the source signal   $q(t)$ .


$\text{Definition:}$  An  »ideal system«  is achieved when the following conditions hold:

$$v(t) = q(t) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$

This takes into account that  $n(t) \equiv 0$  is physically impossible due to  $\text{thermal noise}$.


In practice,  the signals  $q(t)$  and  $v(t)$  will not differ by more than the noise term  $n(t)$  for the following reasons:

  • Non-ideal realization of the modulator and the demodulator,
  • linear attenuation distortions and phase distortions,  as well as nonlinearities,
  • external disturbances and additional stochastic noise processes,
  • frequency-independent attenuation and delay.


$\text{Definition:}$  A  »distortionless system«  is achieved,  if from the above list only the last restriction is effective:

$$v(t) = \alpha \cdot q(t- \tau) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$


  • Due to the attenuation factor  $α$,  the sink signal  $v(t)$ is only  "quieter"  compared to the source signal  $q(t)$.
  • Even a delay  $τ$  is often tolerable,  at least for a unidirectional transmission.
  • In contrast,  in bidirectional communications – such as a telephone call – a delay of  $300$  milliseconds is already perceived as a significant disturbance.

Signal–to–noise (power) ratio


In the general case,  the sink signal  $v(t)$  will still differ from  $α · q(t - τ)$,  and the error signal is characterized by:

$$\varepsilon (t) = v(t) - \alpha \cdot q(t- \tau) = \varepsilon_{\rm V} (t) + \varepsilon_{\rm St} (t).$$

This error signal is composed of two components:

  • linear and nonlinear distortions  (German:  "Verzerrungen"   ⇒   subscript "V")  $ε_{\rm V}(t)$,  which are caused by the frequency responses of the modulator,  the channel,  and the demodulator and thus exhibit deterministic  (time-invariant)  behavior;
  • a stochastic component $ε_{\rm St}(t)$,  which originates from the high-frequency noise   $n(t)$  at the demodulator input.  However,  unlike   $n(t)$,  $ε_{\rm St}(t)$  is usually due to a low-frequency noise disturbance in a demodulator with a low-pass characteristic curve.


$\text{Definition:}$  As a measure of the quality of the communication system,  the  »signal-to-noise (power) ratio«  $\rm (SNR)$  $ρ_v$  at the sink is defined as the quotient of the signal power (variance) of the useful component  $v(t) - ε(t)$  and the disturbing component  $ε(t)$,  respectively:

$$\rho_{v} = \frac{ P_{v -\varepsilon} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm},\hspace{0.7cm}\text{with}\hspace{0.7cm} P_{v -\varepsilon} = \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } {\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2 }\hspace{0.1cm}{\rm d}t,\hspace{0.5cm} P_{\varepsilon} = \overline{\varepsilon^2(t)} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}.$$


For the power of the useful part,  we obtain regardless of the delay time  $τ$:

$$P_{v -\varepsilon} = \overline{\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2} = \overline{\alpha^2 \cdot q^2(t - \tau)}= \alpha^2 \cdot P_{q}.$$

Here,  $P_q$  denotes the power of the source signal  $q(t)$:

$$P_{q} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M}} {q^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t .$$

  This gives:

$$\rho_{v} = \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}\rho_{v} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm}.$$
  • In the following,  we will refer to  $ρ_v$  as the  »sink signal–to–noise ratio«   or short:  »sink SNR«.
  • One often uses the logarithmic form   ⇒   $10 · \lg \ ρ_v$  which is expressed in  $\rm dB$  when using the logarithm of base ten   $(\lg)$ .


Illustrating the remaining error signal  $ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$

$\text{Example 1:}$  On the right, you can see an exemplary section of the  (blue)  source signal  $q(t)$  and the  (red)  sink signal  $v(t)$, which are noticeably different.

However, the middle graph makes it clear that the main difference between  $q(t)$  and  $v(t)$  is due to the attenuation factor  $α = 0.7$  and the transmission delay  $τ = 0.1\text{ ms}$.

The bottom sketch shows the remaining error signal  $ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$  after correcting for attenuation and delay.  We refer to the mean square ⇒ "variance" of this signal as the noise power  $P_ε$.

To calculate the sink SNR  $ρ_v$ ,  $P_ε$  must be related to the useful signal power  $α^2 · P_q$.  This is obtained from the variance of the signal  $α · q(t - τ)$,  plotted in light blue in the middle graph.

From the assumed properties  $\alpha = 0.7$   ⇒   $\alpha^2 \approx 0.5$  as well as  $P_{q} = 8\,{\rm V^2}$  and  ${P_{\varepsilon} } = 0.04\,{\rm V^2}$ , we obtain the sink SNR

$$ ρ_v ≈ 100 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}10 · \lg ρ_v ≈ 20\ \rm dB.$$
  • The error signal  $ε(t)$  – and thus also the sink SNR  $ρ_v$  – takes into account all imperfections of the transmission system under consideration (e.g. distortions, external interferences, noise, etc.).
  • In the following,  we will consider each of these different effects separately for the sake of explanation.

Investigations with regard to signal distortions


All modulation methods described in the following chapters lead to distortions under non-ideal conditions, i.e. to a sink signal  

Simplified model of a communication system
$$v(t) ≠ α · q(t - τ),$$

which differs from  $q(t)$  by more than just attenuation and delay.  For the study of these signal distortions, we always assume the following model and premises:

  • The additive noise signal  $n(t)$  at the channel output  (demodulator input)  is negligible and ignored.
  • All components of modulator and demodulator are treated as linear.
  • Similarly,  the channel is assumed to be linear,  and is thus completely characterized by its frequency response  $H_{\rm K}(f)$ .


Depending on the type and realization of modulator and demodulator, the following signal distortions occur:

$\text{Linear distortions}$, as described in the  "chapter of the same name"  in the book "Linear and Time-Invariant Systems":

  • Linear distortions can generally be compensated by an equalizer,  but this will always result in higher  $P_\epsilon$  and thus in a lower sink SNR in the presence of a stochastic disturbance  $n(t)$.
  • These linear distortions can be further divided into  "attenuation distortions"  and  "phase distortions".


$\text{Nonlinear distortions}$, as described in the  "chapter of the same name"  in the book  "Linear and Time-Invariant Systems":

  • Nonlinear distortions are irreversible and thus a more severe problem than linear distortions.
  • A suitable quantitative measure of such distortions is the distortion factor  $K$,  for example, which is related to the sink SNR in the following way:   $\rho_{v} = {1}/{K^2} \hspace{0.05cm}.$
  • However,  specifying a distortion factor assumes a harmonic oscillation as the source signal.


We refer you to three of our  (German language)  basic learning videos:


$\text{Two further points:}$

  1.   The distortions with respect to  $q(t)$  and  $v(t)$  are nonlinear in nature whenever the channel contains nonlinear components and, as such,
    nonlinear distortions are already present with respect to the signals  $s(t)$  and  $r(t)$.
  2.   Similarly,  nonlinearities in the modulator or demodulator always lead to nonlinear distortions.


Some remarks on the AWGN channel model


To investigate the noise behavior of each individual modulation and demodulation method, the starting point is usually the so-called  $\rm AWGN$  channel, where the abbreviation stands for  "$\rm A$dditive $\rm W$hite $\rm G$aussian $\rm N$oise".  The name already sufficiently describes the properties of this channel model.

We would also like to refer you to the  (German language)  three-part learning video  "Der AWGN-Kanal"   ⇒   "The AWGN channel".

  • The additive noise signal includes all frequency components equally   ⇒   $n(t)$  has a constant power-spectral density   $\rm (PSD)$ and a Dirac-shaped auto-correlation function $\rm (ACF)$:
$${\it \Phi}_n(f) = \frac{N_0}{2}\hspace{0.15cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.15cm} \varphi_n(\tau) = \frac{N_0}{2} \cdot \delta (\tau)\hspace{0.05cm}.$$
In each case,  the factor  $1/2$  in these equations accounts for the two-sided spectral representation.
  • For example,  in the case of thermal noise,  for the physical noise power density  (from a one-sided view)  with a noise figure  $F ≥ 1$  and an absolute temperature  $θ$:
$${N_0}= F \cdot k_{\rm B} \cdot \theta , \hspace{0.5cm}\text{Boltzmann constant:}\hspace{0.3cm}k_{\rm B} = 1.38 \cdot 10^{-23}{ {\rm Ws} }/{ {\rm K} }\hspace{0.05cm}.$$
  • "True white noise"  would result in infinitely large power.  Therefore,  a bandwidth limit of  $B$  must always be taken into account,  and the following applies to the effective noise power:
$$N = \sigma_n^2 = {N_0} \cdot B \hspace{0.05cm}.$$
  • The noise signal  $n(t)$  has a Gaussian probability density function $\rm (PDF)$   ⇒ a normal amplitude distribution with standard deviation  $σ_n$:
$$f_n(n) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\cdot\sigma_n}\cdot {\rm e}^{-{\it n^{\rm 2}}/{(2\sigma_{\it n}^2)}}.$$
  • For the AWGN channel,  one should actually set  $H_{\rm K}(f) = 1$.  However,  we modify this model for our purposes by allowing frequency-independent attenuation 
    (note:  a frequency-independent attenuation factor does not lead to further distortions):
$$H_{\rm K}(f) = \alpha_{\rm K}= {\rm const.}$$


Investigations at the AWGN channel


In all investigations regarding noise behavior, we start from the block diagram sketched below. We will always calculate the sink SNR  $ρ_v$  as a function of all system parameters and arrive at the following results:

Block diagram for investigating noise behavior
  • The more transmit power  (German:  "Sendeleistung"   ⇒   subscript "S")   $P_{\rm S}$  we apply,  the greater is the sink SNR  $ρ_v$.  For some methods,  this relationship can even be linear.
  • $ρ_v$  decreases monotonically with increasing noise power density  $N_0$ .  An increase in  $N_0$  can usually be compensated by a larger transmit power  $P_{\rm S}$.
  • The smaller the channel's  $α_{\rm K}$ parameter,  the smaller  $ρ_v$ becomes.  There is often a quadratic relationship, since the received power  (German:  "Empfangsleistung"   ⇒ subscript "E")   is  $P_{\rm E} = {α_{\rm K}}^2 · P_{\rm S}$.
  • A wider bandwidth of the source signal $($larger  $B_{\rm NF})$  requires an increased high-frequency bandwidth $B_{\rm HF}$,  too   ⇒   this leads to smaller sink SNR  $ρ_v$   ⇒   negative effect on the transmission system's quality.


$\text{Conclusion:}$  Considering these four assumptions, we conclude that it makes sense to express the sink SNR in normalized form as

$$\rho_{v } = \rho_{v }(\xi) \hspace{0.5cm} {\rm with} \hspace{0.5cm}\xi = \frac{ {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }{N_0 \cdot B_{\rm NF} }.$$

  In the following,  we refer to   $ξ$  as the  »performance parameter«.


The input variables summarized in  $ξ$  are marked with blue arrows in the above block diagram, while the quality criterion  $ρ_v$  is highlighted by the red arrow.

  • The larger  $ξ$  is,  the larger is   $\rho_{v }$ in general.
  • But the relationship is not always linear,  as the following example shows.


The AWGN Channel

$\text{Example 2:}$  The left graph shows the sink SNR  $ρ_v$  of three different systems,  each as a function of the normalized performance parameter  

$$\xi = { {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }/({N_0 \cdot B_{\rm NF} }).$$
  • For  $\text{System A}$,  $ρ_ν = ξ$  holds.  The system parameters
$$P_{\rm S}= 10 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_{\rm K} = 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$
$$ {N_0} = 10^{-12}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} B_{\rm NF}= 10\; {\rm kHz}$$
give  $ξ = ρ_v = 10000$  (see the circular mark on the graph). 
  • Exactly the same sink SNR would result from the parameters
$$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_{\rm K} = 10^{-6}\hspace{0.05cm},$$
$${N_0} = 10^{-16}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
  • In  $\text{System B}$,  there is also a linear relationship of  $ρ_v = ξ/3$.  The line also passes through the origin.  However, the slope is only  $1/3$.
  • It should be noted that the noise behavior corresponding to  $\text{System A}$  is observed for   $\text{double-sideband suppressed-carrier amplitude modulation}$  $($modulation depth  $m → ∞)$,  while  $\text{System B}$  describes   $\text{double-sideband amplitude modulation with carrier}$  $(m ≈ 0.5)$.
  • $\text{System C}$  shows a completely different noise behavior.  For small  $ξ$–values,  this system is superior to  $\text{System A}$,  though the quality of both systems is the same at  $ξ = 10000$.


Increasing the performance parameter  $ξ$  does not significantly improve  $\text{System C}$,  unlike in $\text{System A}$.  Such behavior can be observed,  for example,  in digital systems where the sink SNR is limited by the quantization noise.  Along the horizontal section of the curve,  a higher transmit power will not result in a better sink SNR – and thus a smaller bit error probability.

Usually,  the quantities  $ρ_v$  and  $ξ$  are represented in logarithmic form,  as shown in the graph on the right:

  • The double logarithmic representation still results in the angle bisector for  $\text{System A}$ .
  • The lower slope  $($factor $3)$  of  $\text{System B}$  now results in a downward shift of  $10 · \lg 3 ≈ 5\text{ dB}$.
  • The intersection of  $\text{A}$  and  $\text{C}$  shifts from  $ξ = ρ_v = 10000$  to  $10 · \lg ξ = 10 · \lg ρ_v = 40\text{ dB}$ due to the double-logarithmic representation.


Exercises for the chapter


Exercise 1.2:   Distortion? Or no distortion?

Exercise 1.2Z:   Linear distorting system

Exercise 1.3:   System comparison at the AWGN channel

Exercise 1.3Z:   Thermal noise