Difference between revisions of "Signal Representation/Principles of Communication"

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Untermenü=Grundbegriffe der Nachrichtentechnik
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Untermenü=Basic Terms of Communications Engineering
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|Nächste Seite=Signal Classification
 
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}}
  
==Nachricht - Information - Signal==
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== # OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER # ==
Auf die ''Mengenlehre'' Bezug genommen
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<br>
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen den Begriffen Nachricht und Information, die heutzutage allerdings oft synonym verwendet werden.
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This first chapter serves as an&nbsp; &raquo;introduction to the whole topic&laquo;,&nbsp; which is covered by the nine books of the&nbsp; $\rm LNTwww$&nbsp; series.  
  
{{Beispiel}}
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This chapter describes in detail:
Eine Email von Herrn Maier an Frau Müller ist stets eine Nachricht. Für Frau Müller bedeutet der Erhalt dieser Email allerdings nur dann einen Informationsgewinn, wenn sie dadurch etwas Neues erfährt. Die durch eine Nachricht übermittelte Information hängt also in starkem Maße vom Kenntnisstand des Empfängers ab. In der Praxis ist die in einer Nachricht enthaltene Information eher gering, insbesondere im Anwendungsbereich Telefonie.
 
{{end}}
 
  
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#The&nbsp; &raquo;tasks  and basic structure&laquo;&nbsp;  of a transmission system,
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#the&nbsp; &raquo;main functional units&laquo;&nbsp; &nbsp; $($source,&nbsp; transmitter,&nbsp; channel,&nbsp; receiver,&nbsp; sink$)$&nbsp; of such a system,&nbsp; and finally
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#a&nbsp; &raquo;classification  of the signals&laquo;&nbsp; occurring in a transmission system according to several evaluation criteria: &nbsp; &nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; &raquo;deterministic or stochastic, energy or power limited, continuous or discrete time, continuous or discrete value, analog or digital&laquo;.
  
Für die Übertragung und die Speicherung einer Nachricht ist stets ein energetischer bzw. materieller Träger erforderlich, der Signal genannt wird. Physikalisch erfolgt die Darstellung einer Nachricht also durch Signale, die von ganz unterschiedlicher Natur sein können. Mögliche Erscheinungsformen sind:
 
*elektrische Signale (z. B. Strom- und Spannungsverlauf),
 
*elektromagnetische Wellen (z. B. bei der Funkübertragung),
 
*Verlauf von Druck, Temperatur oder anderer physikalischer Größen,
 
*akustische Signale (z. B. Ausgangssignal eines Lautsprechers),
 
*optische Signale (z. B. Ausgangssignal eines Lasers).
 
  
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At the end of the chapter follows a short summary about&nbsp; &raquo;Calculating with complex numbers&laquo;.
  
Die zur Nachrichtenübertragung verwendeten Signale sind in der Regel Zeitfunktionen. Das bedeutet, dass (zumindest) einer der Signalparameter abhängig vom Zeitparameter $t$ ist. Solche Signalparameter sind beispielsweise bei einem Signalton die Amplitude („Lautstärke“) und die Frequenz („Tonhöhe“).
 
In einem Nachrichtenspeicher werden die Zeitfunktionen oft auch auf räumliche Funktionen geeigneter physikalischer Größen wie Magnetisierung (Magnetband) oder Schwärzungsgrad (Film) abgebildet.
 
Die Menge aller Nachrichtensignale lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren, die im Kapitel 1.2 benannt werden.
 
  
  
==Blockschaltbild eines Nachrichtenübertragungssystems==
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==Message - Information - Signal==
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One distinguishes basically between the terms&nbsp; &raquo;message&laquo;&nbsp; and&nbsp; &raquo;information&laquo;,&nbsp; which are often used synonymously nowadays.
  
Im nachfolgenden Bild ist ein Nachrichtenübertragungssystem schematisch dargestellt.
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
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An e&ndash;mail from Mr. Maier to Mrs. Miller is always a&nbsp; &raquo;message&laquo;.&nbsp;
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*For Mrs. Miller,&nbsp; however,&nbsp;  receiving this e&ndash;mail only means an information gain if she learns something new.&nbsp;
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*The&nbsp; &raquo;information&laquo;&nbsp; transmitted by a message therefore depends to a great extent on the knowledge level of the recipient.&nbsp;
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*In practice,&nbsp; the information contained in a message is rather small,&nbsp; especially in the field of telephony.}}
  
[[File:P_ID336_Sig_T_1_2.png |400px | Allgemeines Blockschaltbild eines Nachrichtenübertragungssystems]]
 
  
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The transmission of messages &nbsp;  and their storage always requires an energetic or material carrier called&nbsp; &raquo;signal&laquo;.&nbsp; Physically the representation of a message is done by signals,&nbsp; which can be of very different nature.
  
Die einzelnen Systemkomponenten haben folgende Aufgaben:
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Possible appearances are:
*Die Nachrichtenquelle liefert das Quellensignal $q(t)$, das über den Nachrichtenkanal zur räumlich entfernten Sinke übertragen werden soll. Die Nachrichtenquelle kann zum Beispiel ein Computer, ein Radiosender oder ein Fernsprechteilnehmer sein.
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#Electrical signals&nbsp; $($e.g.&nbsp; current and voltage curves$)$,
*Meist ist das Quellensignal $q(t)$ selbst für die Übertragung ungeeignet und muss erst in geeigneter Weise in das Signal $s(t)$ umgewandelt werden. Dieser Vorgang wird Modulation genannt und vom Sender bewerkstelligt. Deshalb wird $s(t)$ im Folgenden als das Sendesignal bezeichnet.
+
#electromagnetic waves&nbsp; $($e.g.&nbsp; in radio transmission$)$,
*Bei der Übertragung über den Kanal wird dieses Signal $s(t)$ in seiner Form verändert; gleichzeitig addieren sich mehr oder weniger starke Stör- und Rauschsignale. Das Signal am Kanalausgang und gleichzeitig am Empfängereingang bezeichnen wir als das Empfangssignal $r(t)$.
+
#progression of pressure,&nbsp; temperature or other physical quantities,
*Der Empfänger muss die beim Sender vorgenommene Wandlung wieder rückgängig machen. Wurde beispielsweise das niederfrequente Quellensignal $q(t)$ in das höherfrequente Sendesignal $s(t)$ umgesetzt, so muss der Empfänger auch einen Demodulator beinhalten.
+
#acoustic signals&nbsp; $($e.g.&nbsp; output signal of a loudspeaker$)$,
*Der letzte Block in obigem Bild ist die Nachrichtensinke. Das Sinkensignal $v(t)$ ist wie das zu übertragende Signal $q(t)$ wieder niederfrequent. Im Idealfall, der in der Praxis allerdings nie exakt erreicht werden kann, sollte für alle Zeiten $v(t) = q(t)$ gelten.
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#optical signals&nbsp; $($e.g.&nbsp; output signal of a laser$)$.
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{{BlaueBox|TEXT= 
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$\text{Please note:}$&nbsp;
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*The signals used for&nbsp; &raquo;$\text{data transmission}$&laquo;&nbsp; are usually time functions.&nbsp; This means that&nbsp; $($at least$)$ one of the signal parameters is dependent on the time parameter&nbsp; $t$.&nbsp; Such parameters for a signal tone are e.g. the amplitude&nbsp; $($&raquo;volume&laquo;$)$&nbsp; and the frequency&nbsp; $($&raquo;pitch&laquo;$)$.
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*For storing messages &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;$\text{data storage}$&laquo;&nbsp; the time functions are often mapped to spatial functions of suitable physical quantities such as magnetization&nbsp; $($&raquo;magnetic band&laquo;$)$&nbsp; or degree of blackening&nbsp; $($&raquo;film&laquo;$)$.}}
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The set of all message signals can be cataloged by different criteria,&nbsp; as described in the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification|&raquo;Signal classification&laquo;]].&nbsp;
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==Block diagram of a transmission system==
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<br>
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In the following diagram a transmission system  is shown schematically.
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[[File:EN_Sig_T_1_1_S2_neu.png|center|frame| General block diagram of a transmission system]]
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The individual system components have the following tasks:
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*The&nbsp; &raquo;'''message source'''&laquo;&nbsp; returns the&nbsp; &raquo;source signal&laquo;&nbsp; $q(t)$,&nbsp; which shall be transmitted over the channel to the spatially distant sink.&nbsp; The source can be for example a computer,&nbsp; a radio station or a telephone participant.
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*In most cases the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; itself is unsuitable for transmission and must first be converted into the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; in a suitable manner.&nbsp; This process is called&nbsp; &raquo;modulation&laquo;&nbsp; and is performed by the&nbsp; &raquo;'''transmitter'''&laquo;.&nbsp;  In the following,&nbsp; the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is called&nbsp; &raquo;transmitted signal&laquo;.
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*During transmission over the&nbsp; &raquo;'''channel'''&laquo;&nbsp; the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is changed in its form.&nbsp; At the same time,&nbsp; interference and noise signals are added.&nbsp; The signal at the channel output and simultaneously at the receiver input is called the&nbsp; &raquo;received signal&laquo;&nbsp; $r(t)$.
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*The&nbsp; &raquo;'''receiver'''&laquo;&nbsp; must undo the conversion made by the transmitter.&nbsp; If,&nbsp; for example,&nbsp; the low-frequency source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; was converted to the higher-frequency transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; the receiver must also contain a&nbsp; &raquo;demodulator&laquo;&nbsp; and undo this conversion.
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*The last block in the model above is the&nbsp; &raquo;'''message sink'''&laquo;.&nbsp; The&nbsp; &raquo;sink signal&laquo;&nbsp; $v(t)$&nbsp; is like the  source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; low-frequency.&nbsp; In the ideal case should apply for all times:&nbsp; $v(t) = q(t)$.&nbsp; But in practice&nbsp; this can never be reached exactly&nbsp; $($due to the unavoidable noise$)$. 
 +
  
 
  
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==Message source==
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<br>
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As examples for message sources and for the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; can be mentioned:
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#Audio signals,&nbsp; e.g.&nbsp; speech or music,
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#video signals,&nbsp; e.g.&nbsp; an analog television signal or an MPEG encoded streaming video,
 +
#data signals,&nbsp; e.g.&nbsp; the data stream of a USB interface or an email on the Internet,
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#measure signals,&nbsp; e.g.&nbsp; for control or regulation in a production process.
  
==Nachrichtenquelle==
 
  
Als Beispiele für Nachrichtenquellen bzw. für das Quellensignal $q(t)$ können genannt werden:
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In general,&nbsp; a distinction is made between analog and digital sources.&nbsp;  The description presented in this book apply equally to analog and digital signals.&nbsp; The basic differences between analog and digital signals are discussed in the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification|&raquo;Signal classification&laquo;]],&nbsp; and  clarified  with examples throughout the&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video
*Audiosignale, z. B. Sprache oder Musik,
+
:[[Analoge und digitale Signale (Lernvideo)|&raquo;Analoge und digitale Signale&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Analog and Digital Signals".
*Videosignale, z. B. ein analoges Fernsehsignal oder MPEG-codiertes Streaming-Video,
 
*Datensignale, z. B. der Datenstrom einer USB-Schnittstelle oder eine Email im Internet,
 
*Messsignale, z. B. zur Steuerung oder zur Regelung in einem Produktionsprozess.
 
  
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[[File:EN_Sig_T_1_1_S3.png|right|frame|Frequency-time representation of a speech signal]]
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 2:}$&nbsp;
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On the right you see the frequency-time representation of a speech signal:
  
Man unterscheidet zwischen analogen und digitalen Nachrichtenquellen. Nähere Informationen hierüber finden Sie im Kapitel 1.2 und dem nachfolgenden Lernvideo:
 
[http://{{SERVERNAME}}/mediawiki/swf_files/Buch1/Signale0.swf Analoge und digitale Signale (Dauer Teil 1: 3:46; Teil 2: 3:28)]
 
  
  
Die im Buch dargelegten Beschreibungsformen gelten für Analogsignale und Digitalsignale gleichermaßen.
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 +
*You can see the different frequency components in the kilohertz range at different times.
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 +
*By the way:&nbsp; This is a male speaker.
  
  
{{Beispiel}}
 
  
[[File:P_ID592_Sig_T_1_1_S3_rah.png|right|250px|Frequenz-Zeitdarstellung eines Sprachsignals]]
 
  
Nebenstehend sehen Sie die Frequenz–Zeitdarstellung eines Sprachsignals (wir bedanken uns bei Markus Kaindl, LNT/TUM, für die Bereitstellung dieser Grafik).
 
  
  
Man erkennt zu unterschiedlichen Zeiten die verschiedenen Frequenzanteile im kHz-Bereich. Es handelt sich hierbei um einen männlichen Sprecher.
+
We thank&nbsp; Markus Kaindl<ref>Kaindl, M.: Kanalcodierung für Sprache und Daten in GSM-Systemen. Dissertation. <br>Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU München. VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 10, Nr. 764, 2005.</ref>, LNT/TUM,&nbsp; for providing the graphic.}}
{{end}}
 
  
 
 
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 +
==Tasks of the transmitter==
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<br>
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The essential task of the transmitter is to convert the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; into the transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; in such a way that it is adapted as well as possible to the transmission channel while maintaining the specified performance characteristics.&nbsp; For this purpose each transmitter contains corresponding&nbsp; &raquo;'''functional units'''&laquo;&nbsp; such as
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 +
*a transducer &ndash; e.g.&nbsp; a microphone for converting the physical quantity&nbsp; "pressure"&nbsp; $($acoustic wave$)$&nbsp; into an electrical signal,
  
+
*a signal converter &ndash; for example from&nbsp; &raquo;analog&laquo;&nbsp; to&nbsp; &raquo;digital&laquo;&nbsp; using the components&nbsp; &raquo;sampling&laquo;,&nbsp; &raquo;quantization&raquo;&nbsp; and&nbsp; &raquo;PCM encoding&raquo;,
==Aufgaben des Senders==
 
  
Die wesentliche Aufgabe des Nachrichtensenders ist es, das Quellensignal $q(t)$ derart in ein Sendesignal $s(t)$ umzuformen, dass dieses unter Einhaltung vorgegebener Leistungsmerkmale möglichst gut an den Übertragungskanal angepasst ist. Dazu enthält jeder Sender entsprechende Funktionseinheiten wie
+
*an encoder for removing redundancy to data compression &nbsp; $($&raquo;source coding&laquo;$)$&nbsp; or <br>for systematically adding redundancy,&nbsp; which can be used at the receiver for&nbsp; &raquo;error detection&laquo; &nbsp; and/or&nbsp; &raquo;error correction&laquo; &nbsp; $($&raquo;channel coding&laquo;$)$,
  
*Wandler – z. B. ein Mikrofon zur Umwandlung der physikalischen Größe „Druck” (akustische Welle) in ein elektrisches Signal,
+
*a modulator for adaptation to the transmission channel &ndash; for example a frequency conversion by means of amplitude,&nbsp; phase or frequency modulation or the corresponding digital methods ASK,&nbsp; PSK,&nbsp; FSK.
*Signalumsetzer – beispielsweise von „analog” nach „digital” mit Hilfe der Komponenten Abtastung, Quantisierung und Binärcodierung,
 
*Codierer zum Entfernen von Redundanz zur Datenkomprimierung (Quellencodierung) oder zum systematischen Hinzufügen von Redundanz, die beim Empfänger zur Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur genutzt werden kann (Kanalcodierung),
 
*Modulator zur Anpassung an den Übertragungskanal – z. B. eine Frequenzumsetzung mittels Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation bzw. den entsprechenden digitalen Verfahren.
 
  
  
Je nach Anwendung bedeuten die obigen Leistungsmerkmale, dass für die Signalübertragung ganz spezifische Eigenschaften gefordert werden. Solche Merkmale sind beispielsweise:
+
Depending on the application,&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''performance characteristics'''&laquo; mentioned above mean that very specific properties are required for signal transmission.  
  
*Leistungsbegrenzung – aufgrund der Diskussionen zum Thema Elektrosmog hochaktuell,
+
Such features are for example:
*Bandbreiteneffizienz – die UMTS-Versteigerung hat gezeigt, um welche Beträge es geht,
 
*Distanz bzw. Reichweite – ungünstige Werte erhöhen die Kosten der Infrastruktur,
 
*Übertragungsqualität – z. B. ein hoher Signal-zu-Störabstand oder eine geringe Fehlerrate. 
 
  
 +
#&raquo;Power limitation&laquo;&nbsp; &ndash; due to the discussions on the topic&nbsp; "electrosmog"&nbsp; highly topical,
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#&raquo;bandwidth efficiency&laquo;&nbsp; &ndash; the UMTS auction in 2000 has shown what magnitudes are involved,
 +
#&raquo;distance&laquo;&nbsp; or&nbsp; &raquo;range&laquo;&nbsp; &ndash; unfavorable values increase the infrastructure costs,
 +
#&raquo;transmission quality&laquo;&nbsp; &ndash; for example a high signal-to-noise ratio or a low error rate. 
  
  
 
   
 
   
==Übertragungskanal== 
+
==Transmission channel== 
 +
<br>
 +
The&nbsp; &raquo;'''transmission medium'''&laquo;&nbsp; with its physical properties plays an essential role in the feasibility of certain transmission properties.
  
Bei der Realisierbarkeit bestimmter Übertragungseigenschaften spielt das Übertragungsmedium mit seinen physikalischen Eigenschaften eine wesentliche Rolle.
+
Examples of transmission media are:
Beispiele für Übertragungsmedien sind:
+
#Electrical cables,&nbsp; e.g.&nbsp; copper wire,&nbsp; twisted pair,
*elektrische Leitungen, z. B. Kupferdraht, Twisted Pair,
+
#coaxial cable,&nbsp; e.g.&nbsp; antenna line or cable network,
*Koaxialkabel, z. B. Antennenleitung oder Kabelnetz,
+
#fiber optic cables,&nbsp; e.g.&nbsp; multi-mode and single-mode fiber optic,
*Lichtwellenleiter, z. B. Multimode- und Monomodeglasfaser,
+
#radio channels,&nbsp; e.g.&nbsp; broadcasting,&nbsp; mobile and satellite radio.
*Funkkanäle, z. B. Rundfunk, Mobilfunk und Satellitenfunk.
 
  
  
Diese Übertragungsmedien sind in der Praxis nicht ideal und beeinträchtigen die Übertragung. Dies bedeutet: Das Empfangssignal $r(t)$ unterscheidet sich vom Sendesignal $s(t)$ aufgrund
+
{{BlaueBox|TEXT= 
*der Kanaldämpfung,
+
$\text{Please note:}$&nbsp; These transmission media are not ideal in practice and impair the transmission.&nbsp; That means: &nbsp;
*von Laufzeiten auf dem Kanal,
 
*von Verzerrungen linearer und nichtlinearer Art.
 
  
 +
The received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; is different from the transmitted signal&nbsp; $s(t)$,&nbsp; possibly due to
 +
*the channel attenuation,
  
Hinzu kommt, dass sich die Übertragungseigenschaften des Kanals – wie beispielsweise beim Mobilfunk – mit der Zeit stark verändern können (Zeitvarianz).
+
*delays on the channel,
Zusätzlich sind stets die bei der Signalübertragung auftretenden Störsignale zu berücksichtigen. Hier kann man als Beispiele nennen:
 
*Rauschsignale – z. B. Widerstands- und Halbleiterrauschen,
 
*Impulsstörungen – z. B. Starkstromleitungen, Funkenstörungen und Entladungen,
 
*Nachbarkanalstörungen (Übersprechen anderer Nutzer, Interferenzen, Kreuzmodulation).
 
  
 +
*linear and nonlinear distortions.
  
Sie finden einige grundlegende Details über die Modellierung des Nachrichtenkanals allgemein und des recht einfachen AWGN-Kanalmodells in nachfolgendem Lernvideo:
 
[http://{{SERVERNAME}}/mediawiki/swf_files/Buch1/Kanal.swf Eigenschaften des Übertragungskanals (Dauer 5:50)]
 
  
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&rArr; &nbsp; In addition, the channel transmission properties can change significantly over time&nbsp; $($&raquo;'''time variance'''&laquo;,&nbsp; example:&nbsp; mobile radio$)$.
 
   
 
   
 +
&rArr; &nbsp; Also&nbsp; &raquo;'''interfering signals'''&laquo;&nbsp; that occur during signal transmission must always be taken into account.&nbsp; The following are examples of these:
 +
*Noise signals,&nbsp; e.g.&nbsp; resistance and semiconductor noise,
 +
 +
*pulse disturbances,&nbsp; e.g.&nbsp; from power lines,&nbsp; spark interference and discharges,
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*adjacent channel interference&nbsp; $($cross-talk of other users,&nbsp; cross-modulation$)$.}}
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 +
 +
&nbsp; &rArr; &nbsp; You will find basic information about modeling the transmission channel in general and the simple&nbsp; &raquo;AWGN channel&laquo;&nbsp; in the the&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video
 +
:[[Eigenschaften_des_Übertragungskanals_(Lernvideo)|&raquo;Eigenschaften des Übertragungskanals&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Properties of the Transmission Channel".
 +
 +
 +
 +
==Receiver - Message sink==
 +
<br>
 +
As examples of the message sinks we can mention
 +
#eye and ear of man,
 +
#video recorder and call recorder,
 +
#a smartphone that downloads a file from the Internet,
 +
#a control system that processes received measurement signals.
 +
 +
 +
To ensure that at least in the  ideal case the sink signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; could coincide with the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; &ndash; in practice however never attainable &ndash; all measures taken on the transmission side must be reversed by the receiver.
 +
 +
Corresponding&nbsp; &raquo;'''functional units'''&laquo;&nbsp; of a receiver are:
 +
*Transducer &ndash; e.g.&nbsp;  a loudspeaker to convert an electric signal into an acoustic signal&nbsp; $($counterpart of the microphone$)$,
  
 +
*signal reconstruction &ndash; e.g.&nbsp;  the reconstruction of the analog signal from the digital samples&nbsp; $(\rm D/A$&nbsp; converter &nbsp; &rArr; &nbsp; counterpart to an&nbsp; $\rm A/D$&nbsp; converter$)$,
  
==Empfänger – Nachrichtensinke==
+
*channel decoder &ndash; for example with the possibility of error detection and error correction&nbsp; $($counterpart of the channel encoder$)$.
  
Als Beispiele für die Nachrichtensinke können wir nennen:
 
*Auge und Ohr des Menschen,
 
*Videorecorder und Anrufaufzeichner,
 
*ein Personalcomputer, der eine Datei aus dem Internet herunterlädt, oder
 
*eine Steuerungsanlage, die empfangene Messsignale verarbeitet.
 
  
 +
Another important task of the receiver is to eliminate as much as possible the signal distortions and noise that occur during transmission.&nbsp; The realization of such system components for transmitters and receivers is done by different electrical networks and assemblies.
  
Damit zumindest im – in der Praxis allerdings nie erreichbaren – Idealfall das Sinkensignal $v(t)$ mit dem Quellensignal $q(t)$ übereinstimmen könnte, müssen durch den Empfänger alle sendeseitig getroffenen Maßnahmen rückgängig gemacht werden. Eine weitere wichtige Aufgabe des Empfängers besteht darin, die bei der Übertragung aufgetretenen Signalverfälschungen und Störungen möglichst gut zu beseitigen.
+
Here too,&nbsp; some functional units can be named as examples:
Entsprechende Funktionseinheiten des Empfängers können sein:
+
*Amplifier,&nbsp; filter and equalizer,
*Wandler – zum Beispiel ein Lautsprecher zur Umwandlung eines elektrischen in ein akustisches Signal (Gegenstück zum Mikrofon),
 
*Signalrücksetzung – zum Beispiel die Rekonstruktion des Analogsignals aus den digitalen Abtastwerten (Gegenstück zum A/D-Wandler),
 
*Decodierung – zum Beispiel mit der Möglichkeit zur Fehlererkennung und Fehlerkorrektur (Gegenstück zum Kanalcodierer),
 
*Demodulation – zum Beispiel Frequenzrücksetzung des Signals in den ursprünglichen Frequenzbereich (Gegenstück zum AM/FM/PM-Modulator).
 
  
 +
*oscillators and nonlinear components for&nbsp; demodulation and synchronization,
  
Die Realisierung solcher Systemkomponenten für Sender und Empfänger geschieht durch verrschiedene elektrische Netzwerke und Baugruppen. Auch hier lassen sich beispielhaft einige Funktionseinheiten nennen:
+
*digital signal processing components and signal processors.
*Verstärker, Filter und Entzerrer,
 
*Oszillatoren und nichtlineare Komponenten zur (De-)Modulation und Synchronisation,
 
*digitale Signalverarbeitungskomponenten und Signalprozessoren.
 
  
 
    
 
    
 +
 +
==Signal distortions==
 +
<br>
 +
It has already been mentioned that ideally&nbsp; $v(t) = q(t)$&nbsp; should be valid.&nbsp; However,&nbsp; as with any real transmission channel &nbsp; $r(t) \neq s(t)$,&nbsp; the sink signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; will be different from the source signal&nbsp; $q(t)$.&nbsp; Here are some examples:
 +
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; One speaks of&nbsp; &raquo;'''noise'''&laquo;,&nbsp; if for the sink signal applies:
 +
:: <math> v(t)=q(t)+n(t).</math>
 +
*The additive noise component&nbsp; $n(t)$&nbsp; is always of stochastic nature and usually has no relation to the source signal&nbsp; $q(t)$.&nbsp;
 +
 +
*Such a noise component is inevitable for every transmission.}}
 +
 +
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp; The transmission is&nbsp; &raquo;'''distortion&ndash;free'''&laquo;,&nbsp; if the sink signal is as follows:
 +
:: <math>v(t)=\alpha \cdot q(t-\tau)+n(t).</math>
 +
In this case the sink signal differs from the source signal except for the noise component&nbsp; $n(t)$&nbsp; only by
 +
* the&nbsp;  attenuation factor&nbsp; $\alpha$&nbsp; $($same for all frequencies),&nbsp; and
 +
 +
*the&nbsp;  delay time&nbsp; $\tau$&nbsp; $($also the same for all frequencies$)$.}}
 +
 +
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;  If the equation&nbsp; $v(t)=\alpha \cdot q(t-\tau)+n(t)$&nbsp; is not fulfilled,&nbsp; then there are&nbsp; &raquo;'''distortions'''&laquo;.&nbsp;
 +
 +
As described in the book&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems|&raquo;Linear and Time Invariant Systems&laquo;]]&nbsp; one distinguishes between
 +
* &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Lineare_Verzerrungen|&raquo;linear distortions&laquo;]],&nbsp;
 +
 +
* &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions|&raquo;nonlinear distortions&laquo;]].
 +
 +
 +
&rArr; &nbsp; In this context we refer to the&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video&nbsp;
 +
:[[Lineare_und_nichtlineare_Verzerrungen_(Lernvideo)|&raquo;Lineare und nichtlineare Verzerrungen&laquo;]]&nbsp; &rArr; &nbsp; "Linear and nonlinear distortions".
 +
}}
 +
 +
 
 +
Here again in slightly different words:
 +
*The attenuation factor&nbsp; $\alpha$&nbsp; only causes the signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; to be slightly&nbsp; &raquo;quieter&laquo;&nbsp; than&nbsp; $q(t)$;&nbsp; but both signals have the same shape.
 +
 +
*The delay&nbsp; $\tau$&nbsp; causes the signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; to arrive at the receiver later than&nbsp; $q(t)$&nbsp; was sent.
 +
  
+
Both effects are not particularly disturbing for a&nbsp; &raquo;<b>unidirectional transmission</b>&laquo;:<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; For example,&nbsp; one can still speak of a live transmission if the television picture arrives delayed by&nbsp; $($a fraction of$)$&nbsp; seconds. 
==Signalverfälschungen==
+
 
 +
However,&nbsp; with&nbsp; &raquo;<b>bidirectional transmission</b>&laquo;,&nbsp; a  long runtime can lead to problems:<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;  During a telephone conversation,&nbsp; the two interlocutors then interrupt each other. 
 +
  
Es wurde bereits angesprochen, dass im Idealfall $v(t) = q(t)$ sein sollte. Gilt jedoch wie bei jedem realen Übertragungskanal $r(t) \neq s(t)$, so wird sich natürlich auch das Sinkensignal $v(t)$ vom Quellensignal $q(t)$ unterscheiden. Hierzu einige Beispiele:
+
{{GraueBox|TEXT=
*Man spricht von Rauschen, wenn für das Sinkensignal gilt:
+
[[File:P_ID587_Sig_T_1_1_S7a.jpg|right|frame|Color template to illustrate <br>"distortion"&nbsp; and&nbsp; "noise"]] 
: <math> v(t)=q(t)+n(t)</math>
+
$\text{Example 3:}$&nbsp; The terms used here shall now be clarified by an image signal.  
:Der additive Rauschanteil n(t) ist stets von stochastischer Natur und hat meist keinerlei Bezug zum Nachrichtensignal $q(t)$. Ein solcher Rauschterm ist bei jeder Übertragung unvermeidlich.
 
*Die Übertragung ist verzerrungsfrei, wenn das Sinkensignal wie folgt lautet:
 
: <math>v(t)=a*q(t-\tau)+n(t)</math>
 
*Das Sinkensignal unterscheidet sich also – außer durch den Störanteil $n(t)$ – nur durch den (für alle Frequenzen gleichen) Dämpfungsfaktor $\alpha$ und die (für alle Frequenzen gleiche) Laufzeit $\tau$.
 
  
Der Dämpfungsfaktor bewirkt, dass das Signal $v(t)$ die gleiche Form wie $q(t)$ hat und nur etwas „leiser“ ist. Die Laufzeit führt dazu, dass das Signal $v(t)$ am Empfänger später ankommt, als $q(t)$ gesendet wurde. Beide Effekte sind für die (unidirektionale) Übertragung nicht sonderlich störend.
+
On the right you see as original image a color template with&nbsp; $291 × 218$&nbsp; pixels and&nbsp; $24$&nbsp; bit color depth.&nbsp; From the possible&nbsp; $2^{24} = 16\hspace{0.08cm} 777\hspace{0.08cm} 216$&nbsp; colors only a few colors are used here.
Ist die obige Gleichung nicht erfüllt, so liegen Verzerrungen vor. Wie im Buch [[Lineare zeitinvariante Systeme]] noch beschrieben wird, unterscheidet man hier zwischen linearen und nichtlinearen Verzerrungen.  
 
  
{{Beispiel}}
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&rArr; &nbsp; In the lower left image,&nbsp; the signal is superposed with additive noise&nbsp; $n(t)$&nbsp; which is perceived as&nbsp; "snow".
Die hier benutzten Begriffe sollen nun an einem Bildsignal verdeutlicht werden. Nachfolgend sehen Sie als Orginalbild eine Farbschablone mit 291 × 218 Pixeln und 24 Bit Farbtiefe. Von den 224 möglichen Farben sind hier allerdings nur wenige benutzt.
 
  
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[[File:P_ID588_Sig_T_1_1_S7b.jpg|center|frame|Effects of&nbsp; &raquo;noise&laquo;&nbsp; and&nbsp; &raquo;distortion&laquo;&nbsp; on an image signal]]
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The lower right image shows the influence of&nbsp; $($nonlinear$)$&nbsp; distortions,&nbsp; which lead to a distortion of both brightness values and color information at the selected setting of the CCD camera.&nbsp; You can see:
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#In the marked field of the gray staircase,&nbsp; the brightness corresponds approximately to the original image&nbsp; $($above on the right $)$.
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#On the other hand,&nbsp; other fields appear as too light or too dark or filled with missing colors.
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#Noise effects play no role in the lower right image as opposed to the lower left image.
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#These linear distortions are no longer detectable due to the strong nonlinear distortions.
  
[[File:P_ID587_Sig_T_1_1_S7a.jpg|150px|Farbschablone zur Verdeutlichung von Verzerrungen und Rauschen]]
 
[[File:P_ID588_Sig_T_1_1_S7b.jpg|300px|Auswirkungen von Rauschen und Verzerrungen auf ein Bildsignal]]
 
  
 +
}}
  
In Bild 2 ist dem Signal ein additives Rauschsignal $n(t)$ überlagert, was sich als „Schnee” bemerkbar macht. Bild 3 zeigt den Einfluss von (nichtlinearen) Verzerrungen, die bei der gewählten Einstellung der CCD-Kamera sowohl zu einer Verfälschung der Helligkeitswerte als auch der Farbinformation führen. Im markierten Feld der Grautreppe stimmt die Helligkeit näherungsweise mit dem Orginalbild (Bild 1) überein. Dagegen erscheinen andere Felder als zu hell oder zu dunkel bzw. mit Fehlfarben belegt. Rauscheffekte spielen im rechten Bild im Gegensatz zum linken Bild keine Rolle.
 
{{end}}
 
  
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==Exercises for the chapter==
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<br>
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[[Aufgaben:Exercise 1.1: Music Signals|Exercise 1.1: Music Signals]]
  
 +
[[Aufgaben:Exercise_1.1Z:_ISDN-Connection|Exercise 1.1Z: ISDN Connection]]
  
 +
== References ==
  
==Aufgaben==
 
[[Aufgaben:1.1 Musiksignale]]
 
  
 
{{Display}}
 
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Latest revision as of 19:56, 6 June 2023

# OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER #


This first chapter serves as an  »introduction to the whole topic«,  which is covered by the nine books of the  $\rm LNTwww$  series.

This chapter describes in detail:

  1. The  »tasks and basic structure«  of a transmission system,
  2. the  »main functional units«    $($source,  transmitter,  channel,  receiver,  sink$)$  of such a system,  and finally
  3. a  »classification of the signals«  occurring in a transmission system according to several evaluation criteria:    
        »deterministic or stochastic, energy or power limited, continuous or discrete time, continuous or discrete value, analog or digital«.


At the end of the chapter follows a short summary about  »Calculating with complex numbers«.


Message - Information - Signal


One distinguishes basically between the terms  »message«  and  »information«,  which are often used synonymously nowadays.

$\text{Example 1:}$  An e–mail from Mr. Maier to Mrs. Miller is always a  »message«. 

  • For Mrs. Miller,  however,  receiving this e–mail only means an information gain if she learns something new. 
  • The  »information«  transmitted by a message therefore depends to a great extent on the knowledge level of the recipient. 
  • In practice,  the information contained in a message is rather small,  especially in the field of telephony.


The transmission of messages   and their storage always requires an energetic or material carrier called  »signal«.  Physically the representation of a message is done by signals,  which can be of very different nature.

Possible appearances are:

  1. Electrical signals  $($e.g.  current and voltage curves$)$,
  2. electromagnetic waves  $($e.g.  in radio transmission$)$,
  3. progression of pressure,  temperature or other physical quantities,
  4. acoustic signals  $($e.g.  output signal of a loudspeaker$)$,
  5. optical signals  $($e.g.  output signal of a laser$)$.


$\text{Please note:}$ 

  • The signals used for  »$\text{data transmission}$«  are usually time functions.  This means that  $($at least$)$ one of the signal parameters is dependent on the time parameter  $t$.  Such parameters for a signal tone are e.g. the amplitude  $($»volume«$)$  and the frequency  $($»pitch«$)$.
  • For storing messages   ⇒   »$\text{data storage}$«  the time functions are often mapped to spatial functions of suitable physical quantities such as magnetization  $($»magnetic band«$)$  or degree of blackening  $($»film«$)$.


The set of all message signals can be cataloged by different criteria,  as described in the chapter  »Signal classification«


Block diagram of a transmission system


In the following diagram a transmission system is shown schematically.

General block diagram of a transmission system

The individual system components have the following tasks:

  • The  »message source«  returns the  »source signal«  $q(t)$,  which shall be transmitted over the channel to the spatially distant sink.  The source can be for example a computer,  a radio station or a telephone participant.
  • In most cases the source signal  $q(t)$  itself is unsuitable for transmission and must first be converted into the signal  $s(t)$  in a suitable manner.  This process is called  »modulation«  and is performed by the  »transmitter«.  In the following,  the signal  $s(t)$  is called  »transmitted signal«.
  • During transmission over the  »channel«  the signal  $s(t)$  is changed in its form.  At the same time,  interference and noise signals are added.  The signal at the channel output and simultaneously at the receiver input is called the  »received signal«  $r(t)$.
  • The  »receiver«  must undo the conversion made by the transmitter.  If,  for example,  the low-frequency source signal  $q(t)$  was converted to the higher-frequency transmitted signal  $s(t)$  the receiver must also contain a  »demodulator«  and undo this conversion.
  • The last block in the model above is the  »message sink«.  The  »sink signal«  $v(t)$  is like the source signal  $q(t)$  low-frequency.  In the ideal case should apply for all times:  $v(t) = q(t)$.  But in practice  this can never be reached exactly  $($due to the unavoidable noise$)$.


Message source


As examples for message sources and for the source signal  $q(t)$  can be mentioned:

  1. Audio signals,  e.g.  speech or music,
  2. video signals,  e.g.  an analog television signal or an MPEG encoded streaming video,
  3. data signals,  e.g.  the data stream of a USB interface or an email on the Internet,
  4. measure signals,  e.g.  for control or regulation in a production process.


In general,  a distinction is made between analog and digital sources.  The description presented in this book apply equally to analog and digital signals.  The basic differences between analog and digital signals are discussed in the chapter  »Signal classification«,  and clarified with examples throughout the  $($German language$)$  learning video

»Analoge und digitale Signale«   ⇒   "Analog and Digital Signals".
Frequency-time representation of a speech signal

$\text{Example 2:}$  On the right you see the frequency-time representation of a speech signal:



  • You can see the different frequency components in the kilohertz range at different times.
  • By the way:  This is a male speaker.




We thank  Markus Kaindl[1], LNT/TUM,  for providing the graphic.


Tasks of the transmitter


The essential task of the transmitter is to convert the source signal  $q(t)$  into the transmitted signal  $s(t)$  in such a way that it is adapted as well as possible to the transmission channel while maintaining the specified performance characteristics.  For this purpose each transmitter contains corresponding  »functional units«  such as

  • a transducer – e.g.  a microphone for converting the physical quantity  "pressure"  $($acoustic wave$)$  into an electrical signal,
  • a signal converter – for example from  »analog«  to  »digital«  using the components  »sampling«,  »quantization»  and  »PCM encoding»,
  • an encoder for removing redundancy to data compression   $($»source coding«$)$  or
    for systematically adding redundancy,  which can be used at the receiver for  »error detection«   and/or  »error correction«   $($»channel coding«$)$,
  • a modulator for adaptation to the transmission channel – for example a frequency conversion by means of amplitude,  phase or frequency modulation or the corresponding digital methods ASK,  PSK,  FSK.


Depending on the application,  the  »performance characteristics« mentioned above mean that very specific properties are required for signal transmission.

Such features are for example:

  1. »Power limitation«  – due to the discussions on the topic  "electrosmog"  highly topical,
  2. »bandwidth efficiency«  – the UMTS auction in 2000 has shown what magnitudes are involved,
  3. »distance«  or  »range«  – unfavorable values increase the infrastructure costs,
  4. »transmission quality«  – for example a high signal-to-noise ratio or a low error rate.


Transmission channel


The  »transmission medium«  with its physical properties plays an essential role in the feasibility of certain transmission properties.

Examples of transmission media are:

  1. Electrical cables,  e.g.  copper wire,  twisted pair,
  2. coaxial cable,  e.g.  antenna line or cable network,
  3. fiber optic cables,  e.g.  multi-mode and single-mode fiber optic,
  4. radio channels,  e.g.  broadcasting,  mobile and satellite radio.


$\text{Please note:}$  These transmission media are not ideal in practice and impair the transmission.  That means:  

The received signal  $r(t)$  is different from the transmitted signal  $s(t)$,  possibly due to

  • the channel attenuation,
  • delays on the channel,
  • linear and nonlinear distortions.


⇒   In addition, the channel transmission properties can change significantly over time  $($»time variance«,  example:  mobile radio$)$.

⇒   Also  »interfering signals«  that occur during signal transmission must always be taken into account.  The following are examples of these:

  • Noise signals,  e.g.  resistance and semiconductor noise,
  • pulse disturbances,  e.g.  from power lines,  spark interference and discharges,
  • adjacent channel interference  $($cross-talk of other users,  cross-modulation$)$.


  ⇒   You will find basic information about modeling the transmission channel in general and the simple  »AWGN channel«  in the the  $($German language$)$  learning video

»Eigenschaften des Übertragungskanals«   ⇒   "Properties of the Transmission Channel".


Receiver - Message sink


As examples of the message sinks we can mention

  1. eye and ear of man,
  2. video recorder and call recorder,
  3. a smartphone that downloads a file from the Internet,
  4. a control system that processes received measurement signals.


To ensure that at least in the ideal case the sink signal  $v(t)$  could coincide with the source signal  $q(t)$  – in practice however never attainable – all measures taken on the transmission side must be reversed by the receiver.

Corresponding  »functional units«  of a receiver are:

  • Transducer – e.g.  a loudspeaker to convert an electric signal into an acoustic signal  $($counterpart of the microphone$)$,
  • signal reconstruction – e.g.  the reconstruction of the analog signal from the digital samples  $(\rm D/A$  converter   ⇒   counterpart to an  $\rm A/D$  converter$)$,
  • channel decoder – for example with the possibility of error detection and error correction  $($counterpart of the channel encoder$)$.


Another important task of the receiver is to eliminate as much as possible the signal distortions and noise that occur during transmission.  The realization of such system components for transmitters and receivers is done by different electrical networks and assemblies.

Here too,  some functional units can be named as examples:

  • Amplifier,  filter and equalizer,
  • oscillators and nonlinear components for  demodulation and synchronization,
  • digital signal processing components and signal processors.


Signal distortions


It has already been mentioned that ideally  $v(t) = q(t)$  should be valid.  However,  as with any real transmission channel   $r(t) \neq s(t)$,  the sink signal  $v(t)$  will be different from the source signal  $q(t)$.  Here are some examples:

$\text{Definition:}$  One speaks of  »noise«,  if for the sink signal applies:

\[ v(t)=q(t)+n(t).\]
  • The additive noise component  $n(t)$  is always of stochastic nature and usually has no relation to the source signal  $q(t)$. 
  • Such a noise component is inevitable for every transmission.


$\text{Definition:}$  The transmission is  »distortion–free«,  if the sink signal is as follows:

\[v(t)=\alpha \cdot q(t-\tau)+n(t).\]

In this case the sink signal differs from the source signal except for the noise component  $n(t)$  only by

  • the  attenuation factor  $\alpha$  $($same for all frequencies),  and
  • the  delay time  $\tau$  $($also the same for all frequencies$)$.


$\text{Definition:}$  If the equation  $v(t)=\alpha \cdot q(t-\tau)+n(t)$  is not fulfilled,  then there are  »distortions«. 

As described in the book  »Linear and Time Invariant Systems«  one distinguishes between


⇒   In this context we refer to the  $($German language$)$  learning video 

»Lineare und nichtlineare Verzerrungen«  ⇒   "Linear and nonlinear distortions".


Here again in slightly different words:

  • The attenuation factor  $\alpha$  only causes the signal  $v(t)$  to be slightly  »quieter«  than  $q(t)$;  but both signals have the same shape.
  • The delay  $\tau$  causes the signal  $v(t)$  to arrive at the receiver later than  $q(t)$  was sent.


Both effects are not particularly disturbing for a  »unidirectional transmission«:
            For example,  one can still speak of a live transmission if the television picture arrives delayed by  $($a fraction of$)$  seconds.

However,  with  »bidirectional transmission«,  a long runtime can lead to problems:
            During a telephone conversation,  the two interlocutors then interrupt each other.


Color template to illustrate
"distortion"  and  "noise"

$\text{Example 3:}$  The terms used here shall now be clarified by an image signal.

On the right you see as original image a color template with  $291 × 218$  pixels and  $24$  bit color depth.  From the possible  $2^{24} = 16\hspace{0.08cm} 777\hspace{0.08cm} 216$  colors only a few colors are used here.

⇒   In the lower left image,  the signal is superposed with additive noise  $n(t)$  which is perceived as  "snow".

Effects of  »noise«  and  »distortion«  on an image signal

The lower right image shows the influence of  $($nonlinear$)$  distortions,  which lead to a distortion of both brightness values and color information at the selected setting of the CCD camera.  You can see:

  1. In the marked field of the gray staircase,  the brightness corresponds approximately to the original image  $($above on the right $)$.
  2. On the other hand,  other fields appear as too light or too dark or filled with missing colors.
  3. Noise effects play no role in the lower right image as opposed to the lower left image.
  4. These linear distortions are no longer detectable due to the strong nonlinear distortions.


Exercises for the chapter


Exercise 1.1: Music Signals

Exercise 1.1Z: ISDN Connection

References

  1. Kaindl, M.: Kanalcodierung für Sprache und Daten in GSM-Systemen. Dissertation.
    Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU München. VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 10, Nr. 764, 2005.