Aufgabe 2.6Z: Signal-to-Noise-Ratio (SNR)

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Verschiedene Leistungsdichtespektren

Wir gehen in dieser Aufgabe von folgenden Voraussetzungen aus:

  • ein cosinusförmiges Quellensignal:
$$ q(t) = 4 \,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi \cdot 5\,{\rm kHz} \cdot t )\hspace{0.05cm},$$
  • ZSB–AM durch Multiplikation mit
$$z(t) = 1 \cdot \cos(2 \pi \cdot 20\,{\rm kHz} \cdot t )\hspace{0.05cm},$$
  • eine frequenzunabhängige Dämpfung auf dem Kanal entsprechend  $α_{\rm K} = 10^{–4}$,
  • additives weißes Eingangsrauschen mit Rauschleistungsdichte  $N_0 = 4 · 10^{–19} \ \rm W/Hz$,
  • phasen– und frequenzsynchrone Demodulation durch Multiplikation mit gleichem  $z(t)$  wie beim Sender,
  • ein rechteckförmiger Tiefpass beim Synchrondemodulator mit Grenzfrequenz  $f_{\rm E} = 5 \ \rm kHz$.


In der Grafik sind diese Vorgaben im Spektralbereich dargestellt.  Ausdrücklich soll erwähnt werden, dass sich das Leistungsdichtespektrum  ${\it Φ}_z(f)$  der Cosinusschwingung  $z(t)$  ebenso wie das Amplitudenspektrum  $Z(f)$  aus zwei Diraclinien bei  $±f_{\rm T}$  zusammensetzt, aber mit dem Gewicht  $A^2/4$  anstelle von  $A/2$.  Die Amplitude ist bei dieser Aufgabe stets  $A=1$  zu setzen.

Das Sinkensignal  $v(t)$  setzt sich aus dem Nutzanteil  $α · q(t)$  und dem Rauschanteil  $ε(t)$  zusammen.  Somit gilt allgemein für das zu bestimmende Signal–zu–Rausch–Leistungsverhältnis:

$$ \rho_{v } = \frac{\alpha^2 \cdot P_q}{P_\varepsilon}\hspace{0.05cm}.$$

Dieses wichtige Qualitätskriterium wird häufig mit  SNR  (englisch:  Signal–to–Noise–Ratio) abgekürzt.




Hinweise:

  • Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Synchrondemodulation.
  • Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten  Berechnung der Rauschleistung  sowie  Zusammenhang zwischen $P_q$  und  $P_{\rm S}$.
  • Beachten Sie bitte auch, dass die Größen  $α$  und  $α_{\rm K}$  nicht unbedingt gleich sein müssen.
  • Alle Leistungen mit Ausnahme der Teilaufgabe  (1)  beziehen sich auf den Widerstand  $R = 50 \ \rm Ω$.
  • $P_q$  gibt bei „ZSB–AM ohne Träger” gleichzeitig die Sendeleistung  $P_{\rm S}$  an.


Fragebogen

1

Berechnen Sie die Sendeleistung bezogen auf den Einheitswiderstand  $R = 1 \ \rm Ω$.

$P_q \ = \ $

$\ \rm V^2$

2

Wie groß ist die Leistung  $P_q$  in „Watt” für den Widerstand  $R = 50 \ \rm Ω$?

$P_q \ = \ $

$\ \rm W$

3

Welcher Dämpfungsfaktor  $α$  ergibt sich für das Gesamtsystem?

$α \ = \ $

$\ \cdot 10^{-4}$

4

Berechnen Sie die Leistungsdichte der Rauschkomponente  $ε(t)$  am Ausgang.  Wie groß ist der Wert bei  $f = 0$?  Es gelte  $H_{\rm E}(f = 0) = 1$.

${\it Φ}_ε(f = 0) \ = \ $

$\ \cdot 10^{-19} \ \rm W/Hz$

5

Wie groß ist die Rauschleistung im Sinkensignal?

$P_ε \ = \ $

$\ \cdot 10^{-15} \ \rm W$

6

Wie groß ist das Signal–zu–Rausch–Leistungsverhältnis (SNR) an der Sinke?  Welcher dB–Wert ergibt sich daraus?

$ρ_v \ = \ $

$10 · \lg ρ_v \ = \ $

$\ \rm dB$


Musterlösung

(1)  Das Leistungsdichtespektrum eines Cosinussignals mit der Amplitude  $A$  besteht aus zwei Diraclinien, jeweils mit Gewicht  $A^2/4$.

  • Die Leistung ergibt sich aus dem Integral über das LDS und ist somit gleich der Summe der beiden Diracgewichte.  Mit  $A = 4 \ \rm V$  erhält man somit für die Leistung des Quellensignals:
$$ P_q = \frac{A^2}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 8\,{\rm V^2}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Beim Modulationsverfahren „ZSB-AM ohne Träger” ist dies gleichzeitig die auf den Einheitswiderstand  $1\ \rm Ω$  bezogene Sendeleistung $P_{\rm S}$.


(2)  Nach den elementaren Gesetzen der Elektrotechnik gilt:

$$P_q = \frac{8\,{\rm V^2}}{50\,{\Omega}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.16\,{\rm W}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Im Theorieteil wird gezeigt, dass bei idealen Voraussetzungen  $v(t) = q(t)$  gilt.  Zu berücksichtigen ist allerdings:

  • Aus der Grafik erkennt man, dass  $Z_{\rm E}(f) = Z(f)$  gilt.  Damit hat das empfängerseitige Trägersignal  $z_{\rm E}(t)$  wie  $z(t)$  die Amplitude  $1$.
  • Im Idealfall müsste aber das empfängerseitige Trägersignal  $z_{\rm E}(t)$  die Amplitude  $2$  besitzen.
  • Deshalb gilt gilt hier $υ(t) = q(t)/2$.
  • Berücksichtigt man weiter die Kanaldämpfung  $α_{\rm K} = 10^{–4}$, so erhält man das Endergebnis:   $α\hspace{0.15cm}\underline { = 0.5 · 10^{–4}}.$


(4)  Das Leistungsdichtespektrum des Produktes  $n(t) · z(t)$  ergibt sich aus der Faltung der beiden Leistungsdichtespektren von  $n(t)$  und  $z(t)$:

$$ {\it \Phi}_\varepsilon \hspace{0.01cm} '(f) = {\it \Phi}_n (f) \star {\it \Phi}_{z }(f)= \frac{N_0}{2} \star \left[\delta(f - f_{\rm T}) + \delta(f + f_{\rm T}) \right]= N_0 \hspace{0.05cm}.$$
  • Für das Leistungsdichtespektrum des Signals  $ε(t)$  nach dem Tiefpass erhält man eine Rechteckform mit dem gleichen Wert bei  $f = 0$:
$${\it \Phi}_\varepsilon (f) = {\it \Phi}_\varepsilon \hspace{0.01cm} '(f) \cdot |H_{\rm E}(f)|^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\it \Phi}_\varepsilon (f=0)= N_0\hspace{0.15cm}\underline {= 4 \cdot 10^{-19}\,{\rm W/Hz}} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Die Rauschleistung ist das Integral über die Rauschleistungsdichte:

$$ P_{\varepsilon} = \int_{-f_{\rm E}}^{ + f_{\rm E}} {{\it \Phi}_\varepsilon (f)}\hspace{0.1cm}{\rm d}f = N_0 \cdot 2 f_{\rm E} = 4 \cdot 10^{-19}\,\frac{ \rm W}{\rm Hz} \cdot 10^{4}\,{\rm Hz} \hspace{0.15cm}\underline {= 4 \cdot 10^{-15}\,{\rm W}}\hspace{0.05cm}.$$


(6)  Aus den Ergebnissen der Teilaufgaben  (2)(3)  und  (5)  folgt:

$$\rho_{v } = \frac{\alpha^2 \cdot P_q}{P_\varepsilon} = \frac{(0.5 \cdot 10^{-4})^2 \cdot 0.16\,{\rm W}}{4 \cdot 10^{-15}\,{\rm W}} \hspace{0.15cm}\underline {= 100000} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm}\rho_{v } \hspace{0.15cm}\underline {= 50\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$