Aufgaben:Aufgabe 5.3: PAKF von PN–Sequenzen: Unterschied zwischen den Versionen
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[[Datei:P_ID1884__Mod_A_5_3.png|right|frame|M–Sequenz | [[Datei:P_ID1884__Mod_A_5_3.png|right|frame|M–Sequenz $(P = 15)$ plus zyklische Vertauschungen]] | ||
Mit einem rückgekoppelten Schieberegister vom Grad $G$ lässt sich eine Spreizfolge $〈c_ν〉$ mit der (maximalen) Periodenlänge $P = 2^G - 1$ erzeugen, wenn die Rückführungskoeffizienten (Anzapfungen) richtig gewählt sind | Mit einem rückgekoppelten Schieberegister vom Grad $G$ lässt sich eine Spreizfolge $〈c_ν〉$ mit der (maximalen) Periodenlänge $P = 2^G - 1$ erzeugen, wenn die Rückführungskoeffizienten (Anzapfungen) richtig gewählt sind. | ||
In dieser Aufgabe wird der in der linken Grafik von [[Modulationsverfahren/Spreizfolgen_für_CDMA#Pseudo.E2.80.93Noise.E2.80.93Folgen_maximaler_L.C3.A4nge|$\text{Beispiel 1}$]] im Theorieteil dargestelle PN–Generator mit der Oktalkennung $(31)$ betrachtet, der wegen $G = 4$ eine Folge mit der Periodenlänge $P = 15$ liefert. | |||
In der Grafik zu dieser Aufgabe sind die unipolare Folge $〈u_ν〉$ mit $u_ν ∈ \{0, 1\}$ und daraus abgeleitete zyklische Verschiebungen $〈u_{ν+λ}〉$ dargestellt, wobei der Verschiebungsparameter $λ$ Werte zwischen $1$ und $15$ annimmt. Eine Verschiebung um $λ$ bedeutet dabei absolut einen Versatz um $λ · T_c$. Hierbei bezeichnet $T_c$ die Chipdauer. | |||
'' | Für den Einsatz in einem CDMA–System verwendet man allerdings die bipolare (antipodische) Folge $〈c_ν〉$ mit $c_ν ∈ \{+1, -1\}$, die ab der Teilaufgabe '''(5)''' untersucht werden soll. Gesucht ist deren periodische Autokorrelationsfunktion $\rm (PAKF)$ | ||
:$${\it \varphi}_{c}(\lambda) = {\rm E} \big [ c_\nu \cdot c_{\nu+\lambda} \big ] \hspace{0.05cm}.$$ | |||
Zur Herleitung soll zunächst die PAKF | |||
:$${\it \varphi}_{u}(\lambda) = {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ]$$ | |||
mit den unipolaren Koeffizienten $u_ν ∈ \{0, 1\}$ berechnet werden. Die Umrechnung der Koeffizienten ist durch $c_ν = 1 - 2u_ν$ gegeben. | |||
Hinweis: | |||
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Modulationsverfahren/Spreizfolgen_für_CDMA|Spreizfolgen für CDMA]]. | |||
===Fragebogen=== | ===Fragebogen=== | ||
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{Wie groß ist der Grad des PN–Generators? | {Wie groß ist der Grad des PN–Generators? | ||
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$G$ | $G \ = \ $ { 4 } | ||
{Wie groß ist der quadratische Erwartungswert der Koeffizienten $u_ν | {Wie groß ist der quadratische Erwartungswert der Koeffizienten $u_ν ∈ \{0,\ 1\}$? | ||
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$E[u_ν^2]$ | ${\rm E}\big[u_ν^{\hspace{0.04cm}2}\big] \ = \ $ { 0.533 3% } | ||
{Wie groß ist der quadratische Erwartungswert der Koeffizienten $c_ν | {Wie groß ist der quadratische Erwartungswert der Koeffizienten $c_ν ∈ \{+1, –1\}$? | ||
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$E[ | ${\rm E}\big[c_ν^{\hspace{0.04cm}2}\big] \ = \ $ { 1 3% } | ||
{Welche Aussagen gelten für den Erwartungswert $E[u_ν · u_{ν+λ}]$? | {Welche Aussagen gelten für den Erwartungswert ${\rm E}\big[u_ν · u_{ν+λ}\big]$? | ||
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+ Es | + Es gilt ${\rm E}\big[u_ν · u_{ν+1}\big] = 4/15$. | ||
+ Es | + Es gilt ${\rm E}\big[u_ν · u_{ν+2}\big] = 4/15$. | ||
- Es gilt ${\rm E}\big[u_ν · u_{ν+15}\big] = 4/15$. | |||
+ Die PAKF–Werte $φ_u(λ = 1)$, ... , $φ_u(λ = 14)$ sind alle gleich. | + Die PAKF–Werte $φ_u(λ = 1)$, ... , $φ_u(λ = 14)$ sind alle gleich. | ||
{Berechnen Sie die PAKF–Werte bei bipolarer Darstellung ( | {Berechnen Sie die PAKF–Werte bei bipolarer Darstellung $(λ = 1, \text{...} \ , 14)$: | ||
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$φ_c(λ)$ | $φ_c(λ) \ = \ $ { -0.069--0.065 } | ||
{Geben Sie folgende PAKF–Werte für den Fall G = 6 an. | {Geben Sie folgende PAKF–Werte für den Fall $G = 6$ an. | ||
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$φ_c(λ=0)$ | $φ_c(λ=0)\hspace{0.33cm} = \ $ { 1 3% } | ||
$φ_c(λ=0 | $φ_c(λ=1)\hspace{0.33cm} = \ $ { -0.0165--0.0155 } | ||
$φ_c(λ=63)$ | $φ_c(λ=63)\ = \ $ { 1 3% } | ||
$φ_c(λ=64)$ | $φ_c(λ=64)\ = \ $ { -0.0165--0.0155 } | ||
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===Musterlösung=== | ===Musterlösung=== | ||
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'''1 | '''(1)''' Die Periodendauer einer M–Sequenz beträgt $P = 2^G -1 \hspace{0.05cm}.$ Daraus ergibt sich mit $P = 15$ der Grad $\underline{G = 4}$. | ||
Daraus ergibt sich mit P = 15 der Grad G = 4. | |||
'''(2)''' Von den $P = 15$ Spreizbit sind $8$ Einsen und $7$ Nullen. Damit gilt wegen $u_ν^{\hspace{0.04cm}2} = u_ν$: | |||
:$${\rm E}\big [ u_\nu \big ] = {\rm E}\big [ u_\nu^2 \big ] = {8}/{15} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.533} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \text{allgemein:}\,\, (P+1)/(2P)\hspace{0.05cm}.$$ | |||
'''(3)''' In bipolarer Darstellung ist stets $c_ν^{\hspace{0.04cm}2} = 1$. Damit gilt auch für den quadratischen Erwartungswert: | |||
:$${\rm E}\big [ c_\nu^{\hspace{0.04cm}2} \big ] \hspace{0.15cm}\underline {= 1}\hspace{0.05cm}.$$ | |||
'''(4)''' Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 4</u>: | |||
*Die beigefügte Tabelle macht deutlich,  dass für die diskreten PAKF–Werte mit $λ = 1$, ... , $14$ gilt: | |||
:$${\it \varphi}_{u}(\lambda) = {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ]= {4}/{15} \hspace{0.05cm}.$$ | |||
*Multipliziert man nämlich〈$u_ν$〉 mit 〈$u_{ν+λ}$〉(wobei für den Index $λ$ wieder die Werte $1$, ... , $14$ einzusetzen sind), <br>so treten im Produkt jeweils vier Einsen auf. | |||
*Dagegen gilt für $λ = P = 15$: | |||
:$${\it \varphi}_{u}(\lambda = 15) = {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+P} \big ]= {8}/{15} \hspace{0.05cm}.$$ | |||
''' | '''(5)''' Die bipolaren Koeffizienten $c_ν$ ergeben sich aus den unipolaren Koeffizienten $u_ν$ gemäß der Gleichung | ||
$${\rm E}\left [ u_\nu \right ] = {\rm E}\left [ u_\nu | :$$c_\nu = 1 - 2 \cdot u_\nu \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} u_\nu = 0\text{:} \ \ c_\nu = +1\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm}u_\nu = 1\text{:} \ \ c_\nu = -1 \hspace{0.05cm}.$$ | ||
*Damit folgt aus den Rechenregeln für Erwartungswerte: | |||
:$${\it \varphi}_{c}(\lambda) = {\rm E} \big [ c_\nu \cdot c_{\nu+\lambda} \big ]= {\rm E} \big [ (1 - 2 \cdot u_\nu ) \cdot (1 - 2 \cdot u_{\nu+\lambda} ) \big ] = 1 + 4 \cdot {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ] - 2 \cdot {\rm E}\big [ u_\nu \big ] - 2 \cdot {\rm E}\big [ u_{\nu+\lambda} \big ] \hspace{0.05cm}.$$ | |||
*Mit dem Ergebnis der Teilaufgabe '''(2)''' | |||
:$$ {\rm E}\left [ u_{\nu} \right ]= {\rm E}\left [ u_{\nu+\lambda} \right ]={8}/{15} \hspace{0.05cm},$$ | |||
:und der Teilaufgabe '''(4)''' | |||
:$${\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ] ={4}/{15} \hspace{0.05cm} \,\,{\rm{f\ddot{u}r}}\,\,\lambda = 0, \pm P, \pm 2P, \text{...}$$ | |||
:kommt man somit zum Ergebnis $($falls $λ$ kein Vielfaches von $P)$: | |||
:$${\it \varphi}_{c}(\lambda) = 1 + 4 \cdot \frac{4}{15} - 2 \cdot \frac{8}{15}- 2 \cdot \frac{8}{15} = - \frac{1}{15} = - \frac{1}{P}\hspace{0.15cm}\underline {\approx - 0.067} \hspace{0.05cm}.$$ | |||
''' | [[Datei:P_ID1885__Mod_A_5_3f.png|right|frame|PAKF einer PN–Sequenz maximaler Länge]] | ||
$${\it \varphi}_{ | '''(6)''' Eine M–Sequenz mit Grad $G = 6$ hat die Periodenlänge $P = 63$. | ||
*Entsprechend dem Ergebnis zur Teilaufgabe '''(5)''' erhält man somit: | |||
$${\it \varphi}_{ | :$$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 0) \hspace{0.15cm}\underline {= +1} \hspace{0.05cm},$$ | ||
:$$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 1)= - 1/63 \hspace{0.15cm}\underline {\approx - 0.016} \hspace{0.05cm},$$ | |||
:$$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 63) = {\it \varphi}_{c}(\lambda = 0) \hspace{0.15cm}\underline {= +1} \hspace{0.05cm},$$ | |||
:$$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 64) = {\it \varphi}_{c}(\lambda = 1)= - 1/63 \hspace{0.15cm}\underline {\approx - 0.016} \hspace{0.05cm}.$$ | |||
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[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^5.3 Spreizfolgen für CDMA^]] | [[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^5.3 Spreizfolgen für CDMA^]] | ||
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Aktuelle Version vom 16. März 2026, 14:38 Uhr

Mit einem rückgekoppelten Schieberegister vom Grad $G$ lässt sich eine Spreizfolge $〈c_ν〉$ mit der (maximalen) Periodenlänge $P = 2^G - 1$ erzeugen, wenn die Rückführungskoeffizienten (Anzapfungen) richtig gewählt sind.
In dieser Aufgabe wird der in der linken Grafik von $\text{Beispiel 1}$ im Theorieteil dargestelle PN–Generator mit der Oktalkennung $(31)$ betrachtet, der wegen $G = 4$ eine Folge mit der Periodenlänge $P = 15$ liefert.
In der Grafik zu dieser Aufgabe sind die unipolare Folge $〈u_ν〉$ mit $u_ν ∈ \{0, 1\}$ und daraus abgeleitete zyklische Verschiebungen $〈u_{ν+λ}〉$ dargestellt, wobei der Verschiebungsparameter $λ$ Werte zwischen $1$ und $15$ annimmt. Eine Verschiebung um $λ$ bedeutet dabei absolut einen Versatz um $λ · T_c$. Hierbei bezeichnet $T_c$ die Chipdauer.
Für den Einsatz in einem CDMA–System verwendet man allerdings die bipolare (antipodische) Folge $〈c_ν〉$ mit $c_ν ∈ \{+1, -1\}$, die ab der Teilaufgabe (5) untersucht werden soll. Gesucht ist deren periodische Autokorrelationsfunktion $\rm (PAKF)$
- $${\it \varphi}_{c}(\lambda) = {\rm E} \big [ c_\nu \cdot c_{\nu+\lambda} \big ] \hspace{0.05cm}.$$
Zur Herleitung soll zunächst die PAKF
- $${\it \varphi}_{u}(\lambda) = {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ]$$
mit den unipolaren Koeffizienten $u_ν ∈ \{0, 1\}$ berechnet werden. Die Umrechnung der Koeffizienten ist durch $c_ν = 1 - 2u_ν$ gegeben.
Hinweis:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Spreizfolgen für CDMA.
Fragebogen
Musterlösung
(2) Von den $P = 15$ Spreizbit sind $8$ Einsen und $7$ Nullen. Damit gilt wegen $u_ν^{\hspace{0.04cm}2} = u_ν$:
- $${\rm E}\big [ u_\nu \big ] = {\rm E}\big [ u_\nu^2 \big ] = {8}/{15} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.533} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \text{allgemein:}\,\, (P+1)/(2P)\hspace{0.05cm}.$$
(3) In bipolarer Darstellung ist stets $c_ν^{\hspace{0.04cm}2} = 1$. Damit gilt auch für den quadratischen Erwartungswert:
- $${\rm E}\big [ c_\nu^{\hspace{0.04cm}2} \big ] \hspace{0.15cm}\underline {= 1}\hspace{0.05cm}.$$
(4) Richtig sind die Lösungsvorschläge 1, 2 und 4:
- Die beigefügte Tabelle macht deutlich,  dass für die diskreten PAKF–Werte mit $λ = 1$, ... , $14$ gilt:
- $${\it \varphi}_{u}(\lambda) = {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ]= {4}/{15} \hspace{0.05cm}.$$
- Multipliziert man nämlich〈$u_ν$〉 mit 〈$u_{ν+λ}$〉(wobei für den Index $λ$ wieder die Werte $1$, ... , $14$ einzusetzen sind),
so treten im Produkt jeweils vier Einsen auf. - Dagegen gilt für $λ = P = 15$:
- $${\it \varphi}_{u}(\lambda = 15) = {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+P} \big ]= {8}/{15} \hspace{0.05cm}.$$
(5) Die bipolaren Koeffizienten $c_ν$ ergeben sich aus den unipolaren Koeffizienten $u_ν$ gemäß der Gleichung
- $$c_\nu = 1 - 2 \cdot u_\nu \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} u_\nu = 0\text{:} \ \ c_\nu = +1\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm}u_\nu = 1\text{:} \ \ c_\nu = -1 \hspace{0.05cm}.$$
- Damit folgt aus den Rechenregeln für Erwartungswerte:
- $${\it \varphi}_{c}(\lambda) = {\rm E} \big [ c_\nu \cdot c_{\nu+\lambda} \big ]= {\rm E} \big [ (1 - 2 \cdot u_\nu ) \cdot (1 - 2 \cdot u_{\nu+\lambda} ) \big ] = 1 + 4 \cdot {\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ] - 2 \cdot {\rm E}\big [ u_\nu \big ] - 2 \cdot {\rm E}\big [ u_{\nu+\lambda} \big ] \hspace{0.05cm}.$$
- Mit dem Ergebnis der Teilaufgabe (2)
- $$ {\rm E}\left [ u_{\nu} \right ]= {\rm E}\left [ u_{\nu+\lambda} \right ]={8}/{15} \hspace{0.05cm},$$
- und der Teilaufgabe (4)
- $${\rm E}\big [ u_\nu \cdot u_{\nu+\lambda} \big ] ={4}/{15} \hspace{0.05cm} \,\,{\rm{f\ddot{u}r}}\,\,\lambda = 0, \pm P, \pm 2P, \text{...}$$
- kommt man somit zum Ergebnis $($falls $λ$ kein Vielfaches von $P)$:
- $${\it \varphi}_{c}(\lambda) = 1 + 4 \cdot \frac{4}{15} - 2 \cdot \frac{8}{15}- 2 \cdot \frac{8}{15} = - \frac{1}{15} = - \frac{1}{P}\hspace{0.15cm}\underline {\approx - 0.067} \hspace{0.05cm}.$$

(6) Eine M–Sequenz mit Grad $G = 6$ hat die Periodenlänge $P = 63$.
- Entsprechend dem Ergebnis zur Teilaufgabe (5) erhält man somit:
- $$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 0) \hspace{0.15cm}\underline {= +1} \hspace{0.05cm},$$
- $$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 1)= - 1/63 \hspace{0.15cm}\underline {\approx - 0.016} \hspace{0.05cm},$$
- $$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 63) = {\it \varphi}_{c}(\lambda = 0) \hspace{0.15cm}\underline {= +1} \hspace{0.05cm},$$
- $$ {\it \varphi}_{c}(\lambda = 64) = {\it \varphi}_{c}(\lambda = 1)= - 1/63 \hspace{0.15cm}\underline {\approx - 0.016} \hspace{0.05cm}.$$