Aufgaben:Aufgabe 1.6Z: Zwei Optimalsysteme: Unterschied zwischen den Versionen
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| − | Betrachtet werden zwei binäre Übertragungssysteme | + | Betrachtet werden zwei binäre Übertragungssysteme $\rm A$ und $\rm B$, die bei einem AWGN–Kanal mit Rauschleistungsdichte $N_{0}$ das gleiche Fehlerverhalten aufweisen. In beiden Fällen gilt für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit: |
:$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0}}\right)\hspace{0.05cm}.$$ | :$$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0}}\right)\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | *Das System | + | *Das System $\rm A$ verwendet den NRZ–Sendegrundimpuls $g_{s}(t)$ gemäß der oberen Skizze mit der Amplitude $s_{0} = 1 \ \rm V$ und der Dauer $T = 0.5\ \rm µ s$. |
| − | *Dagegen besitzt das System | + | |
| + | *Dagegen besitzt das System $\rm B$, das mit der gleichen Bitrate wie das System $\rm A$ arbeiten soll, ein rechteckförmiges Sendegrundimpulsspektrum: | ||
:$$G_s(f) = \left\{ \begin{array}{c} G_0 \\ | :$$G_s(f) = \left\{ \begin{array}{c} G_0 \\ | ||
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| − | *Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Digitalsignalübertragung/Optimierung_der_Basisbandübertragungssysteme|Optimierung der Basisbandübertragungssysteme]]. | + | |
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| − | *Beachten Sie bitte, dass hier die Impulsamplitude in „Volt” angegeben ist, so dass die mittlere Energie pro Bit $(E_{\rm B})$ die Einheit $\rm V^{2}/Hz$ aufweist. | + | *Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Digitalsignalübertragung/Optimierung_der_Basisbandübertragungssysteme|"Optimierung der Basisbandübertragungssysteme"]]. |
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| + | *Beachten Sie bitte, dass hier die Impulsamplitude in „Volt” angegeben ist, so dass die mittlere Energie pro Bit $(E_{\rm B})$ die Einheit $\rm V^{2}/Hz$ aufweist. | ||
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$R \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm Mbit/s$ | $R \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm Mbit/s$ | ||
| − | {Berechnen Sie die Energie pro Bit für das System | + | {Berechnen Sie die Energie pro Bit für das System $\rm A$. |
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| − | $E_{\rm B} \ = \ $ { 5 3% } $\ \cdot 10^{- | + | $E_{\rm B} \ = \ $ { 0.5 3% } $\ \cdot 10^{-6} \ \rm V^{2}/Hz$ |
| − | {Welche Aussagen gelten für die Empfangsfilter der Systeme | + | {Welche Aussagen gelten für die Empfangsfilter der Systeme $\rm A$ und $\rm B$? |
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| − | +Bei System | + | +Bei System $\rm A$ hat $H_{\rm E}(f)$ einen si–förmigen Verlauf. |
| − | +Bei System | + | +Bei System $\rm B$ ist $H_{\rm E}(f)$ ein idealer, rechteckförmiger Tiefpass. |
| − | -$H_{\rm E}(f)$ lässt sich bei System | + | -$H_{\rm E}(f)$ lässt sich bei System $\rm B$ durch einen Integrator realisieren. |
| − | {Für welche Grenzfrequenz $f_{0}$ weist das System | + | {Für welche Grenzfrequenz $f_{0}$ weist das System $\rm B$ die Symboldauer $T$ auf? |
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$f_{0} \ = \ ${ 1 3% } $\ \rm MHz$ | $f_{0} \ = \ ${ 1 3% } $\ \rm MHz$ | ||
| − | {Wie groß ist die konstante Höhe $G_{0}$ des Spektrums von | + | {Wie groß ist die konstante Höhe $G_{0}$ des Spektrums von $\rm B$ zu wählen, damit sich die gleiche Energie pro Bit ergibt wie bei System $\rm A$? |
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| − | $G_{0} \ = \ $ { 5 3% } $\ \cdot 10^{- | + | $G_{0} \ = \ $ { 0.5 3% } $\ \cdot 10^{-6} \ \rm V/Hz$ |
| − | { | + | {Welches der beiden Systeme auch bei Spitzenwertbegrenzung geeignet? |
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| − | +System | + | +System $\rm A$, |
| − | - System | + | - System $\rm B$. |
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===Musterlösung=== | ===Musterlösung=== | ||
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| − | '''(1)''' Beide Systeme arbeiten gemäß der Angabe mit gleicher Bitrate. Der NRZ–Sendegrundimpuls von System | + | '''(1)''' Beide Systeme arbeiten gemäß der Angabe mit gleicher Bitrate. |
| + | *Der NRZ–Sendegrundimpuls von System $\rm A$ hat die Symboldauer $T = 0.5\ \rm µ s$. | ||
| + | *Daraus ergibt sich für die Bitrate $R = 1/T$ $ \underline{= 2\ \rm Mbit/s}$. | ||
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| − | '''(2)''' Die Energie des NRZ–Sendegrundimpulses von System | + | '''(2)''' Die Energie des NRZ–Sendegrundimpulses von System $\rm A$ ergibt sich zu |
:$$E_{\rm B} = | :$$E_{\rm B} = | ||
\int_{-\infty}^{+\infty}g_s^2 (t)\,{\rm d} t = | \int_{-\infty}^{+\infty}g_s^2 (t)\,{\rm d} t = | ||
| − | s_0^2 \cdot T = {1\,{\rm V^2}}\cdot {0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline { = 5 \cdot 10^{- | + | s_0^2 \cdot T = {1\,{\rm V^2}}\cdot {0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline { = 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}}\hspace{0.05cm}.$$ |
| − | '''(3)''' Die <u>beiden ersten Aussagen treffen zu</u> | + | '''(3)''' Die <u>beiden ersten Aussagen treffen zu</u>: |
| + | *In beiden Fällen muss $h_{\rm E}(t)$ formgleich mit $g_{s}(t)$ und $H_{\rm E}(f)$ formgleich mit $G_{s}(f)$ sein. | ||
| + | *Somit ergibt sich beim System $\rm A$ eine rechteckförmige Impulsantwort $h_{\rm E}(t)$ und damit ein si–förmiger Frquenzgang $H_{\rm E}(f)$. | ||
| + | *Beim System $\rm B$ ist $H_{\rm E}(f)$ wie $G_{s}(f)$ rechteckförmig und damit die Impulsantwort $h_{\rm E}(t)$ eine si–Funktion. | ||
| + | *Aussage 3 ist falsch: Ein Integrator besitzt eine rechteckige Impulsantwort und würde sich für die Realisierung von System $\rm A$ anbieten, nicht jedoch für System $\rm B$. | ||
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| − | '''(4)''' Beim System | + | '''(4)''' Beim System $\rm B$ stimmt $G_{d}(f)$ mit $G_{s}(f)$ nahezu überein. |
| + | *Lediglich bei der Nyquistfrequenz gibt es einen Unterschied, der sich aber für die hier angestellten Betrachtungen nicht weiter auswirkt: | ||
| + | *Während $G_{s}(f_{\rm Nyq}) = 1/2$ gilt, ist $G_{d}(f_{\rm Nyq}) = 1/4$. | ||
| − | Es ergibt sich also ein Nyquistsystem mit Rolloff–Faktor $r = 0$. Daraus folgt für die Nyquistfrequenz aus der Bedingung, dass die Symboldauer ebenfalls $T = 0.5\ \rm | + | *Es ergibt sich also ein Nyquistsystem mit Rolloff–Faktor $r = 0$. |
| + | *Daraus folgt für die Nyquistfrequenz aus der Bedingung, dass die Symboldauer ebenfalls $T = 0.5\ \rm µ s$ sein soll: | ||
:$$f_{\rm 0} = f_{\rm Nyq} = \frac{1 } {2 \cdot T} = \frac{1 } {2 \cdot 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline {= 1\,{\rm MHz}}\hspace{0.05cm}.$$ | :$$f_{\rm 0} = f_{\rm Nyq} = \frac{1 } {2 \cdot T} = \frac{1 } {2 \cdot 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline {= 1\,{\rm MHz}}\hspace{0.05cm}.$$ | ||
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'''(5)''' Für die Energie des Sendegrundimpulses kann auch geschrieben werden: | '''(5)''' Für die Energie des Sendegrundimpulses kann auch geschrieben werden: | ||
:$$E_{\rm B} = | :$$E_{\rm B} = | ||
\int_{-\infty}^{+\infty}|G_s(f)|^2 \,{\rm d} f = G_0^2 | \int_{-\infty}^{+\infty}|G_s(f)|^2 \,{\rm d} f = G_0^2 | ||
\cdot 2 f_0\hspace{0.05cm}.$$ | \cdot 2 f_0\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | Mit den Ergebnissen aus (2) und (4) folgt daraus: | + | *Mit den Ergebnissen aus '''(2)''' und '''(4)''' folgt daraus: |
:$$G_0^2 = \frac{E_{\rm B}}{2 f_0} = \frac{5 \cdot 10^{-7}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 10^{6}\,{\rm | :$$G_0^2 = \frac{E_{\rm B}}{2 f_0} = \frac{5 \cdot 10^{-7}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 10^{6}\,{\rm | ||
Hz}}= 2.5 \cdot 10^{-13}\,{\rm V^2/Hz^2} | Hz}}= 2.5 \cdot 10^{-13}\,{\rm V^2/Hz^2} | ||
| − | \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_0 \hspace{0.1cm}\underline {= 5 \cdot 10^{- | + | \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_0 \hspace{0.1cm}\underline {= 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V/Hz}} |
\hspace{0.05cm}.$$ | \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | + | '''(6)''' Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1</u>: | |
| − | '''(6)''' Das System | + | *Das System $\rm A$ stellt auch bei Spitzenwertbegrenzung das optimale System dar. |
| + | *Dagegen wäre das System $\rm B$ aufgrund des äußerst ungünstigen Crestfaktors hierfür denkbar ungeeignet. | ||
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Aktuelle Version vom 4. Mai 2022, 13:20 Uhr
Optimalsysteme im Zeit- und Frequenzbereich
Betrachtet werden zwei binäre Übertragungssysteme $\rm A$ und $\rm B$, die bei einem AWGN–Kanal mit Rauschleistungsdichte $N_{0}$ das gleiche Fehlerverhalten aufweisen. In beiden Fällen gilt für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit:
- $$p_{\rm B} = {\rm Q} \left( \sqrt{{2 \cdot E_{\rm B}}/{N_0}}\right)\hspace{0.05cm}.$$
- Das System $\rm A$ verwendet den NRZ–Sendegrundimpuls $g_{s}(t)$ gemäß der oberen Skizze mit der Amplitude $s_{0} = 1 \ \rm V$ und der Dauer $T = 0.5\ \rm µ s$.
- Dagegen besitzt das System $\rm B$, das mit der gleichen Bitrate wie das System $\rm A$ arbeiten soll, ein rechteckförmiges Sendegrundimpulsspektrum:
- $$G_s(f) = \left\{ \begin{array}{c} G_0 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} |f| < f_0 \hspace{0.05cm}, \\ |f| > f_0 \hspace{0.05cm}.\\ \end{array}$$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel "Optimierung der Basisbandübertragungssysteme".
- Beachten Sie bitte, dass hier die Impulsamplitude in „Volt” angegeben ist, so dass die mittlere Energie pro Bit $(E_{\rm B})$ die Einheit $\rm V^{2}/Hz$ aufweist.
Fragebogen
Musterlösung
(1) Beide Systeme arbeiten gemäß der Angabe mit gleicher Bitrate.
- Der NRZ–Sendegrundimpuls von System $\rm A$ hat die Symboldauer $T = 0.5\ \rm µ s$.
- Daraus ergibt sich für die Bitrate $R = 1/T$ $ \underline{= 2\ \rm Mbit/s}$.
(2) Die Energie des NRZ–Sendegrundimpulses von System $\rm A$ ergibt sich zu
- $$E_{\rm B} = \int_{-\infty}^{+\infty}g_s^2 (t)\,{\rm d} t = s_0^2 \cdot T = {1\,{\rm V^2}}\cdot {0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline { = 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V^2/Hz}}\hspace{0.05cm}.$$
(3) Die beiden ersten Aussagen treffen zu:
- In beiden Fällen muss $h_{\rm E}(t)$ formgleich mit $g_{s}(t)$ und $H_{\rm E}(f)$ formgleich mit $G_{s}(f)$ sein.
- Somit ergibt sich beim System $\rm A$ eine rechteckförmige Impulsantwort $h_{\rm E}(t)$ und damit ein si–förmiger Frquenzgang $H_{\rm E}(f)$.
- Beim System $\rm B$ ist $H_{\rm E}(f)$ wie $G_{s}(f)$ rechteckförmig und damit die Impulsantwort $h_{\rm E}(t)$ eine si–Funktion.
- Aussage 3 ist falsch: Ein Integrator besitzt eine rechteckige Impulsantwort und würde sich für die Realisierung von System $\rm A$ anbieten, nicht jedoch für System $\rm B$.
(4) Beim System $\rm B$ stimmt $G_{d}(f)$ mit $G_{s}(f)$ nahezu überein.
- Lediglich bei der Nyquistfrequenz gibt es einen Unterschied, der sich aber für die hier angestellten Betrachtungen nicht weiter auswirkt:
- Während $G_{s}(f_{\rm Nyq}) = 1/2$ gilt, ist $G_{d}(f_{\rm Nyq}) = 1/4$.
- Es ergibt sich also ein Nyquistsystem mit Rolloff–Faktor $r = 0$.
- Daraus folgt für die Nyquistfrequenz aus der Bedingung, dass die Symboldauer ebenfalls $T = 0.5\ \rm µ s$ sein soll:
- $$f_{\rm 0} = f_{\rm Nyq} = \frac{1 } {2 \cdot T} = \frac{1 } {2 \cdot 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm s}}\hspace{0.1cm}\underline {= 1\,{\rm MHz}}\hspace{0.05cm}.$$
(5) Für die Energie des Sendegrundimpulses kann auch geschrieben werden:
- $$E_{\rm B} = \int_{-\infty}^{+\infty}|G_s(f)|^2 \,{\rm d} f = G_0^2 \cdot 2 f_0\hspace{0.05cm}.$$
- Mit den Ergebnissen aus (2) und (4) folgt daraus:
- $$G_0^2 = \frac{E_{\rm B}}{2 f_0} = \frac{5 \cdot 10^{-7}\,{\rm V^2/Hz}}{2 \cdot 10^{6}\,{\rm Hz}}= 2.5 \cdot 10^{-13}\,{\rm V^2/Hz^2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}G_0 \hspace{0.1cm}\underline {= 0.5 \cdot 10^{-6}\,{\rm V/Hz}} \hspace{0.05cm}.$$
(6) Richtig ist der Lösungsvorschlag 1:
- Das System $\rm A$ stellt auch bei Spitzenwertbegrenzung das optimale System dar.
- Dagegen wäre das System $\rm B$ aufgrund des äußerst ungünstigen Crestfaktors hierfür denkbar ungeeignet.
