Aufgabe 5.7: Rechteck-Matched-Filter
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- Am Eingang eines Tiefpasses mit einer rechteckförmigen Impulsantwort h(t) liegt das Empfangssignal r(t) an, das sich additiv aus einem impulsförmigen Nutzsignal g(t) und einem Rauschsignal n(t) zusammensetzt. Es gelte:
- Der Nutzimpuls g(t) ist rechteckförmig.
- Die Impulsdauer beträgt Δtg = 2 μs.
- Die Impulsamplitude ist g0 = 2 V.
- Die Mitte des Impulses g(t) liegt bei Tg = 3 μs.
- Das Rauschen n(t) ist weiß und gaußverteilt.
- Die Leistungsdichte beträgt N0 = 4 · 10–6 V2/Hz (einseitig), bezogen auf den Widerstand 1 Ω.
- Die rechteckförmige Impulsantwort des Filters beginnt bei t = 0. Die Impulsantwortdauer Δth ist frei wählbar. Die Höhe 1/Δth der Impulsantwort ist jeweils so angepasst, dass H(f = 0) = 1 gilt.
- Hinweis: Die Aufgabe bezieht sich auf den Theorieteil von Kapitel 5.4. Für die Teilfragen (1) bis (6) gelte stets Δth = Δtg = 2 μs.
Fragebogen
Musterlösung
- 1. Bei gleicher Impulsdauer (Δth = Δtg) handelt es sich um ein Matched-Filter, auch wenn Amplitude (0.5 · 10–6 1/s bzw. 2 V) und zeitliche Lage von g(t) und h(t) nicht übereinstimmen. Damit gibt es auch kein anderes Filter mit besserem Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis. Das Filter mit rechteckförmiger Impulsantwort lässt sich auch als ein Integrator über die Zeitdauer Δth interpretieren. Richtig sind somit die Lösungsvorschläge 1 und 3.
- 2. Die Impulsantwort des Matched-Filters lautet: hMF(t) = KMF · g(TD – t). Der Eingangsimpuls ist im Bereich von 2 μs bis 4 μs ungleich Null, bei Spiegelung im Bereich von –4 μs bis –2 μs. Durch eine Verschiebung um 4 μs wird erreicht, dass g(TD – t) wie die Impulsantwort hMF(t) zwischen 0 und 2 μs liegt. Daraus folgt: TD, opt = 4 μs.
- 3. Mit Δth = Δtg = 2 · 10–6 s und g0 = 2 V erhält man KMF = 1/(Δtg · g0) = 0.25 · 106 1/Vs.
- 4. Die Energie des Nutzimpulses g(t) ist Eg = g02 · Δtg = 8 · 10–6 V2s. Daraus folgt für das maximale S/N-Verhältnis:
- $$\rho _d (T_{{\rm{D, \hspace{0.05cm}opt}}} ) = \frac{2 \cdot E_g }{N_0 } = \frac{{2 \cdot 8 \cdot 10^{ - 6} \;{\rm{V}}^2 {\rm{s}}}}{{4 \cdot 10^{ - 6} \;{\rm{V}}^2 /{\rm{Hz}}}}\hspace{0.15cm}\underline{ = 4}.$$
- 5. Der Ausgangsimpuls dS(t) ist dreieckförmig zwischen 2 und 6 Mikrosekunden mit dem Maximum g0 = 2 V bei TD, opt = 4 μs. Die Störleistung ergibt sich zu:
- $$\sigma _d ^2 = \frac{N_0 }{2 \cdot \Delta t_h } \hspace{0.15 cm}\underline{= 1\;{\rm{V}}^2} .$$
- Mit diesen beiden Rechengrößen kann man wiederum das maximale S/N-Verhältnis berechnen:
- $$\rho _d (T_{{\rm{D, \hspace{0.05cm}opt}}} ) = \frac{{d_{\rm S} (T_{{\rm{D, \hspace{0.05cm}opt}}} )^2}}{\sigma _d ^2 } = \frac{({2\;{\rm{V}})^2 }}{{1\;{\rm{V}}^2 }} = 4.$$
- 6. Aus obiger Skizze erkennt man, dass nun der Nutzabtastwert nur mehr halb so groß ist, nämlich 1 V. Damit ist für TD = 3 μs das S/N-Verhältnis um den Faktor 4 kleiner, also gleich 1.
- 7. Die Skizze zeigt, dass nun der Ausgangsimpuls dS(t) trapezförmig verläuft. Im Bereich von 3 μs bis 4 μs ist der Nutzabtastwert konstant gleich g0 = 2 V.
- Wegen der nur halb so breiten Impulsantwort h(t) ist der Frequenzgang H(f) um den Faktor 2 breitbandiger und dadurch die Störleistung größer:
- $$\sigma_d ^2 = \frac{N_0 }{2} \cdot \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h^2 (t)\,{\rm{d}}t} = \frac{N_0 }{2 \cdot \Delta t_h } = 2\;{\rm{V}}^2 .$$
- Damit ergibt sich für das S/N-Verhältnis nun der Wert:
- $$\rho_d (T_{{\rm{D, \hspace{0.05cm}opt}}} ) \hspace{0.15cm}\underline{= 2}.$$
- Richtig sind somit die Lösungsvorschläge 1, 3 und 4.
- 8. Rechts ist der Ausgangsimpuls dS(t) für Δth = 3 μs skizziert. Auch dieses ist trapezförmig. Der optimale Detektionszeitpunkt liegt nun im Bereich zwischen <nobr>4 μs</nobr> und 5 μs, und das Nutzsignal ist nur mehr ein Drittel so groß wie bei Anpassung: dS(TD, opt) = 2/3V.
- Für die Störleistung gilt nun:
- $$\sigma_d ^2 = \frac{N_0 }{2 \cdot \Delta t_h } = \frac{2}{3}\;{\rm{V}}^2 .$$
- Die Störleistung ist zwar kleiner – also günstiger – als bei Anpassung (Punkt 5). Trotzdem ist das S/N-Verhältnis aufgrund des kleineren Nutzabtastwertes schlechter als unter Punkt (7) berechnet:
- $$\rho _d (T_{{\rm{D\hspace{0.05cm},opt}}} ) = \frac{{(2/3\;{\rm{V}})^2 }}{{2/3\;{\rm{V}}^2 }} = {2}/{3}.$$
- Richtig sind somit die Lösungsvorschläge 2 und 4.