Aufgaben:Exercise 2.7Z: Coherence Bandwidth of the LTI Two-Path Channel: Unterschied zwischen den Versionen

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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Das GWSSUS–Kanalmodell}}
 
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[[Datei:P_ID2178__Mob_Z_2_7.png|right|frame|Zwei Zweiwegekanäle]]
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[[Datei:EN_Mob_A_2_7Z.png|right|frame|Two two-path channels]]
Zum GWSSUS–Modell werden zwei Kenngrößen angegeben, die beide die entstehende Verzögerung  $\tau$  statistisch erfassen. Mehr Informationen zum Thema „Mehrwegeausbreitung” finden Sie im Abschnitt  [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell#Simulation_gem.C3.A4.C3.9F_dem_GWSSUS.E2.80.93Modell| Simulation gemäß dem GWSSUS–Modell]]  des Theorieteils.
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For the GWSSUS–model, two parameters are given, which both statistically capture the resulting delay  $\tau$ . More information on the topic „multipath propagation” can be found in section  [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell#Simulation_gem.C3.A4.C3.9F_dem_GWSSUS.E2.80.93Modell| Simulation gemäß dem GWSSUS–Modell]]  of the theory part.
* Die &nbsp;<b>Mehrwegeverbreiterung</b>&nbsp; $T_{\rm V}$&nbsp; ist definitionsgemäß gleich der Standardabweichung der Zufallsgröße &nbsp;$\tau$. <br>Diese kann aus der Wahrscheinlichkeitsdichte&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp; ermittelt werden. Die WDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp; ist dabei formgleich mit dem Verzögerungs&ndash;Leistungsdichtespektrum&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.  
+
* The &nbsp;<b>delay spread</b>&nbsp; $T_{\rm V}$&nbsp; is by definition equal to the standard deviation of the random variable &nbsp;$\tau$. <br>This can be determined from the probability density&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp;. The PDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$&nbsp; has the same shape as the delay power density spectrum&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.  
* Die &nbsp;<b>Kohärenzbandbreite</b>&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; beschreibt den gleichen Sachverhalt im Frequenzbereich. <br>Diese ist implizit durch die Frequenz&ndash;Korrelationsfunktion&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; festgelegt als derjenige&nbsp; $\Delta f$&ndash;Wert, bei dem deren Betrag erstmals auf die Hälfte abgefallen ist:
+
* The &nbsp;<b>coherence bandwidth</b>&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; describes the same situation in the frequency domain. <br> It is defined as the value of $\Delta f$ at which the magnitude of the frequency correlation function&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; first drops to half its maximum value:
 
:$$|\varphi_{\rm F}(\Delta f = B_{\rm K})| \stackrel {!}{=} {1}/{2} \cdot |\varphi_{\rm F}(\Delta f = 0)| \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$|\varphi_{\rm F}(\Delta f = B_{\rm K})| \stackrel {!}{=} {1}/{2} \cdot |\varphi_{\rm F}(\Delta f = 0)| \hspace{0.05cm}.$$
  
Der Zusammenhang zwischen&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$&nbsp; und&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; ist durch die Fouriertransformation gegeben:
+
The relationship between&nbsp; ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$&nbsp; and&nbsp; $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$&nbsp; is given by the Fourier transform:
 
:$$\varphi_{\rm F}(\Delta f)
 
:$$\varphi_{\rm F}(\Delta f)
 
  \hspace{0.2cm}  {\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} {\it \Phi}_{\rm V}(\tau)\hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.2cm}  {\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} {\it \Phi}_{\rm V}(\tau)\hspace{0.05cm}.$$
  
*Beide Definitionen sind bei einem zeitinvarianten Kanal nur bedingt geeignet.  
+
*Both definitions are only partially suitable for a time-invariant channel.  
*Oft verwendet man für einen zeitinvarianten Zweiwegekanal (also mit konstanten Pfadgewichten entsprechend obiger Grafik) als Näherung für die Kohärenzbandbreite:
+
*For a time invariant two-path channel (i.e. one with constant path weights according to the above graph), the following approximation for the coherence bandwidth is often used:
 
:$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{\tau_{\rm max} - \tau_{\rm min}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{\tau_{\rm max} - \tau_{\rm min}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
In dieser Aufgabe soll geklärt werden,
+
In this task we want to clarify
* warum es in der Literatur verschiedene Definitionen für die Kohärenzbandbreite gibt,
+
* why there are different definitions for the coherence bandwidth in the literature,
* welcher Zusammenhang zwischen&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; und&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; besteht, und
+
* which connection exists between&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; and&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; and
* welche Definitionen bei welchen Randbedingungen sinnvoll sind.
+
* which definitions make sense for which boundary conditions.
  
  
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''Hinweise:''
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''Notes:''
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell| Das GWSSUS&ndash;Kanalmodell]].
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*This task belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell| Das GWSSUS&ndash;Kanalmodell]].
*Bezug genommen  wird auch auf einige Theorieseiten im Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Mehrwegeempfang_beim_Mobilfunk| Mehrwegeempfang beim Mobilfunk]].
+
*This task also refers to some theory pages in chapter&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Mehrwegeempfang_beim_Mobilfunk| Mehrwegeempfang beim Mobilfunk]].
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Kohärenzbandbreitennäherungen&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; ergeben sich für Kanal &nbsp;$\rm A$&nbsp; und &nbsp;$\rm B$?
+
{What is the approximate coherence bandwidth &nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$&nbsp; for channels &nbsp;$\rm A$&nbsp; and &nbsp;$\rm B$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Kanal &nbsp;${\rm A} \text {:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \rm kHz$
+
Channel &nbsp;${\rm A} \text{:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \ \rm kHz$
Kanal &nbsp;${\rm B} \text {:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \rm kHz$
+
Channel &nbsp;${\rm B} \text{:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ ${ 1000 3% } $\ \ \rm kHz$
  
{Wie lautet die WDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$? $G$&nbsp; gibt das Gewicht des zweiten Pfades an.
+
{Let $G$&nbsp; be the weight of the second path. What is the PDF&nbsp; $f_{\rm V}(\tau)$?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
 
- $f_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + G \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$,
 
- $f_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + G \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$,
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+ $f_{\rm V}(\tau) = 1/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau) + G^2/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$.
 
+ $f_{\rm V}(\tau) = 1/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau) + G^2/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau \, &ndash;\tau_0)$.
  
{Berechnen Sie die Mehrwegeverbreitung&nbsp; $ T_{\rm V}$.
+
{Calculate the delay spread&nbsp; $ T_{\rm V}$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Kanal &nbsp;${\rm A} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.5 3% } $\ \rm &micro; s$
+
Channel &nbsp;${\rm A} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.5 3% } $\ \rm &micro; s$
Kanal &nbsp;${\rm B} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.4 3% } $\ \rm &micro; s$
+
Channel &nbsp;${\rm B} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ ${ 0.4 3% } $\ \rm &micro; s$
  
{Welche Kohärenzbandbreite&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; weist der Kanal &nbsp;${\rm A}$&nbsp; auf?
+
{What is the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; of channel &nbsp;${\rm A}$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
+
+ &nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
+
- &nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \rm MHz$.
+
- &nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \rm MHz$.
- $B_{\rm K}$&nbsp; ist nach dieser Definition nicht angebbar.
+
- $B_{\rm K}$&nbsp; cannot be calculated according to this definition.
  
{Welche Kohärenzbandbreite&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; weist der Kanal &nbsp;${\rm B}$&nbsp; auf?
+
{What is the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; of channel &nbsp;${\rm B}$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
+
- &nbsp; $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
+
- &nbsp; $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
- Es gilt&nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \rm MHz$.
+
- &nbsp; $B_{\rm K} = 1 \ \ \rm MHz$.
+ $B_{\rm K}$&nbsp; ist nach dieser Definition nicht angebbar.
+
+ $B_{\rm K}$&nbsp; cannot be calculated according to this definition.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Sample solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Bei beiden Kanälen beträgt Laufzeitdifferenz $\Delta \tau = \tau_{\rm max} \, - \tau_{\rm min} = 1 \ \rm &micro; s$.
+
'''(1)'''&nbsp; For both channels, the delay difference is $\Delta \tau = \tau_{\rm max} \, - \tau_{\rm min} = 1 \ \ \rm &micro; s$.
* Deshalb ergibt sich bei beiden Kanälen der gleiche Wert:
+
* That's why both channels have the same value:
:$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ \underline {= 1000 \ \rm kHz}.$$
+
$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ \ \underline {= 1000 \ \rm kHz}.$$
  
 
+
'''(2)'''&nbsp; The graphs refer to the impulse response $h(\tau)$.  
'''(2)'''&nbsp; Die Grafiken beziehen sich auf die Impulsantwort $h(\tau)$.  
+
*To obtain the delay&ndash;power density spectrum, the weights must be squared:
*Um das Verzögerungs&ndash;LDS zu erhalten, müssen die Gewichte quadriert werden:
 
 
:$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = 1^2 \cdot \delta(\tau) + G^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = 1^2 \cdot \delta(\tau) + G^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
  
*Das Integral über ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ ist demnach $1 + G^2$.  
+
*The integral of ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ is therefore $1 + G^2$.  
*Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF) muss aber die &bdquo;Fläche 1&rdquo; ergeben (Summe der beiden Diracgewichte gleich $1$). Daraus folgt:
+
*The probability density function (PDF), however, must have &bdquo;area 1&rdquo; (i.e., the sum of the two Dirac weights must be $1$). From this follows:
 
:$$f_{\rm V}(\tau) = \frac{1}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau) + \frac{G^2}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_{\rm V}(\tau) = \frac{1}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau) + \frac{G^2}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
  
*Richtig ist somit nur der <u>Lösungsvorschlag 3</u>.  
+
*So only <u>solution 3</u> is correct.  
*Der erste Vorschlag beschreibt nicht die WDF $f_{\rm V}(\tau)$, sondern die Impulsantwort $h(\tau)$.  
+
*The first option does not describe the PDF $f_{\rm V}(\tau)$, but the impulse response $h(\tau)$.  
*Die zweite Gleichung gibt das Verzögerungs&ndash;LDS ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ an.
+
*The second equation specifies the delay &ndash;power spectral density ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Beim Kanal &nbsp;$\rm A$&nbsp; sind die beiden Impulsgewichte gleich.  
+
'''(3)'''&nbsp; For channel &nbsp;$\rm A$&nbsp; the two impulse weights are equal.  
*Damit kann für den Mittelwert $m_{\rm V}$ und die Standardabweichung $\sigma_{\rm V} = T_{\rm V}$ ohne große Rechnung geschrieben werden:
+
*This means that the mean value $m_{\rm V}$ and the standard deviation $\sigma_{\rm V} = T_{\rm V}$ can be computed simply:
 
:$$m_{\rm V} = \frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm} {= 0.5\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm},
 
:$$m_{\rm V} = \frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm} {= 0.5\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm},
 
  \hspace{0.2cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} =\frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5\,{\rm &micro; s}}
 
  \hspace{0.2cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} =\frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5\,{\rm &micro; s}}
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Beim Kanal &nbsp;$\rm B$&nbsp; sind die Impulsgewichte $1/(1+0.5^2) = 0.8$ (für $\tau = 0$) und $0.2$ (für $\tau = 1 \ \rm &micro; s$).
+
For channel &nbsp;$\rm B$&nbsp; the Dirac weights are $1/(1+0.5^2) = 0.8$ (for $\tau = 0$) and $0.2$ (for $\tau = 1 \ \rm &micro; s$).
* Damit erhält man für den linearen und den quadratischen Mittelwert nach den [[Stochastische_Signaltheorie/Erwartungswerte_und_Momente#Momentenberechnung_als_Scharmittelwert|grundlegenden Gesetzen]] der Statistik:
+
* According to the [[Stochastische_Signaltheorie/Erwartungswerte_und_Momente#Momentenberechnung_als_Scharmittelwert|basic laws]] of statistics, the noncentral first and second order moments are:
 
:$$m_{\rm 1} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0 + 0.2 \cdot 1\,{\rm &micro; s} = 0.2\,{\rm &micro; s} \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}
 
:$$m_{\rm 1} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0 + 0.2 \cdot 1\,{\rm &micro; s} = 0.2\,{\rm &micro; s} \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}
 
m_{\rm 2} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0^2 + 0.2 \cdot (1\,{\rm &micro; s})^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 \hspace{0.05cm}.$$
 
m_{\rm 2} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0^2 + 0.2 \cdot (1\,{\rm &micro; s})^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 \hspace{0.05cm}.$$
  
*Zum gesuchten Ergebnis kommt man mit dem [[Stochastische_Signaltheorie/Erwartungswerte_und_Momente#Einige_h.C3.A4ufig_benutzte_Zentralmomente| Satz von Steiner]].
+
*To get the result you are looking for you can use the [[Stochastische_Signaltheorie/Erwartungswerte_und_Momente#Einige_h.C3.A4ufig_benutzte_Zentralmomente| Steiner's Theorem]].
 
:$$\sigma_{\rm V}^2 = m_{\rm 2} - m_{\rm 1}^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 - (0.2\,{\rm &micro; s})^2 = 0.16\,({\rm &micro; s})^2
 
:$$\sigma_{\rm V}^2 = m_{\rm 2} - m_{\rm 1}^2 = 0.2\,({\rm &micro; s})^2 - (0.2\,{\rm &micro; s})^2 = 0.16\,({\rm &micro; s})^2
 
   \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V}  \hspace{0.15cm}\underline {= 0.4\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V}  \hspace{0.15cm}\underline {= 0.4\,{\rm &micro; s}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Die Frequenz&ndash;Korrelationsfunktion ist die Fouriertransformierte von ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + \delta(\tau \, &ndash; \tau_0)$:
+
'''(4)'''&nbsp; The frequency correlation function is the Fourier transform of ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + \delta(\tau \, &ndash; \tau_0)$:
 
:$$\varphi_{\rm F}(\Delta f) = 1 + {\rm exp}(-{\rm j} \cdot 2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) = 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot  {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) $$
 
:$$\varphi_{\rm F}(\Delta f) = 1 + {\rm exp}(-{\rm j} \cdot 2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) = 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot  {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) $$
[[Datei:P_ID2186__Mob_Z_2_7d.png|right|frame|Frequenzkorrelationsfunktion und Kohärenzbandbreite]]
+
[[Datei:P_ID2186__Mob_Z_2_7d.png|right|frame|Frequency correlation function and coherence bandwidth]]
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} |\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = \sqrt{2 +  2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) }\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} |\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = \sqrt{2 +  2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) }\hspace{0.05cm}.$$
  
*Das Funktionsmaximum bei $\Delta f = 0$ ist gleich $2$.  
+
*The maximum at $\delta f = 0$ is equal to $2$.  
*Deshalb lautet die Bestimmungsgleichung für $B_{\rm K}$:
+
*Therefore the equation to determine $B_{\rm K}$ is
:$$|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})| = 1 \hspace{0.3cm} $$
+
$$|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})| = 1 \hspace{0.3cm} $$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})|^2 = 1
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})|^2 = 1
  \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = 1$$
+
  \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = 1$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = -0.5 \hspace{0.3cm} $$
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = -0.5 \hspace{0.3cm} $$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0 = \frac{2\pi}{3}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}B_{\rm K} = \frac{1}{3\tau_0} = 333\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0 = \frac{2\pi}{3}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}B_{\rm K} = \frac{1}{3\tau_0} = 333\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Richtig ist somit der <u>Lösungsvorschlag 1</u>. Die Grafik (blaue Kurve) verdeutlicht das Ergebnis.
+
*<u>Solution 1</u> is therefore correct. The graph (blue curve) illustrates the result.
  
 
+
'''(5)'''&nbsp; For channel &nbsp;${\rm B}$&nbsp; the corresponding equations are
 
 
'''(5)'''&nbsp; Für den Kanal &nbsp;${\rm B}$&nbsp; lauten die entsprechenden Gleichungen:
 
 
:$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1^2 \cdot \delta(\tau) + (-0.5)^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}
 
:$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1^2 \cdot \delta(\tau) + (-0.5)^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}
 
\varphi_{\rm F}(\Delta f) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}  1 + 0.25 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot 0.25 \cdot  {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0)\hspace{0.05cm},$$
 
\varphi_{\rm F}(\Delta f) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}  1 + 0.25 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot 0.25 \cdot  {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0)\hspace{0.05cm},$$
Zeile 127: Zeile 124:
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Max}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 1.25\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Min}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 0.75\hspace{0.05cm}.$$
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Max}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 1.25\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Min}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 0.75\hspace{0.05cm}.$$
  
*Man erkennt an diesem Resultat, dass hier die $50\%$&ndash;Kohärenzbandbreite nicht angebbar ist.  
+
*You can see from this result that the $50\%$&ndash;coherence bandwidth cannot be specified here.  
*Richtig ist also der <u>Lösungsvorschlag 4</u>.
+
*Therefore, <u>solution 4</u> is correct.
  
  
Dieses Ergebnis ist der Grund dafür, dass es für die Kohärenzbandbreite in der Literatur unterschiedliche Definitionen gibt, zum Beispiel:
+
This result is the reason why there are different definitions for the coherence range in the literature, for example
* die $90\%$&ndash;Kohärenzbandbreite (im Beispiel wäre $B_{\rm K, \hspace{0.03cm} 90\%} =184 \ \rm kHz$),
+
* the $90\%$&ndash;coherence bandwidth (in the example $B_{\rm K, \hspace{0.03cm} 90\%} =184 \ \ \rm kHz$),
* die vorne angegebene sehr einfache Näherung $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$ (im Beispiel $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' =1 \ \rm MHz$).
+
* the very simple approximation $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$ given above (in the example $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' =1 \ \ \rm MHz$)
  
  
Man erkennt bereits an diesen Zahlenwerten, dass alle diesbezüglichen Angaben sehr vage sind und sich die einzelnen &bdquo;Kohärenzbandbreiten&rdquo; um Faktoren unterscheiden können.
+
You can see from these numerical values that all the information on this is very vague and that the individual &bdquo;coherence bandwidths&rdquo; can be very different.
 +
 
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
 
  
  
 
[[Category:Exercises for Mobile Communications|^2.3 The GWSSUS Channel Model^]]
 
[[Category:Exercises for Mobile Communications|^2.3 The GWSSUS Channel Model^]]

Aktuelle Version vom 20. Mai 2020, 17:44 Uhr

Two two-path channels

For the GWSSUS–model, two parameters are given, which both statistically capture the resulting delay  $\tau$ . More information on the topic „multipath propagation” can be found in section  Simulation gemäß dem GWSSUS–Modell  of the theory part.

  • The  delay spread  $T_{\rm V}$  is by definition equal to the standard deviation of the random variable  $\tau$.
    This can be determined from the probability density  $f_{\rm V}(\tau)$ . The PDF  $f_{\rm V}(\tau)$  has the same shape as the delay power density spectrum  ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.
  • The  coherence bandwidth  $B_{\rm K}$  describes the same situation in the frequency domain.
    It is defined as the value of $\Delta f$ at which the magnitude of the frequency correlation function  $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$  first drops to half its maximum value:
$$|\varphi_{\rm F}(\Delta f = B_{\rm K})| \stackrel {!}{=} {1}/{2} \cdot |\varphi_{\rm F}(\Delta f = 0)| \hspace{0.05cm}.$$

The relationship between  ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$  and  $\varphi_{\rm F}(\Delta f)$  is given by the Fourier transform:

$$\varphi_{\rm F}(\Delta f) \hspace{0.2cm} {\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ} \hspace{0.2cm} {\it \Phi}_{\rm V}(\tau)\hspace{0.05cm}.$$
  • Both definitions are only partially suitable for a time-invariant channel.
  • For a time invariant two-path channel (i.e. one with constant path weights according to the above graph), the following approximation for the coherence bandwidth is often used:
$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' = \frac{1}{\tau_{\rm max} - \tau_{\rm min}} \hspace{0.05cm}.$$


In this task we want to clarify

  • why there are different definitions for the coherence bandwidth in the literature,
  • which connection exists between  $B_{\rm K}$  and  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$  and
  • which definitions make sense for which boundary conditions.




Notes:



Questionnaire

1

What is the approximate coherence bandwidth   $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$  for channels  $\rm A$  and  $\rm B$?

Channel  ${\rm A} \text{:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ $

$\ \ \rm kHz$
Channel  ${\rm B} \text{:} \hspace{0.4cm} B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ = \ $

$\ \ \rm kHz$

2

Let $G$  be the weight of the second path. What is the PDF  $f_{\rm V}(\tau)$?

$f_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + G \cdot \delta(\tau \, –\tau_0)$,
$f_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + G^2 \cdot \delta(\tau \, –\tau_0)$,
$f_{\rm V}(\tau) = 1/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau) + G^2/(1 + G^2) \cdot \delta(\tau \, –\tau_0)$.

3

Calculate the delay spread  $ T_{\rm V}$.

Channel  ${\rm A} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ $

$\ \rm µ s$
Channel  ${\rm B} \text{:} \hspace{0.4cm} T_{\rm V} \ = \ $

$\ \rm µ s$

4

What is the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$  of channel  ${\rm A}$ ?

  $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
  $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
  $B_{\rm K} = 1 \ \rm MHz$.
$B_{\rm K}$  cannot be calculated according to this definition.

5

What is the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$  of channel  ${\rm B}$ ?

  $B_{\rm K} = 333 \ \rm kHz$.
  $B_{\rm K} = 500 \ \rm kHz$.
  $B_{\rm K} = 1 \ \ \rm MHz$.
$B_{\rm K}$  cannot be calculated according to this definition.


Sample solution

(1)  For both channels, the delay difference is $\Delta \tau = \tau_{\rm max} \, - \tau_{\rm min} = 1 \ \ \rm µ s$.

  • That's why both channels have the same value:

$$B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' \ \ \underline {= 1000 \ \rm kHz}.$$

(2)  The graphs refer to the impulse response $h(\tau)$.

  • To obtain the delay–power density spectrum, the weights must be squared:
$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = 1^2 \cdot \delta(\tau) + G^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
  • The integral of ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$ is therefore $1 + G^2$.
  • The probability density function (PDF), however, must have „area 1” (i.e., the sum of the two Dirac weights must be $1$). From this follows:
$$f_{\rm V}(\tau) = \frac{1}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau) + \frac{G^2}{1 + G^2} \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.$$
  • So only solution 3 is correct.
  • The first option does not describe the PDF $f_{\rm V}(\tau)$, but the impulse response $h(\tau)$.
  • The second equation specifies the delay –power spectral density ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau)$.


(3)  For channel  $\rm A$  the two impulse weights are equal.

  • This means that the mean value $m_{\rm V}$ and the standard deviation $\sigma_{\rm V} = T_{\rm V}$ can be computed simply:
$$m_{\rm V} = \frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm} {= 0.5\,{\rm µ s}}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} =\frac{\tau_0}{2} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5\,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$

For channel  $\rm B$  the Dirac weights are $1/(1+0.5^2) = 0.8$ (for $\tau = 0$) and $0.2$ (for $\tau = 1 \ \rm µ s$).

  • According to the basic laws of statistics, the noncentral first and second order moments are:
$$m_{\rm 1} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0 + 0.2 \cdot 1\,{\rm µ s} = 0.2\,{\rm µ s} \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} m_{\rm 2} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 0.8 \cdot 0^2 + 0.2 \cdot (1\,{\rm µ s})^2 = 0.2\,({\rm µ s})^2 \hspace{0.05cm}.$$
$$\sigma_{\rm V}^2 = m_{\rm 2} - m_{\rm 1}^2 = 0.2\,({\rm µ s})^2 - (0.2\,{\rm µ s})^2 = 0.16\,({\rm µ s})^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}T_{\rm V} = \sigma_{\rm V} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.4\,{\rm µ s}}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  The frequency correlation function is the Fourier transform of ${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) = \delta(\tau) + \delta(\tau \, – \tau_0)$:

$$\varphi_{\rm F}(\Delta f) = 1 + {\rm exp}(-{\rm j} \cdot 2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) = 1 + {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) $$
Frequency correlation function and coherence bandwidth
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} |\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = \sqrt{2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) }\hspace{0.05cm}.$$
  • The maximum at $\delta f = 0$ is equal to $2$.
  • Therefore the equation to determine $B_{\rm K}$ is

$$|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})| = 1 \hspace{0.3cm} $$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm}|\varphi_{\rm F}(B_{\rm K})|^2 = 1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}2 + 2 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = 1$$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm cos}(2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0) = -0.5 \hspace{0.3cm} $$ $$\Rightarrow \hspace{0.3cm}2\pi \cdot B_{\rm K} \cdot \tau_0 = \frac{2\pi}{3}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}B_{\rm K} = \frac{1}{3\tau_0} = 333\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$

  • Solution 1 is therefore correct. The graph (blue curve) illustrates the result.

(5)  For channel  ${\rm B}$  the corresponding equations are

$${\it \Phi}_{\rm V}(\tau) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1^2 \cdot \delta(\tau) + (-0.5)^2 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} \varphi_{\rm F}(\Delta f) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1 + 0.25 \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) -{\rm j} \cdot 0.25 \cdot {\rm sin}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0)\hspace{0.05cm},$$
$$|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}= \sqrt{\frac{17}{16} + \frac{1}{2} \cdot {\rm cos}(2\pi \cdot \Delta f \cdot \tau_0) }\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Max}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 1.25\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Min}\hspace{0.1cm}|\varphi_{\rm F}(\Delta f)| = 0.75\hspace{0.05cm}.$$
  • You can see from this result that the $50\%$–coherence bandwidth cannot be specified here.
  • Therefore, solution 4 is correct.


This result is the reason why there are different definitions for the coherence range in the literature, for example

  • the $90\%$–coherence bandwidth (in the example $B_{\rm K, \hspace{0.03cm} 90\%} =184 \ \ \rm kHz$),
  • the very simple approximation $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'$ given above (in the example $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}' =1 \ \ \rm MHz$)


You can see from these numerical values that all the information on this is very vague and that the individual „coherence bandwidths” can be very different.