Digitalsignalübertragung/Lineare Nyquistentzerrung: Unterschied zwischen den Versionen

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== Struktur des optimalen Nyquistentzerrers ==
 
== Struktur des optimalen Nyquistentzerrers ==
 
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In diesem Abschnitt gehen wir von folgendem Blockschaltbild eines Binärsystems aus.<br>
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In diesem Abschnitt gehen wir von folgendem Blockschaltbild eines Binärsystems aus.&nbsp; Hierzu ist anzumerken:
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[[Datei:P ID1423 Dig T 3 5 S1 version1.png|right|frame|Blockschaltbild des optimalen Nyquistentzerrers|class=fit]]
  
[[Datei:P ID1423 Dig T 3 5 S1 version1.png|Blockschaltbild des optimalen Nyquistentzerrers|class=fit]]<br>
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*Die&nbsp; "Diracquelle"&nbsp; liefert die zu übertragende Nachricht in binärer bipolarer Form  &nbsp; &rArr; &nbsp; Amplitudenkoeffizienten &nbsp;$a_\nu \in \{ -1, \hspace{0.05cm}+1\}$.&nbsp; Die Quelle wird als redundanzfrei vorausgesetzt.<br>
  
Hierzu ist anzumerken:
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*Die&nbsp; "Sendeimpulsform" &nbsp;$g_s(t)$&nbsp; wird durch den Senderfrequenzgang &nbsp;$H_{\rm S}(f)$&nbsp; berücksichtigt.&nbsp; Bei allen Beispielen ist &nbsp;$H_{\rm S}(f) = {\rm si}(\pi f T)$&nbsp; zugrunde gelegt &nbsp; &rArr; &nbsp; NRZ&ndash;Rechteck&ndash;Sendeimpulse.<br>
*Die Diracquelle liefert die zu übertragende Nachricht (Amplitudenkoeffizienten <i>a<sub>&nu;</sub></i>) in binärer bipolarer Form. Sie wird als redundanzfrei vorausgesetzt.<br>
 
  
*Die Sendeimpulsform <i>g<sub>s</sub></i>(<i>t</i>) wird durch den Senderfrequenzgang <i>H</i><sub>S</sub>(<i>f</i>) berücksichtigt. Bei allen Beispielen ist <i>H</i><sub>S</sub>(<i>f</i>) = si(&pi; <i>f</i> <i>T</i>) zugrunde gelegt.<br>
+
*Bei manchen Herleitungen werden Sender und Kanal durch den&nbsp; "gemeinsamen Frequenzgang" &nbsp;$H_{\rm SK}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f)$&nbsp; zusammengefasst.<br>
  
*Bei manchen Herleitungen werden Sender und Kanal &ndash; hierfür wird meist ein Koaxialkabel angenommen &ndash; durch den gemeinsamen Frequenzgang <i>H</i><sub>SK</sub>(<i>f</i>) = <i>H</i><sub>S</sub>(<i>f</i>) &middot; <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) zusammengefasst.<br>
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*Das Empfangsfilter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; setzt sich multiplikativ aus dem &nbsp;[[Stochastische_Signaltheorie/Matched-Filter|Matched&ndash;Filter]]&nbsp; $H_{\rm MF}(f) = H_{\rm SK}^\star(f)$&nbsp; und dem &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Lineare_Nyquistentzerrung#Wirkungsweise_des_Transversalfilters|Transversalfilter]]&nbsp; $H_{\rm TF}(f)$ zusammen,&nbsp; zumindest kann es gedanklich so aufgespalten werden.
  
*Das Empfangsfilter <i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>) setzt sich multiplikativ aus dem Matched&ndash;Filter <i>H</i><sub>MF</sub>(<i>f</i>) = <i>H</i><sub>SK</sub><sup>&#8727;</sup>(<i>f</i>) und dem Transversalfilter <i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) zusammen, zumindest kann es gedanklich so aufgespalten werden.
+
*Der Gesamtfrequenzgang zwischen Diracquelle und Schwellenwertentscheider soll die &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#Erstes_Nyquistkriterium_im_Frequenzbereich|"erste Nyquistbedingung"]]&nbsp; erfüllen.&nbsp; Es muss also gelten:
 
+
:$$H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f)
*Der Gesamtfrequenzgang zwischen der Diracquelle und dem Schwellenwertentscheider soll die [http://www.lntwww.de/Digitalsignal%C3%BCbertragung/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#Erstes_Nyquistkriterium_im_Frequenzbereich erste Nyquistbedingung] erfüllen. Es muss also gelten:
 
 
 
::<math>H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f)
 
 
  = H_{\rm Nyq}(f)
 
  = H_{\rm Nyq}(f)
  \hspace{0.05cm}.</math>
+
  \hspace{0.05cm}.$$
 
 
*Mit dieser Bedingung ergibt sich die maximale Augenöffnung (keine Impulsinterferenzen). Deshalb gelten für das Detektions&ndash;SNR und den Systemwirkungsgrad bei binärer Signalisierung:
 
  
::<math>\rho_d = \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{\sigma_d^2} =  \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{N_0}\cdot \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2}
+
*Mit dieser Bedingung  gibt es keine Impulsinterferenzen und man erhält die maximale Augenöffnung.&nbsp; Deshalb gelten für das &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisbandübertragung#Optimaler_Bin.C3.A4rempf.C3.A4nger_-_Realisierung_mit_Matched-Filter|"Detektions&ndash;SNR"]]&nbsp; und den &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Optimierung_der_Basisbandübertragungssysteme#Systemoptimierung_bei_Spitzenwertbegrenzung|"Systemwirkungsgrad"]]&nbsp; bei binärer Signalisierung:
 +
:$$\rho_d = \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{\sigma_d^2} =  \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{N_0}\cdot \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2}
 
   \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
   \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  \eta = \frac{\rho_d }{\rho_{d,\hspace{0.05cm} {\rm max}}}
 
  \eta = \frac{\rho_d }{\rho_{d,\hspace{0.05cm} {\rm max}}}
 
= \frac{\rho_d }{2 \cdot s_0^2 \cdot T/N_0}
 
= \frac{\rho_d }{2 \cdot s_0^2 \cdot T/N_0}
 
= \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2}
 
= \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2}
\hspace{0.05cm}.</math>
+
\hspace{0.05cm}.$$
  
*Die Optimierungsaufgabe beschränkt sich also darauf, das Empfangsfilter <i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>) so zu bestimmen, dass die normierte Rauschleistung vor dem Entscheider den kleinstmöglichen Wert annimmt:
+
*Die Optimierungsaufgabe beschränkt sich also darauf,&nbsp; das Empfangsfilter &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; so zu bestimmen,&nbsp; dass die normierte Rauschleistung vor dem Entscheider den kleinstmöglichen Wert annimmt:
  
 
::<math>\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/
 
::<math>\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/
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\,{\rm d} f \stackrel {!}{=} {\rm Minimum}\hspace{0.05cm}.</math>
 
\,{\rm d} f \stackrel {!}{=} {\rm Minimum}\hspace{0.05cm}.</math>
  
*Wir bezeichnen die Konfiguration als  Optimale Nyquistentzerrung (ONE). Obwohl diese auch &ndash; und besonders effektiv &ndash; bei Mehrstufensystemen anwendbar ist, setzen wir zunächst <i>M</i> = 2.<br><br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
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$\text{Definition:}$&nbsp; Wir bezeichnen die hier beschriebene Konfiguration als  &nbsp;'''Optimale Nyquistentzerrung'''&nbsp; $\rm (ONE)$. }}
 +
 
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Obwohl diese auch &ndash; und besonders effektiv &ndash; bei Mehrstufensystemen anwendbar ist,&nbsp; setzen wir zunächst &nbsp;$M = 2$.
  
== Wirkungsweise des Transversalfilters (1) ==
+
== Wirkungsweise des Transversalfilters==
 
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[[Datei:P ID1424 Dig T 3 5 S2 version2.png|right|frame|Transversalfilter (zweiter Ordnung) als Teil des optimalen Nyquistentzerrers|class=fit]]
 
Verdeutlichen wir uns zunächst die Aufgabe des symmetrischen Transversalfilters
 
Verdeutlichen wir uns zunächst die Aufgabe des symmetrischen Transversalfilters
 
+
:$$H_{\rm TF}(f) \hspace{0.4cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ
:<math>H_{\rm TF}(f) \hspace{0.4cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ
 
 
  \hspace{0.4cm}  
 
  \hspace{0.4cm}  
 
h_{\rm TF}(t) = \sum_{\lambda = -N}^{+N} k_\lambda \cdot \delta(t - \lambda \cdot T)
 
h_{\rm TF}(t) = \sum_{\lambda = -N}^{+N} k_\lambda \cdot \delta(t - \lambda \cdot T)
  \hspace{0.05cm}.</math>
+
$$
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 +
mit folgenden Eigenschaften:
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*$N$&nbsp; gibt die&nbsp; "Ordnung"&nbsp; des Filters an &nbsp; &rArr; &nbsp; die Grafik zeigt ein Filter zweiter Ordnung &nbsp;$(N=2)$.
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*Für die Filterkoeffizienten gilt &nbsp;$k_{-\lambda} = k_{\lambda}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; symmetrische Struktur &nbsp; &rArr; &nbsp; $H_{\rm TF}(f)$ ist reell.
 +
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*$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; ist somit durch die Koeffizienten &nbsp;$k_0$, ... , $k_N$&nbsp; vollständig bestimmt.  
  
<i>N</i> gibt die Ordnung des Filters an. Für die Filterkoeffizienten gilt <i>k</i><sub>&ndash;&lambda;</sub> = <i>k</i><sub>&lambda;</sub>. Dieses Filter ist somit durch die Koeffizienten <i>k</i><sub>0</sub>, ... , <i>k<sub>N</sub></i> vollständig bestimmt. Die Grafik zeigt ein Filter zweiter Ordnung (<i>N</i> = 2).<br>
 
  
[[Datei:P ID1424 Dig T 3 5 S2 version2.png|Transversalfilter als Teil des optimalen Nyquistentzerrers|class=fit]]<br>
+
Für den Eingangsimpuls &nbsp;$g_m(t)$&nbsp; setzen wir ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit voraus, dass dieser
  
Für den Eingangsimpuls <i>g<sub>m</sub></i>(<i>t</i>) setzen wir ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit voraus, dass dieser
+
*symmetrisch um &nbsp;$t=0$&nbsp;  ist&nbsp; $($Ausgang des Matched&ndash;Filters$)$,<br>
  
*symmetrisch um <i>t</i> = 0 ist (Ausgang des Matched&ndash;Filters),<br>
+
*zu den Zeiten &nbsp;$\nu \cdot T$&nbsp; und &nbsp;$-\nu \cdot T$&nbsp; jeweils den Wert &nbsp;$g_m(\nu)$ besitzt.<br>
*zu den Zeiten <i>&nu;</i><i>T</i> und &ndash;<i>&nu;</i><i>T</i> den Wert <i>g<sub>m</sub></i>(<i>&nu;</i>) besitzt.<br><br>
 
  
Damit sind die Eingangsimpulswerte:
 
  
:<math>...\hspace{0.2cm} , g_m(3),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}\hspace
+
Damit lauten die Eingangsimpulswerte:
 +
:$$\text{...}\hspace{0.2cm} , g_m(3),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}\hspace
 
{0.15cm}g_m(0),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(3),\hspace{0.1cm}
 
{0.15cm}g_m(0),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(3),\hspace{0.1cm}
... \hspace{0.05cm}.</math>
+
\text{...}\hspace{0.05cm}.$$
 
 
Für den Detektionsgrundimpuls <i>g<sub>d</sub></i>(<i>t</i>) am Filterausgang ergeben sich demzufolge zu den Zeitpunkten <i>&nu;</i><i>T</i> mit den Abkürzungen <i>g</i><sub>0</sub> = <i>g<sub>d</sub></i>(<i>t</i> = 0), <i>g</i><sub>1</sub> = <i>g<sub>d</sub></i>(<i>t</i> = &plusmn;<i>T</i>), <i>g</i><sub>2</sub> = <i>g<sub>d</sub></i>(<i>t</i> = &plusmn;2<i>T</i>) folgende Werte:
 
 
 
:<math> t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_0  =  k_0 \cdot g_m(0) + k_1 \cdot 2
 
\cdot g_m(1) \hspace{1.23cm}+k_2 \cdot 2 \cdot g_m(2),\hspace{0.05cm} </math>
 
:<math> t = \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_1  =  k_0 \cdot g_m(1) + k_1
 
\cdot [g_m(0)+g_m(2)]+ k_2 \cdot [g_m(1)+g_m(3)], </math>
 
:<math> t = \pm 2T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2  =  k_0 \cdot g_m(2) + k_1
 
\cdot [g_m(1)+g_m(3)]+ k_2  \cdot [g_m(2)+g_m(4)]
 
\hspace{0.05cm}. </math>
 
  
Aus diesem System mit drei linear unabhängigen Gleichungen kann man nun die Filterkoeffizienten <i>k</i><sub>0</sub>, <i>k</i><sub>1</sub> und <i>k</i><sub>2</sub> so bestimmen, dass der Detektionsgrundimpuls <i>g<sub>d</sub></i>(<i>t</i>) durch die normierten Stützstellen
+
Für den Detektionsgrundimpuls &nbsp;$g_d(t)$&nbsp;  am Filterausgang ergeben sich demzufolge zu den Zeitpunkten &nbsp;$\nu \cdot T$&nbsp; mit den Abkürzungen &nbsp;$g_0 =g_d(t= 0)$, &nbsp; $g_1 =g_d(t= \pm T)$, &nbsp; $g_2 =g_d(t= \pm 2T)$&nbsp; folgende Werte:
 +
:$$ t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.9cm}g_0  =  k_0 \cdot g_m(0) + k_1 \cdot 2
 +
\cdot g_m(1) \hspace{1.23cm}+k_2 \cdot 2 \cdot g_m(2),\hspace{0.05cm} $$
 +
:$$ t = \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.45cm}g_1  =  k_0 \cdot g_m(1) + k_1
 +
\cdot \big [g_m(0)+g_m(2)]+ k_2 \cdot [g_m(1)+g_m(3) \big ], $$
 +
:$$ t = \pm 2T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2  =  k_0 \cdot g_m(2) + k_1
 +
\cdot \big [g_m(1)+g_m(3)\big ]+ k_2  \cdot \big [g_m(2)+g_m(4)\big ]
 +
\hspace{0.05cm}. $$
  
:<math>...\hspace{0.15cm} , g_3,\hspace{0.25cm}g_2 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_1 = 0
+
Aus diesem System mit drei linear unabhängigen Gleichungen kann man nun die Filterkoeffizienten &nbsp;$k_0$, &nbsp;$k_1$&nbsp; und&nbsp; $k_2$&nbsp; so bestimmen,&nbsp; dass der Detektionsgrundimpuls &nbsp;$g_d(t)$&nbsp; folgende Stützstellen aufweist:
 +
:$$\text{...}\hspace{0.15cm} , g_3,\hspace{0.25cm}g_2 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_1 = 0
 
,\hspace{0.15cm}g_0 = 1,\hspace{0.15cm}g_1 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_2
 
,\hspace{0.15cm}g_0 = 1,\hspace{0.15cm}g_1 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_2
= 0 ,\hspace{0.25cm}g_3 ,\hspace{0.15cm} ...</math>
+
= 0 ,\hspace{0.25cm}g_3 ,\hspace{0.15cm} \text{...}$$
 
 
vollständig gegeben ist. Auf der nächsten Seite wird die Optimierung der Filterkoeffizienten an einem einfachen Beispiel verdeutlicht.<br>
 
 
 
== Wirkungsweise des Transversalfilters (2) ==
 
<br>
 
{{Beispiel}}''':''' Wir gehen von dem symmetrischen Eingangssignal entsprechend dem oberen Diagramm aus. Mit der Abkürzung <i>g<sub>m</sub></i>(<i>&nu;</i>) = <i>g<sub>m</sub></i>(&plusmn; <i>&nu;</i> &middot; <i>T</i>) gibt es folgende Abtastwerte im Abstand der Symboldauer <i>T</i>:
 
 
 
:<math>g_m(t) = {\rm exp }\left ( - \sqrt{2 \cdot |t|/T}\right )</math>
 
 
 
:<math>\Rightarrow \hspace{0.3cm} g_m(0) = 1 ,\hspace{0.15cm}g_m(1)=
 
0.243,\hspace{0.15cm}g_m(2)= 0.135,\hspace{0.15cm}g_m(3)= 0.086,
 
\hspace{0.15cm}g_m(4)= 0.059 \hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Für den Ausgangsimpuls soll <i>g<sub>d</sub></i>(0) = 1 und <i>g<sub>d</sub></i>(&plusmn;<i>T</i>) = 0 gelten. Hierzu eignet sich ein Laufzeitfilter erster Ordnung mit den Koeffizienten <i>k</i><sub>0</sub> und <i>k</i><sub>1</sub>, die folgende Bedingungen erfüllen müssen:
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Wir gehen von dem symmetrischen Eingangssignal entsprechend dem oberen Diagramm in der Grafik aus.&nbsp; Mit der Abkürzung &nbsp;$g_m(\nu)= g_m(\pm \nu \cdot T)$&nbsp; gibt es folgende Abtastwerte im Abstand der Symboldauer &nbsp;$T$:
 +
:$$g_m(t) = {\rm e}^{  - \sqrt{2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \vert /T} }\hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm} g_m(0) = 1 ,\hspace{0.35cm}g_m(1)=
 +
0.243,\hspace{0.35cm}g_m(2)= 0.135,\hspace{0.35cm}g_m(3)= 0.086,
 +
\hspace{0.35cm}g_m(4)= 0.059 \hspace{0.05cm}.$$
  
:<math>t = \pm T\hspace{-0.1cm}  :  \hspace{0.2cm}g_1 = k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot
+
&rArr; &nbsp; Für den Ausgangsimpuls soll &nbsp;$g_d(t =0) = 1$&nbsp; und&nbsp;  $g_d(t =\pm T) = 0$&nbsp; gelten.&nbsp; Hierzu eignet sich ein Laufzeitfilter erster Ordnung mit den Koeffizienten &nbsp;$k_0$&nbsp; und&nbsp;  $k_1$,&nbsp; die folgende Bedingungen erfüllen müssen:
[1.000 +0.135] = 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow
+
[[Datei:P ID1425 Dig T 3 5 S2b version1.png|right|frame|Eingangs- und Ausgangsimpuls des optimalen Nyquistentzerrers]]
 +
:$$t = \pm T\hspace{-0.1cm}  :  \hspace{0.2cm}g_1 = k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot
 +
\big [1.000 +0.135 \big  ] = 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow
 
\hspace{0.3cm}{k_1} =
 
\hspace{0.3cm}{k_1} =
-0.214 \cdot {k_0}\hspace{0.05cm},</math>
+
-0.214 \cdot {k_0}\hspace{0.05cm},$$
:<math> t = 0 \hspace{-0.1cm}  :  \hspace{0.2cm}g_0 = k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2 \cdot
+
:$$ t = 0 \hspace{-0.1cm}  :  \hspace{0.6cm}g_0 = k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2 \cdot
 
0.243= 1\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}0.896 \cdot {k_0}
 
0.243= 1\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}0.896 \cdot {k_0}
= 1 \hspace{0.05cm}.</math>
+
= 1 \hspace{0.05cm}.$$
 
 
[[Datei:P ID1425 Dig T 3 5 S2b version1.png|rechts|Eingangs- und Ausgangsimpuls des optimalen Nyquistentzerrers]]<br>
 
 
 
Daraus erhält man die optimalen Filterkoeffizienten <i>k</i><sub>0</sub> = 1.116 und <i>k</i><sub>1</sub> = 0.239. Das mittlere Diagramm zeigt, dass damit der erste Vorläufer und der erste Nachläufer kompensiert werden können und zugleich <i>g<sub>d</sub></i>(0) = 1 gilt (gelbe Hinterlegung). Die weiteren Detektionsgrundimpulswerte (blaue Kreise) sind aber von 0 verschieden und bewirken Impulsinterferenzen.<br><br>
 
  
Das untere Diagramm zeigt, dass mit einem Filter zweiter Ordnung (<i>N</i> = 2) Nulldurchgänge bei &plusmn;<i>T</i> und bei &plusmn;2<i>T</i> erzwungen werden, wenn die Koeffizienten <i>k</i><sub>0</sub> = 1.127, <i>k</i><sub>1</sub> = 0.219 und <i>k</i><sub>2</sub> = 0.075 geeignet gewählt sind. Das Gleichungssystem zur Bestimmung der optimalen Koeffizienten lautet dabei:
+
Daraus erhält man die optimalen Filterkoeffizienten &nbsp;$k_0 = 1.116$&nbsp; und&nbsp; $k_1 = 0.239$.
 +
*Das mittlere Diagramm zeigt, dass damit der erste Vorläufer und der erste Nachläufer kompensiert werden können und zugleich &nbsp;$g_d(0) =1$&nbsp; gilt&nbsp; (gelbe Hinterlegung).
 +
 +
*Die weiteren Detektionsgrundimpulswerte&nbsp; (blaue Kreise)&nbsp; sind aber von Null verschieden und bewirken Impulsinterferenzen.<br>
  
:<math>t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_0  =  k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2
 
\cdot  0.243 + k_2 \cdot 2 \cdot 0.135 = 1\hspace{0.05cm},\\
 
t= \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_1  =  k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot
 
[1.000+0.135]+ k_2  \cdot [0.243+0.086] = 0\hspace{0.05cm},
 
\\
 
t = \pm 2 T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2  =  k_0 \cdot 0.135 + k_1 \cdot
 
[0.243+0.086]+ k_2 \cdot [1.000 + 0.059]= 0 \hspace{0.05cm}.</math>{{end}}<br>
 
  
Die Ergebnisse können wie folgt verallgemeinert werden:
+
&rArr; &nbsp; Das untere Diagramm zeigt,&nbsp;  dass mit einem Filter zweiter Ordnung &nbsp;$(N = 2)$&nbsp; Nulldurchgänge bei &nbsp;$\pm T$&nbsp; und bei &nbsp;$\pm 2T$&nbsp; erzwungen werden,&nbsp; wenn die Koeffizienten &nbsp;$k_0 = 1.127$, &nbsp;$k_1 = 0.219$&nbsp; und&nbsp; $k_2 =  0.075$&nbsp; geeignet gewählt sind.&nbsp; Das Gleichungssystem zur Bestimmung der optimalen Koeffizienten lautet dabei:
*Mit einem Laufzeitfilter <i>N</i>&ndash;ter Ordnung können der Hauptwert <i>g<sub>d</sub></i>(0) zu 1 (normiert) sowie die ersten <i>N</i> Nachläufer und die ersten <i>N</i> Vorläufer zu Null gemacht werden.<br>
+
:$$t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.85cm}g_0  =  k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2
 +
\cdot  0.243 + k_2 \cdot 2 \cdot 0.135 = 1\hspace{0.05cm},$$
 +
:$$t= \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.45cm}g_1  =  k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot
 +
\big [1.000+0.135 \big ]+ k_2  \cdot \big [0.243+0.086 \big ] = 0\hspace{0.05cm},$$
 +
:$$t = \pm 2 T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2  =  k_0 \cdot 0.135 + k_1 \cdot
 +
\big [0.243+0.086\big ]+ k_2 \cdot \big [1.000 + 0.059 \big ]= 0 \hspace{0.05cm}.$$}}<br>
  
*Weitere Vor&ndash; und Nachläufer (|<i>&nu;</i>| > <i>N</i>) lassen sich so nicht kompensieren. Es ist auch möglich, dass diese außerhalb des Kompensationsbereichs vergrößert werden oder sogar neu entstehen.<br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Fazit:}$&nbsp; Die Ergebnisse können wie folgt verallgemeinert werden:
 +
#Mit einem Laufzeitfilter &nbsp;$N$&ndash;ter Ordnung kann der Hauptwert zu &nbsp;$g_d(0)=1$&nbsp;  (normiert)&nbsp; gemacht werden
 +
# Außerdem können die ersten $N$&nbsp; Nachläufer &nbsp;$g_{\nu}$&nbsp; und die ersten $N$&nbsp;  Vorläufer &nbsp;$g_{-\nu}$&nbsp; zu Null gemacht werden.<br>
 +
#Weitere Vor&ndash; und Nachläufer &nbsp;$(\nu \gt N)$&nbsp; lassen sich so nicht kompensieren.  
 +
#Es ist sogar möglich,&nbsp; dass die Vor&ndash; und Nachläufer außerhalb des Kompensationsbereichs vergrößert werden oder sogar neu entstehen.<br>
 +
#Im Grenzübergang &nbsp;$N \to \infty$&nbsp; (in der Praxis heißt das: &nbsp; ein Filter mit sehr vielen Koeffizienten)&nbsp; ist eine vollständige Nyquistentzerrung und damit eine impulsinterferenzfreie Übertragung möglich.}}
  
*Im Grenzübergang <i>N</i> &#8594; &#8734; (in der Praxis heißt das: ein Filter mit sehr vielen Koeffizienten) ist eine vollständige Nyquistentzerrung und damit eine impulsinterferenzfreie Übertragung möglich.<br>
 
  
== Beschreibung im Frequenzbereich (1) ==
+
== Beschreibung im Frequenzbereich ==
 
<br>
 
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Die Tatsache, dass sich der optimale Nyquistentzerrer multiplikativ aus
+
Die Tatsache,&nbsp; dass sich der optimale Nyquistentzerrer multiplikativ aus
*dem Matched&ndash;Filter <i>H</i><sub>MF</sub>(<i>f</i>) = <i>H</i><sub>S</sub><sup>&#8727;</sup>(<i>f</i>) &middot; <i>H</i><sub>K</sub><sup>&#8727;</sup>(<i>f</i>) &ndash; also angepasst an den Empfangsgrundimpuls &ndash;<br>
+
*dem Matched&ndash;Filter &nbsp;$H_{\rm MF}(f) = H_{\rm S}^\star (f)\cdot H_{\rm K}^\star(f)$&nbsp; &ndash; also angepasst an den Empfangsgrundimpuls &nbsp;$g_r(t)$&nbsp; &ndash; und<br>
 
+
*einem Transversalfilter &nbsp;$H_{\rm MF}(f)$&nbsp; mit unendlich vielen Filterkoeffizienten<br><br>
*und einem Transversalfilter <i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) mit unendlich vielen Filterkoeffizienten<br><br>
 
 
 
zusammensetzt, folgt aus dem ersten Nyquistkriterium. Durch Anwendung der <i>Variationsrechnung</i> erhält man den Frequenzgang des Transversalfilters (siehe [ST85]<ref>Söder, G.; Tröndle, K.: ''Digitale Übertragungssysteme - Theorie, Optimierung & Dimensionierung der Basisbandsysteme.'' Berlin – Heidelberg: Springer, 1985.</ref>):
 
  
:<math>H_{\rm TF}(f) = \frac{1}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
+
zusammensetzt,&nbsp; folgt aus dem ersten Nyquistkriterium.&nbsp; Durch Anwendung der &nbsp;[https://de.wikipedia.org/wiki/Variationsrechnung "Variationsrechnung"]&nbsp; erhält man den Frequenzgang des Transversalfilters &ndash; siehe [ST85]<ref name='ST85'> Söder, G.; Tröndle, K.:&nbsp; "Digitale Übertragungssysteme - Theorie, Optimierung & Dimensionierung der Basisbandsysteme."&nbsp; Berlin – Heidelberg: Springer, 1985.</ref>:
 +
[[Datei:Dig_T_3_5_S3b_version2.png|right|frame|(Betrags&ndash;) Frequenzgang des Transversalfilter (links) und des gesamten optimalen Nyquistentzerrers (rechts)|class=fit]]
 +
$$H_{\rm TF}(f) = \frac{1}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
  \frac{\kappa}{T})
 
  \frac{\kappa}{T})
  |^2} \hspace{0.3cm}{\rm{mit}}\hspace{0.3cm}H_{\rm SK}(f) = H_{\rm S}(f)\cdot H_{\rm K}(f)
+
  |^2},$$
\hspace{0.05cm}.</math>
+
$$\text{wobei }H_{\rm SK}(f) = H_{\rm S}(f)\cdot H_{\rm K}(f).$$
 
 
Die Grafik zeigt diesen Verlauf in logarithmierter Form für rechteckförmige NRZ&ndash;Sendeimpulse und ein Koaxialkabel mit der charakteristischen Kabeldämpfung
 
*<i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 0 dB &nbsp;&#8658;&nbsp; grüne Null&ndash;Linie,<br>
 
*<i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 40 dB &nbsp;&#8658;&nbsp; blauer Funktionsverlauf,<br>
 
*<i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 80 dB &nbsp;&#8658;&nbsp; roter Funktionsverlauf.<br><br>
 
 
 
[[Datei:P ID1426 Dig T 3 5 S3 version1.png|Logarithmierter Frequenzgang des Transversalfilters|class=fit]]<br>
 
 
 
Man erkennt aus obiger Gleichung und dieser Skizze:
 
*<i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) ist reell, woraus sich die symmetrische Struktur des Transversalfilters ergibt: <i>k</i><sub>&ndash;&lambda;</sub> = <i>k</i><sub>&lambda;</sub>.<br>
 
  
*<i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) ist eine mit der Frequenz 1/<i>T</i> periodische Funktion.<br>
+
Die linke Grafik zeigt &nbsp;$20 \cdot \lg \ H_{\rm TF}(f)$&nbsp; im Bereich &nbsp;$| f | \le 1/T$.&nbsp; Vorausgesetzt sind rechteckförmige NRZ&ndash;Sendeimpulse und ein Koaxialkabel mit der charakteristischen Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star$.  
  
*Die Koeffizienten ergeben sich somit aus der Fourierreihe (angewandt auf die Spektralfunktion):
+
Man erkennt aus obiger Gleichung und Grafik:
 +
*$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; ist reell &nbsp; &rArr; &nbsp; symmetrische Transversalfilterstruktur &nbsp; &rArr; &nbsp; $k_{-\lambda} =k_{+\lambda} $.<br>
  
::<math>k_\lambda =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)}\frac{\cos(2 \pi f \lambda T)}  {\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
+
*$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; ist gleichzeitig eine mit der Frequenz &nbsp;$1/T$&nbsp; periodische Funktion &nbsp; &rArr; &nbsp;Koeffizienten des Filters ergeben sich aus der &nbsp;[[Signaldarstellung/Fourierreihe|"Fourierreihe"]]&nbsp; (angewandt auf die Spektralfunktion):
 +
:$$k_\lambda =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)}\frac{\cos(2 \pi f \lambda T)}  {\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
  {\kappa}/{T})
 
  {\kappa}/{T})
  |^2} \hspace{0.2cm} {\rm d} f \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.25cm}H_{\rm TF}(f) =
+
  |^2} \hspace{0.2cm} {\rm d} f$$
 +
:$$ \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.25cm}H_{\rm TF}(f) =
 
  \sum\limits_{\lambda = -\infty}^{+\infty} k_\lambda \cdot {\rm
 
  \sum\limits_{\lambda = -\infty}^{+\infty} k_\lambda \cdot {\rm
  e}^{-{\rm  j}2 \pi f \lambda T}\hspace{0.05cm}.</math>
+
  e}^{-{\rm  j}2 \pi f \lambda T}\hspace{0.05cm}.$$
 
 
Die Bildbeschreibung wird auf der nächsten Seite fortgesetzt.<br>
 
  
== Beschreibung im Frequenzbereich (2) ==
+
In der rechten Grafik ist der Frequenzgang &nbsp; $20 \cdot \lg \ |H_{\rm E}(f)|$ &nbsp; des gesamten Empfangsfilters einschließlich Matched&ndash;Filter dargestellt.&nbsp; Es gilt:
<br>
 
Die linke Grafik zeigt den Verlauf 20 &middot; lg <i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) im Bereich | <i>f</i> | &#8804; 1/<i>T</i>. Rechts ist der Frequenzgang 20 &middot; lg |<i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>)| des gesamten Empfangsfilters einschließlich Matched&ndash;Filter dargestellt. Es gilt:
 
  
:<math>H_{\rm E}(f) = H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = \frac{H_{\rm SK}^{^\star}(f)}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
+
:$$H_{\rm E}(f) = H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = \frac{H_{\rm SK}^{\star}(f)}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
  {\kappa}/{T})
 
  {\kappa}/{T})
  |^2}.</math>
+
  |^2}.$$
 
 
[[Datei:P ID1427 Dig T 3 5 S3b version1.png|Frequenzgang des optimalen Nyquistentzerrers|class=fit]]<br>
 
  
 
Zu diesen Darstellungen ist anzumerken:
 
Zu diesen Darstellungen ist anzumerken:
*Der Transversalfilter&ndash;Frequenzgang <i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) ist symmetrisch zur Nyquistfrequenz <i>f</i><sub>Nyq</sub> = 1/(2<i>T</i>). Diese Symmetrie ist beim Empfangsfilter&ndash;Gesamtfrequenzgang <i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>) nicht mehr gegeben.<br>
+
*Für &nbsp;$a_\star = 0 \ \rm dB$&nbsp;  (idealer Kanal,&nbsp; grüne Null&ndash;Linie)&nbsp; kann auf das Transversalfilter&nbsp; $H_{\rm TF}(f)$&nbsp; verzichtet werden und es gilt für NRZ&ndash;Rechteckimpulse,&nbsp; wie bereits im Abschnitt  &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisband%C3%BCbertragung#Optimaler_Bin.C3.A4rempf.C3.A4nger_-_Realisierung_mit_Matched-Filter|"Optimaler Binärempfänger &ndash; Realisierung mit Matched-Filter"]]&nbsp; hergeleitet:  
*Die Maxima der Frequenzgänge <i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) und |<i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>)| hängen signifikant von der charakteristischen Kabeldämpfung ab. Es gilt:
+
:$$H_{\rm E}(f) =H_{\rm S}(f) = {\rm si} (\pi f T).$$
::<math>a_{\star} = 40\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}[H_{\rm
+
*Während der Transversalfilter&ndash;Frequenzgang &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; bei &nbsp;$a_\star \ne 0 \ \rm dB$&nbsp; symmetrisch zur Nyquistfrequenz &nbsp;$f_{\rm Nyq} = 1/(2T)$&nbsp; ist,&nbsp; ist diese Symmetrie beim Empfangsfilter&ndash;Gesamtfrequenzgang &nbsp;$H_{\rm E}(f)$&nbsp; nicht mehr gegeben.<br>
TF}(f)]\hspace{0.1cm} \approx 80\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm
 
Max}[|H_{\rm E}(f)|] \approx 40\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},</math>
 
::<math>a_{\star} = 80\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}[H_{\rm TF}(f)]
 
\approx 160\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm Max}[|H_{\rm E}(f)|]
 
\approx 80\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 0 dB (idealer Kanal) kann auf das Transversalfilter verzichtet werden und es gilt, wie bereits im [http://www.lntwww.de/Digitalsignal%C3%BCbertragung/Fehlerwahrscheinlichkeit_bei_Basisband%C3%BCbertragung#Optimaler_Bin.C3.A4rempf.C3.A4nger_-_Realisierung_mit_Matched-Filter_.281.29 Kapitel 1.2] hergeleitet:
+
*Die Maxima der Frequenzgänge &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; und &nbsp;$|H_{\rm E}(f)|$&nbsp; hängen signifikant von der charakteristischen Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star$&nbsp; ab.&nbsp; Aus dem blauen bzw. roten  Funktionsverlauf kann abgelesen werden:
 +
:$$a_{\star} = 40\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm
 +
TF}(f)\big]\hspace{0.1cm} \approx 80\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm
 +
Max}\big[\ |H_{\rm E}(f)| \  \big] \approx 40\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},$$
 +
:$$a_{\star} = 80\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm TF}(f)\big]
 +
\approx 160\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[\ |H_{\rm E}(f)|\ \big]
 +
\approx 80\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  
:<math>H_{\rm E}(f) =H_{\rm S}(f) = {\rm si} (\pi f T)\hspace{0.05cm}.</math>
 
  
 
== Approximation des optimalen Nyquistentzerrers ==
 
== Approximation des optimalen Nyquistentzerrers ==
 
<br>
 
<br>
Betrachten wir nun den Gesamtfrequenzgang zwischen der Diracquelle und dem Entscheider. Dieser setzt sich multiplikativ aus den Frequenzgängen von Sender, Kanal und Empfänger zusammen. Entsprechend der Herleitung muss der Gesamtfrequenzgang die Nyquistbedingung erfüllen:
+
Wir betrachten nun den Gesamtfrequenzgang zwischen Diracquelle und Entscheider:
 +
*Dieser setzt sich multiplikativ aus den Frequenzgängen von Sender, Kanal und Empfänger zusammen.
 +
 +
*Entsprechend der Herleitung muss der Gesamtfrequenzgang die Nyquistbedingung erfüllen:
 +
[[Datei:P ID1428 Dig T 3 5 S3c version1.png|right|frame|Optimaler Nyquistfrequenzgang&nbsp; (Übertragungssystem mit Koaxialkabel)|class=fit]]
  
:<math>H_{\rm Nyq}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f) =
+
:$$H_{\rm Nyq}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f) =
 
  \frac{|H_{\rm SK}(f)|^2}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
  \frac{|H_{\rm SK}(f)|^2}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty}  |H_{\rm SK}(f -
 
  {\kappa}/{T})
 
  {\kappa}/{T})
  |^2}\hspace{0.05cm}.</math>
+
  |^2}\hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
Die Grafik zeigt folgende Eigenschaften des&nbsp; '''optimalen Nyquistentzerrers'''&nbsp; $\rm (ONE)$:
 +
*Ist die Kabeldämpfung hinreichend groß &nbsp;$(a_\star \ge 10 \ \rm dB)$,&nbsp; so kann man den Gesamtfrequenzgang mit guter Näherung durch den &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#1.2FT.E2.80.93Nyquistspektren|"Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Tiefpass"]]&nbsp; beschreiben.<br>
  
Die Grafik zeigt folgende Eigenschaften des optimalen Nyquistfilters:
+
*Je größer &nbsp;$a_\star$&nbsp; ist,&nbsp; desto kleiner ist der Rolloff&ndash;Faktor &nbsp;$r$&nbsp; und um so steiler verläuft der Flankenabfall.&nbsp; Für die charakteristische Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star = 40 \ \rm dB$&nbsp; (blaue Kurve)&nbsp; ergibt sich &nbsp;$r \approx 0.4$,&nbsp; für &nbsp;$a_\star = 80 \ \rm dB$&nbsp; (rote Kurve)&nbsp; $r \approx 0.18$.<br>
*Ist die Kabeldämpfung hinreichend groß (<i>a</i><sub>&#8727;</sub> > 10 dB), so kann der Gesamtfrequenzgang mit sehr guter Näherung durch einen [http://www.lntwww.de/Digitalsignal%C3%BCbertragung/Eigenschaften_von_Nyquistsystemen#1.2FT.E2.80.93Nyquistspektren_.281.29 Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Tiefpass] beschrieben werden.<br>
 
  
*Je größer <i>a</i><sub>&#8727;</sub> ist, desto kleiner ist der Rolloff&ndash;Faktor und um so steiler verläuft der Flankenabfall. Für die charakteristische Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 40 dB ergibt sich <i>r</i> &asymp; 0.4, für 80 dB ist <i>r</i> &asymp; 0.18.<br>
+
*Oberhalb der Frequenz &nbsp;$f_{\rm Nyq} \cdot (1 + r)$&nbsp; besitzt &nbsp;$H_{\rm Nyq}(f)$&nbsp; keine Anteile.&nbsp; Bei idealem Kanal &nbsp; &rArr; &nbsp;  &nbsp;$a_\star = 0 \ \rm dB$&nbsp; (grüne Kurve)&nbsp;  reicht &nbsp;$H_{\rm Nyq}(f)= {\rm si}^2(\pi f T)$&nbsp; allerdings theoretisch bis ins Unendliche.
  
*Oberhalb der Frequenz <i>f</i><sub>Nyq</sub> &middot; (1 + <i>r</i>) besitzt <i>H</i><sub>Nyq</sub>(<i>f</i>) keine Anteile. Bei idealem Kanal &ndash; also für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 0 dB &ndash;  reicht <i>H</i><sub>Nyq</sub>(<i>f</i>) = si<sup>2</sup>(&pi;<i>f</i><i>T</i>) allerdings theoretisch bis ins Unendliche (grüne Kurve).
 
  
:[[Datei:P ID1428 Dig T 3 5 S3c version1.png|Optimaler Nyquistfrequenzgang|class=fit]]<br>
+
&rArr; &nbsp; Das interaktive HTML5/JavaScript&ndash;Applet&nbsp; [[Applets:Frequenzgang_und_Impulsantwort|"Frequenzgang und Impulsantwort"]]&nbsp; verdeutlicht unter anderem die Eigenschaften des  Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Tiefpasses.
  
Mit dem folgenden Interaktionsmodul können Sie sich den Cosinus&ndash;Rolloff&ndash;Tiefpass im Frequenz&ndash; und Zeitbereich verdeutlichen:<br>
 
[[:File:tiefpass.swf|Tiefpässe im Frequenz- und Zeitbereich]]<br>
 
  
 
== Berechnung der normierten Störleistung ==
 
== Berechnung der normierten Störleistung ==
 
<br>
 
<br>
Betrachten wir nun noch die (normierte) Störleistung am Entscheider. Für diese gilt:
+
Wir betrachten nun noch die (normierte) Störleistung am Entscheider.&nbsp; Für diese gilt:
  
:<math>\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/
+
:$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/
 
(2T)} =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} |H_{\rm E}(f)|^2
 
(2T)} =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} |H_{\rm E}(f)|^2
\,{\rm d} f .</math>
+
\,{\rm d} f .$$
 
 
Das linke Bild zeigt |<i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i>)|<sup>2</sup> im linearen Maßstab für die charakteristische Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 80 dB.
 
  
[[Datei:P ID1429 Dig T 3 5 S5 version1.png|Zur Berechnung der normierten Störleistung beim ONE|class=fit]]<br>
+
[[Datei:P ID1429 Dig T 3 5 S5 version1.png|right|frame|Zur Berechnung der normierten Störleistung beim optimalen Nyquistentzerrer&nbsp; $\rm (ONE)$|class=fit]]
 +
*Das linke Diagramm der Grafik zeigt &nbsp;$|H_{\rm E}(f)|^2$&nbsp;  im linearen Maßstab für die charakteristische Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star = 80 \ \rm dB$. Beachten Sie, dass &nbsp;$|H_{\rm E}(f = 0)|^2 = 1$&nbsp; ist.
  
Beachten Sie, dass |<i>H</i><sub>E</sub>(<i>f</i> = 0)| = 1 ist. Da die Frequenz auf 1/<i>T</i> normiert wurde, entspricht die normierte Störleistung genau der (rot hinterlegten) Fläche unter dieser Kurve. Die numerische Auswertung ergibt:<br>
+
*Da die Frequenz in dieser Darstellung auf &nbsp;$1/T$&nbsp; normiert wurde,&nbsp; entspricht die normierte Störleistung genau der (rot hinterlegten) Fläche unter dieser Kurve.&nbsp; Die numerische Auswertung ergibt:
  
:<math>\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = 1.68 \cdot 10^7
+
:$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = 1.68 \cdot 10^7\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm
 
 
lg}\hspace{0.1cm}\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 \approx
 
lg}\hspace{0.1cm}\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 \approx
72.25\,{\rm dB}
+
72.25\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Es kann gezeigt werden, dass die normierte Störleistung auch mit dem  Transversalfilter&ndash;Frequenzgang <i>H</i><sub>TF</sub>(<i>f</i>) berechnet werden kann, wie in der rechten Grafik dargestellt:
+
*Es kann gezeigt werden,&nbsp; dass die normierte Störleistung allein  mit dem  Transversalfilter&ndash;Frequenzgang &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; berechnet werden kann,&nbsp; wie in der rechten Grafik dargestellt:
 +
:$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = T \cdot
 +
\int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} H_{\rm TF}(f) \,{\rm d} f
 +
\hspace{0.3cm}(= k_0)\hspace{0.05cm}.$$
  
:<math>\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = T \cdot
+
*Die roten Flächen sind in beiden Bildern exakt gleich.
\int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} H_{\rm TF}(f) \,{\rm d} f
+
<br clear=all>
\hspace{0.3cm}(= k_0)\hspace{0.05cm}.</math>
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Fazit:}$&nbsp; Die normierten Störleistung des optimalen Nyquistentzerrers ist gleich dem Fourierkoeffizienten &nbsp;$k_0$, wenn man den reellen, symmetrischen und periodischen Transversalfilter&ndash;Frequenzgang &nbsp;$H_{\rm TF}(f)$&nbsp; als Fourierreihe darstellt.
  
Die roten Flächen sind in beiden Bildern exakt gleich. Man erkennt auch, dass der mittlere Koeffizient <i>k</i><sub>0</sub> gleich der normierten Störleistung ist. In der zweiten Spalte der nachfolgenden Tabelle ist 10 &middot; lg (<i>k</i><sub>0</sub>) in Abhängigkeit der charakteristischen Kabeldämpfung angegeben. Aufgrund der gewählten Normierung gilt diese Tabelle auch für redundanzfreie Mehrstufensysteme; <i>M</i> bezeichnet hierbei die Stufenzahl.<br>
+
[[Datei:P ID1430 Dig T 3 5 S5b version3.png|right|frame|Koeffizienten des optimalen Nyquistentzerrers&nbsp; $\rm (ONE)$|class=fit]]
 +
*In der zweiten Spalte der Tabelle ist &nbsp;$10 \cdot \lg \ (k_0)$&nbsp; abhängig von der charakteristischen Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star$&nbsp; eines Koaxialkabels angegeben.  
  
[[Datei:P ID1430 Dig T 3 5 S5b version3.png|Koeffizienten des optimalen Nyquistentzerrers|class=fit]]<br>
+
*Aufgrund der gewählten Normierung gilt die Tabelle auch für &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Impulsinterferenzen_bei_mehrstufiger_Übertragung#Augen.C3.B6ffnung_bei_redundanzfreien_Mehrstufensystemen|"redundanzfreie Mehrstufensysteme"]];&nbsp;  hierbei bezeichnet &nbsp;$M$&nbsp; die Stufenzahl.<br>
  
Die Koeffizienten <i>k</i><sub>1</sub>, <i>k</i><sub>2</sub>, <i>k</i><sub>3</sub>, ... des Transversalfilters weisen für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> &ne; 0 alternierende Vorzeichen auf. Für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 40 dB sind vier Koeffizienten betragsmäßig größer als <i>k</i><sub>0</sub>/10, für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 80 dB  sogar sieben.<br>
+
*Die Koeffizienten &nbsp;$k_1$, &nbsp;$k_2$, &nbsp;$k_3$, ... des Transversalfilters weisen für &nbsp;$a_\star \ne 0 \ \rm dB$&nbsp; alternierende Vorzeichen auf.
 +
 +
*Für &nbsp;$a_\star = 40 \ \rm dB$&nbsp; sind vier Koeffizienten betragsmäßig größer als &nbsp;$k_0/10$,&nbsp; für &nbsp;$a_\star = 80 \ \rm dB$&nbsp; sogar sieben.}}
  
 
== Vergleich anhand des Systemwirkungsgrades ==
 
== Vergleich anhand des Systemwirkungsgrades ==
 
<br>
 
<br>
Für einen Systemvergleich eignet sich der [http://www.lntwww.de/Digitalsignal%C3%BCbertragung/Optimierung_der_Basisband%C3%BCbertragungssysteme#Systemoptimierung_bei_Leistungsbegrenzung_.281.29 Systemwirkungsgrad], der das erreichbare Detektions&ndash;SNR <i>&rho;<sub>d</sub></i> in Bezug zum maximalen SNR <i>&rho;</i><sub><i>d</i>,&nbsp;max</sub> setzt, das allerdings nur bei idealem Kanal <i>H</i><sub>K</sub>(<i>f</i>) = 1 erreichbar ist. Für den Systemwirkungsgrad gilt bei <i>M</i>&ndash;stufiger Übertragung und optimaler Nyquistentzerrung:
+
Für einen Systemvergleich eignet sich der &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Optimierung_der_Basisbandübertragungssysteme#Systemoptimierung_bei_Leistungsbegrenzung|"Systemwirkungsgrad"]],&nbsp; der das erreichbare Detektions&ndash;SNR &nbsp;$\rho_d$&nbsp; in Bezug zum maximalen SNR &nbsp;$\rho_{d, \ {\rm max}}$&nbsp; setzt,&nbsp; das allerdings nur bei idealem Kanal &nbsp;$H_{\rm K}(f) \equiv 1$&nbsp; erreichbar ist.  
 +
[[Datei:P ID1431 Dig T 3 5 S6 version1.png|right|frame|Vergleich binärer und mehrstufiger Ünertragungssysteme gemäß &nbsp;$\text{GTP}$&nbsp; bzw. &nbsp;$\text{ONE}$|class=fit]]
 +
Für den Systemwirkungsgrad gilt bei &nbsp;$M$&ndash;stufiger Übertragung und optimaler Nyquistentzerrung:
 +
:$$\eta = \frac{\rho_d}{s_0^2 \cdot T / N_0}=\frac{{\rm log_2}\hspace{0.1cm}M}{(M-1)^2 \cdot k_0}.$$
 +
 
 +
*Die (normierte) Störleistung &nbsp;$k_0$&nbsp; kann aus der &nbsp;[[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Lineare_Nyquistentzerrung#Berechnung_der_normierten_St.C3.B6rleistung| '''Tabelle''']]&nbsp; auf der letzten Seite abgelesen werden.
 +
 
 +
* Beachten Sie die Normierung der charakteristischen Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star$&nbsp; in der ersten Spalte.
 +
 
 +
*Die Tabelle aus&nbsp; [ST85]<ref name='ST85'/>&nbsp; ermöglicht einen Systemvergleich für die charakteristische Kabeldämpfung &nbsp;$a_\star = 80 \ \rm dB$.
 +
 
  
:<math>\eta = \frac{\rho_d}{s_0^2 \cdot T / N_0}=\frac{{\rm log_2}\hspace{0.1cm}M}{(M-1)^2 \cdot k_0}.</math>
+
Verglichen werden:  
  
Die (normierte) Störleistung <i>k</i><sub>0</sub> kann aus der [http://www.lntwww.de/index.php?title=Digitalsignal%C3%BCbertragung/Lineare_Nyquistentzerrung#Berechnung_der_normierten_St.C3.B6rleistung Tabelle] auf der letzten Seite abgelesen werden. Beachten Sie die Normierung der charakteristischen Kabeldämpfung <i>a</i><sub>&#8727;</sub> in der ersten Spalte.<br>
+
* der&nbsp; [[Digitalsignalübertragung/Berücksichtigung_von_Kanalverzerrungen_und_Entzerrung|"gaußförmige Gesamtfrequenzgang"]] &nbsp;$\text{(GTP)}$,&nbsp; der auch bei Optimierung zu einem impulsinterferenzbehafteten System führt, <br>
  
Die folgende Tabelle aus [ST85]<ref>Söder, G.; Tröndle, K.: ''Digitale Übertragungssysteme - Theorie, Optimierung & Dimensionierung der Basisbandsysteme.'' Berlin – Heidelberg: Springer, 1985.</ref>. ermöglicht einen Systemvergleich für <i>a</i><sub>&#8727;</sub> = 80 dB. Verglichen werden
+
*der &nbsp;[[Digitalsignalübertragung/Lineare_Nyquistentzerrung#Struktur_des_optimalen_Nyquistentzerrers|"optimale Nyquistentzerrer"]] &nbsp;$\text{(ONE)}$,&nbsp; mit dem Impulsinterferenzen per se ausgeschlossen werden.
*der gaußförmige Gesamtfrequenzgang (GTP) entsprechend Kapitel 3.4,<br>
+
<br clear=all>
*der optimale Nyquistentzerrer (ONE) entsprechend Kapitel 3.5.<br><br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Fazit:}$&nbsp; Die Ergebnisse dieses Systemvergleichs können wie folgt zusammengefasst werden:
 +
#Im binären Fall &nbsp;$(M = 2)$&nbsp; ist das impulsinterferenzfreie System &nbsp;$\text{(ONE)}$&nbsp; um etwa &nbsp;$6 \ \rm dB$&nbsp; besser als das impulsinterferenzbehaftete System &nbsp;$\text{(GTP)}$.<br>
 +
#Wendet man die optimale Nyquistentzerrung bei Mehrstufensystemen an, so ist gegenüber &nbsp;$\text{GTP}$&nbsp; ein weiterer, deutlicher  Störabstandsgewinn möglich.
 +
#Für &nbsp;$M =4$&nbsp; beträgt dieser Gewinn etwa &nbsp;$18.2 \ \rm dB$.<br>
 +
#Das schmalbandige &nbsp;$\text{GTP}$&ndash;System kann allerdings deutlich verbessert werden,&nbsp; wenn man einen Empfänger mit Entscheidungsrückkopplung verwendet.&nbsp;
 +
#Dieser wird im nächsten Kapitel behandelt.}}<br>
  
[[Datei:P ID1431 Dig T 3 5 S6 version1.png|Vergleich binärer und mehrstufiger Systeme|class=fit]]<br>
+
&rArr; &nbsp; Wir verweisen an dieser Stelle auf das interaktive SWF&ndash;Applet [[Applets:Lineare_Nyquistentzerrung|"Lineare Nyquistentzerrung"]].
  
Das Ergebnis dieses Vergleichs kann wie folgt zusammengefasst werden:
 
*Im binären Fall (<i>M</i> = 2) ist das impulsinterferenzfreie System (ONE) um etwa 6 dB besser als das impulsinterferenzbehaftete System (GTP).<br>
 
*Wendet man die optimale Nyquistentzerrung bei Mehrstufensystemen an, so ist gegenüber &bdquo;GTP&rdquo; ein weiterer, deutlicher  Störabstandsgewinn möglich. Für <i>M</i> = 4 ist dieser Gewinn etwa 18.2 dB.<br>
 
*Das schmalbandige GTP&ndash;System kann allerdings deutlich verbessert werden, wenn man einen Empfänger mit Entscheidungsrückkopplung verwendet. Dieser wird im Kapitel 3.6 behandelt.<br><br>
 
  
<b>Hinweis:</b> Alle Ergebnisse von Kapitel 3.5 lassen sich mit folgendem Interaktionsmodul nachvollziehen:<br>
 
[[:File:Lineare_Nyquistentzerrung.swf|Lineare Nyquistentzerrung]]<br>
 
  
==Aufgaben==
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==Aufgaben zum Kapitel==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:3.6 ONE-Transversalfilter|A3.6 ONE-Transversalfilter]]
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[[Aufgaben:3.6_Transversalfilter_des_Optimalen_Nyquistentzerrers| Aufgabe 3.6: Transversalfilter des Optimalen Nyquistentzerrers]]
  
[[Zusatzaufgaben:3.6 Exponentialimpuls - ONE]]
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[[Aufgaben:3.6Z_Optimaler_Nyquistentzerrer_für_Exponentialimpuls| Aufgabe 3.6Z: Optimaler Nyquistentzerrer für Exponentialimpuls]]
  
[[Aufgaben:3.7 Optimale Nyquistentzerrung|A3.7 Optimale Nyquistentzerrung]]
+
[[Aufgaben:3.7_Nochmals_Optimale_Nyquistentzerrung|Aufgabe 3.7: Nochmals Optimale Nyquistentzerrung]]
  
[[Zusatzaufgaben:3.7 Regeneratorfeldlänge]]
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[[Aufgaben:3.7Z_Regeneratorfeldlänge|Aufgabe 3.7Z: Regeneratorfeldlänge]]
  
 
==Quellenverzeichnis==
 
==Quellenverzeichnis==

Aktuelle Version vom 22. Juni 2022, 15:09 Uhr

Struktur des optimalen Nyquistentzerrers


In diesem Abschnitt gehen wir von folgendem Blockschaltbild eines Binärsystems aus.  Hierzu ist anzumerken:

Blockschaltbild des optimalen Nyquistentzerrers
  • Die  "Diracquelle"  liefert die zu übertragende Nachricht in binärer bipolarer Form   ⇒   Amplitudenkoeffizienten  $a_\nu \in \{ -1, \hspace{0.05cm}+1\}$.  Die Quelle wird als redundanzfrei vorausgesetzt.
  • Die  "Sendeimpulsform"  $g_s(t)$  wird durch den Senderfrequenzgang  $H_{\rm S}(f)$  berücksichtigt.  Bei allen Beispielen ist  $H_{\rm S}(f) = {\rm si}(\pi f T)$  zugrunde gelegt   ⇒   NRZ–Rechteck–Sendeimpulse.
  • Bei manchen Herleitungen werden Sender und Kanal durch den  "gemeinsamen Frequenzgang"  $H_{\rm SK}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f)$  zusammengefasst.
  • Das Empfangsfilter  $H_{\rm E}(f)$  setzt sich multiplikativ aus dem  Matched–Filter  $H_{\rm MF}(f) = H_{\rm SK}^\star(f)$  und dem  Transversalfilter  $H_{\rm TF}(f)$ zusammen,  zumindest kann es gedanklich so aufgespalten werden.
  • Der Gesamtfrequenzgang zwischen Diracquelle und Schwellenwertentscheider soll die  "erste Nyquistbedingung"  erfüllen.  Es muss also gelten:
$$H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = H_{\rm Nyq}(f) \hspace{0.05cm}.$$
  • Mit dieser Bedingung gibt es keine Impulsinterferenzen und man erhält die maximale Augenöffnung.  Deshalb gelten für das  "Detektions–SNR"  und den  "Systemwirkungsgrad"  bei binärer Signalisierung:
$$\rho_d = \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{\sigma_d^2} = \frac{2 \cdot s_0^2 \cdot T}{N_0}\cdot \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \eta = \frac{\rho_d }{\rho_{d,\hspace{0.05cm} {\rm max}}} = \frac{\rho_d }{2 \cdot s_0^2 \cdot T/N_0} = \frac{1}{\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2} \hspace{0.05cm}.$$
  • Die Optimierungsaufgabe beschränkt sich also darauf,  das Empfangsfilter  $H_{\rm E}(f)$  so zu bestimmen,  dass die normierte Rauschleistung vor dem Entscheider den kleinstmöglichen Wert annimmt:
\[\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/ T} =T \cdot \int_{-\infty}^{+\infty} |H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f \stackrel {!}{=} {\rm Minimum}\hspace{0.05cm}.\]

$\text{Definition:}$  Wir bezeichnen die hier beschriebene Konfiguration als  Optimale Nyquistentzerrung  $\rm (ONE)$.


Obwohl diese auch – und besonders effektiv – bei Mehrstufensystemen anwendbar ist,  setzen wir zunächst  $M = 2$.

Wirkungsweise des Transversalfilters


Transversalfilter (zweiter Ordnung) als Teil des optimalen Nyquistentzerrers

Verdeutlichen wir uns zunächst die Aufgabe des symmetrischen Transversalfilters

$$H_{\rm TF}(f) \hspace{0.4cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \hspace{0.4cm} h_{\rm TF}(t) = \sum_{\lambda = -N}^{+N} k_\lambda \cdot \delta(t - \lambda \cdot T) $$

mit folgenden Eigenschaften:

  • $N$  gibt die  "Ordnung"  des Filters an   ⇒   die Grafik zeigt ein Filter zweiter Ordnung  $(N=2)$.
  • Für die Filterkoeffizienten gilt  $k_{-\lambda} = k_{\lambda}$   ⇒   symmetrische Struktur   ⇒   $H_{\rm TF}(f)$ ist reell.
  • $H_{\rm TF}(f)$  ist somit durch die Koeffizienten  $k_0$, ... , $k_N$  vollständig bestimmt.


Für den Eingangsimpuls  $g_m(t)$  setzen wir ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit voraus, dass dieser

  • symmetrisch um  $t=0$  ist  $($Ausgang des Matched–Filters$)$,
  • zu den Zeiten  $\nu \cdot T$  und  $-\nu \cdot T$  jeweils den Wert  $g_m(\nu)$ besitzt.


Damit lauten die Eingangsimpulswerte:

$$\text{...}\hspace{0.2cm} , g_m(3),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}\hspace {0.15cm}g_m(0),\hspace{0.15cm}g_m(1),\hspace{0.15cm}g_m(2),\hspace{0.15cm}g_m(3),\hspace{0.1cm} \text{...}\hspace{0.05cm}.$$

Für den Detektionsgrundimpuls  $g_d(t)$  am Filterausgang ergeben sich demzufolge zu den Zeitpunkten  $\nu \cdot T$  mit den Abkürzungen  $g_0 =g_d(t= 0)$,   $g_1 =g_d(t= \pm T)$,   $g_2 =g_d(t= \pm 2T)$  folgende Werte:

$$ t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.9cm}g_0 = k_0 \cdot g_m(0) + k_1 \cdot 2 \cdot g_m(1) \hspace{1.23cm}+k_2 \cdot 2 \cdot g_m(2),\hspace{0.05cm} $$
$$ t = \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.45cm}g_1 = k_0 \cdot g_m(1) + k_1 \cdot \big [g_m(0)+g_m(2)]+ k_2 \cdot [g_m(1)+g_m(3) \big ], $$
$$ t = \pm 2T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2 = k_0 \cdot g_m(2) + k_1 \cdot \big [g_m(1)+g_m(3)\big ]+ k_2 \cdot \big [g_m(2)+g_m(4)\big ] \hspace{0.05cm}. $$

Aus diesem System mit drei linear unabhängigen Gleichungen kann man nun die Filterkoeffizienten  $k_0$,  $k_1$  und  $k_2$  so bestimmen,  dass der Detektionsgrundimpuls  $g_d(t)$  folgende Stützstellen aufweist:

$$\text{...}\hspace{0.15cm} , g_3,\hspace{0.25cm}g_2 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_1 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_0 = 1,\hspace{0.15cm}g_1 = 0 ,\hspace{0.15cm}g_2 = 0 ,\hspace{0.25cm}g_3 ,\hspace{0.15cm} \text{...}$$

$\text{Beispiel 1:}$  Wir gehen von dem symmetrischen Eingangssignal entsprechend dem oberen Diagramm in der Grafik aus.  Mit der Abkürzung  $g_m(\nu)= g_m(\pm \nu \cdot T)$  gibt es folgende Abtastwerte im Abstand der Symboldauer  $T$:

$$g_m(t) = {\rm e}^{ - \sqrt{2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} \vert /T} }\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} g_m(0) = 1 ,\hspace{0.35cm}g_m(1)= 0.243,\hspace{0.35cm}g_m(2)= 0.135,\hspace{0.35cm}g_m(3)= 0.086, \hspace{0.35cm}g_m(4)= 0.059 \hspace{0.05cm}.$$

⇒   Für den Ausgangsimpuls soll  $g_d(t =0) = 1$  und  $g_d(t =\pm T) = 0$  gelten.  Hierzu eignet sich ein Laufzeitfilter erster Ordnung mit den Koeffizienten  $k_0$  und  $k_1$,  die folgende Bedingungen erfüllen müssen:

Eingangs- und Ausgangsimpuls des optimalen Nyquistentzerrers
$$t = \pm T\hspace{-0.1cm} : \hspace{0.2cm}g_1 = k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot \big [1.000 +0.135 \big ] = 0\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{k_1} = -0.214 \cdot {k_0}\hspace{0.05cm},$$
$$ t = 0 \hspace{-0.1cm} : \hspace{0.6cm}g_0 = k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2 \cdot 0.243= 1\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}0.896 \cdot {k_0} = 1 \hspace{0.05cm}.$$

Daraus erhält man die optimalen Filterkoeffizienten  $k_0 = 1.116$  und  $k_1 = 0.239$.

  • Das mittlere Diagramm zeigt, dass damit der erste Vorläufer und der erste Nachläufer kompensiert werden können und zugleich  $g_d(0) =1$  gilt  (gelbe Hinterlegung).
  • Die weiteren Detektionsgrundimpulswerte  (blaue Kreise)  sind aber von Null verschieden und bewirken Impulsinterferenzen.


⇒   Das untere Diagramm zeigt,  dass mit einem Filter zweiter Ordnung  $(N = 2)$  Nulldurchgänge bei  $\pm T$  und bei  $\pm 2T$  erzwungen werden,  wenn die Koeffizienten  $k_0 = 1.127$,  $k_1 = 0.219$  und  $k_2 = 0.075$  geeignet gewählt sind.  Das Gleichungssystem zur Bestimmung der optimalen Koeffizienten lautet dabei:

$$t = 0\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.85cm}g_0 = k_0 \cdot 1.000 + k_1 \cdot 2 \cdot 0.243 + k_2 \cdot 2 \cdot 0.135 = 1\hspace{0.05cm},$$
$$t= \pm T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.45cm}g_1 = k_0 \cdot 0.243 + k_1 \cdot \big [1.000+0.135 \big ]+ k_2 \cdot \big [0.243+0.086 \big ] = 0\hspace{0.05cm},$$
$$t = \pm 2 T\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}g_2 = k_0 \cdot 0.135 + k_1 \cdot \big [0.243+0.086\big ]+ k_2 \cdot \big [1.000 + 0.059 \big ]= 0 \hspace{0.05cm}.$$


$\text{Fazit:}$  Die Ergebnisse können wie folgt verallgemeinert werden:

  1. Mit einem Laufzeitfilter  $N$–ter Ordnung kann der Hauptwert zu  $g_d(0)=1$  (normiert)  gemacht werden
  2. Außerdem können die ersten $N$  Nachläufer  $g_{\nu}$  und die ersten $N$  Vorläufer  $g_{-\nu}$  zu Null gemacht werden.
  3. Weitere Vor– und Nachläufer  $(\nu \gt N)$  lassen sich so nicht kompensieren.
  4. Es ist sogar möglich,  dass die Vor– und Nachläufer außerhalb des Kompensationsbereichs vergrößert werden oder sogar neu entstehen.
  5. Im Grenzübergang  $N \to \infty$  (in der Praxis heißt das:   ein Filter mit sehr vielen Koeffizienten)  ist eine vollständige Nyquistentzerrung und damit eine impulsinterferenzfreie Übertragung möglich.


Beschreibung im Frequenzbereich


Die Tatsache,  dass sich der optimale Nyquistentzerrer multiplikativ aus

  • dem Matched–Filter  $H_{\rm MF}(f) = H_{\rm S}^\star (f)\cdot H_{\rm K}^\star(f)$  – also angepasst an den Empfangsgrundimpuls  $g_r(t)$  – und
  • einem Transversalfilter  $H_{\rm MF}(f)$  mit unendlich vielen Filterkoeffizienten

zusammensetzt,  folgt aus dem ersten Nyquistkriterium.  Durch Anwendung der  "Variationsrechnung"  erhält man den Frequenzgang des Transversalfilters – siehe [ST85][1]:

(Betrags–) Frequenzgang des Transversalfilter (links) und des gesamten optimalen Nyquistentzerrers (rechts)

$$H_{\rm TF}(f) = \frac{1}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - \frac{\kappa}{T}) |^2},$$ $$\text{wobei }H_{\rm SK}(f) = H_{\rm S}(f)\cdot H_{\rm K}(f).$$

Die linke Grafik zeigt  $20 \cdot \lg \ H_{\rm TF}(f)$  im Bereich  $| f | \le 1/T$.  Vorausgesetzt sind rechteckförmige NRZ–Sendeimpulse und ein Koaxialkabel mit der charakteristischen Kabeldämpfung  $a_\star$.

Man erkennt aus obiger Gleichung und Grafik:

  • $H_{\rm TF}(f)$  ist reell   ⇒   symmetrische Transversalfilterstruktur   ⇒   $k_{-\lambda} =k_{+\lambda} $.
  • $H_{\rm TF}(f)$  ist gleichzeitig eine mit der Frequenz  $1/T$  periodische Funktion   ⇒  Koeffizienten des Filters ergeben sich aus der  "Fourierreihe"  (angewandt auf die Spektralfunktion):
$$k_\lambda =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)}\frac{\cos(2 \pi f \lambda T)} {\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - {\kappa}/{T}) |^2} \hspace{0.2cm} {\rm d} f$$
$$ \hspace{0.25cm}\Rightarrow \hspace{0.25cm}H_{\rm TF}(f) = \sum\limits_{\lambda = -\infty}^{+\infty} k_\lambda \cdot {\rm e}^{-{\rm j}2 \pi f \lambda T}\hspace{0.05cm}.$$

In der rechten Grafik ist der Frequenzgang   $20 \cdot \lg \ |H_{\rm E}(f)|$   des gesamten Empfangsfilters einschließlich Matched–Filter dargestellt.  Es gilt:

$$H_{\rm E}(f) = H_{\rm MF}(f) \cdot H_{\rm TF}(f) = \frac{H_{\rm SK}^{\star}(f)}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - {\kappa}/{T}) |^2}.$$

Zu diesen Darstellungen ist anzumerken:

$$H_{\rm E}(f) =H_{\rm S}(f) = {\rm si} (\pi f T).$$
  • Während der Transversalfilter–Frequenzgang  $H_{\rm TF}(f)$  bei  $a_\star \ne 0 \ \rm dB$  symmetrisch zur Nyquistfrequenz  $f_{\rm Nyq} = 1/(2T)$  ist,  ist diese Symmetrie beim Empfangsfilter–Gesamtfrequenzgang  $H_{\rm E}(f)$  nicht mehr gegeben.
  • Die Maxima der Frequenzgänge  $H_{\rm TF}(f)$  und  $|H_{\rm E}(f)|$  hängen signifikant von der charakteristischen Kabeldämpfung  $a_\star$  ab.  Aus dem blauen bzw. roten Funktionsverlauf kann abgelesen werden:
$$a_{\star} = 40\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm TF}(f)\big]\hspace{0.1cm} \approx 80\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[\ |H_{\rm E}(f)| \ \big] \approx 40\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},$$
$$a_{\star} = 80\,{\rm dB}\hspace{-0.1cm}:\hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[H_{\rm TF}(f)\big] \approx 160\,{\rm dB}, \hspace{0.2cm}{\rm Max}\big[\ |H_{\rm E}(f)|\ \big] \approx 80\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$


Approximation des optimalen Nyquistentzerrers


Wir betrachten nun den Gesamtfrequenzgang zwischen Diracquelle und Entscheider:

  • Dieser setzt sich multiplikativ aus den Frequenzgängen von Sender, Kanal und Empfänger zusammen.
  • Entsprechend der Herleitung muss der Gesamtfrequenzgang die Nyquistbedingung erfüllen:
Optimaler Nyquistfrequenzgang  (Übertragungssystem mit Koaxialkabel)
$$H_{\rm Nyq}(f) = H_{\rm S}(f) \cdot H_{\rm K}(f) \cdot H_{\rm E}(f) = \frac{|H_{\rm SK}(f)|^2}{\sum\limits_{\kappa = -\infty}^{+\infty} |H_{\rm SK}(f - {\kappa}/{T}) |^2}\hspace{0.05cm}.$$

Die Grafik zeigt folgende Eigenschaften des  optimalen Nyquistentzerrers  $\rm (ONE)$:

  • Ist die Kabeldämpfung hinreichend groß  $(a_\star \ge 10 \ \rm dB)$,  so kann man den Gesamtfrequenzgang mit guter Näherung durch den  "Cosinus–Rolloff–Tiefpass"  beschreiben.
  • Je größer  $a_\star$  ist,  desto kleiner ist der Rolloff–Faktor  $r$  und um so steiler verläuft der Flankenabfall.  Für die charakteristische Kabeldämpfung  $a_\star = 40 \ \rm dB$  (blaue Kurve)  ergibt sich  $r \approx 0.4$,  für  $a_\star = 80 \ \rm dB$  (rote Kurve)  $r \approx 0.18$.
  • Oberhalb der Frequenz  $f_{\rm Nyq} \cdot (1 + r)$  besitzt  $H_{\rm Nyq}(f)$  keine Anteile.  Bei idealem Kanal   ⇒    $a_\star = 0 \ \rm dB$  (grüne Kurve)  reicht  $H_{\rm Nyq}(f)= {\rm si}^2(\pi f T)$  allerdings theoretisch bis ins Unendliche.


⇒   Das interaktive HTML5/JavaScript–Applet  "Frequenzgang und Impulsantwort"  verdeutlicht unter anderem die Eigenschaften des Cosinus–Rolloff–Tiefpasses.


Berechnung der normierten Störleistung


Wir betrachten nun noch die (normierte) Störleistung am Entscheider.  Für diese gilt:

$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = \frac{\sigma_d^2}{N_0/ (2T)} =T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} |H_{\rm E}(f)|^2 \,{\rm d} f .$$
Zur Berechnung der normierten Störleistung beim optimalen Nyquistentzerrer  $\rm (ONE)$
  • Das linke Diagramm der Grafik zeigt  $|H_{\rm E}(f)|^2$  im linearen Maßstab für die charakteristische Kabeldämpfung  $a_\star = 80 \ \rm dB$. Beachten Sie, dass  $|H_{\rm E}(f = 0)|^2 = 1$  ist.
  • Da die Frequenz in dieser Darstellung auf  $1/T$  normiert wurde,  entspricht die normierte Störleistung genau der (rot hinterlegten) Fläche unter dieser Kurve.  Die numerische Auswertung ergibt:
$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = 1.68 \cdot 10^7\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 \approx 72.25\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • Es kann gezeigt werden,  dass die normierte Störleistung allein mit dem Transversalfilter–Frequenzgang  $H_{\rm TF}(f)$  berechnet werden kann,  wie in der rechten Grafik dargestellt:
$$\sigma_{d,\hspace{0.05cm} {\rm norm}}^2 = T \cdot \int_{-1/(2T)}^{+1/(2T)} H_{\rm TF}(f) \,{\rm d} f \hspace{0.3cm}(= k_0)\hspace{0.05cm}.$$
  • Die roten Flächen sind in beiden Bildern exakt gleich.


$\text{Fazit:}$  Die normierten Störleistung des optimalen Nyquistentzerrers ist gleich dem Fourierkoeffizienten  $k_0$, wenn man den reellen, symmetrischen und periodischen Transversalfilter–Frequenzgang  $H_{\rm TF}(f)$  als Fourierreihe darstellt.

Koeffizienten des optimalen Nyquistentzerrers  $\rm (ONE)$
  • In der zweiten Spalte der Tabelle ist  $10 \cdot \lg \ (k_0)$  abhängig von der charakteristischen Kabeldämpfung  $a_\star$  eines Koaxialkabels angegeben.
  • Die Koeffizienten  $k_1$,  $k_2$,  $k_3$, ... des Transversalfilters weisen für  $a_\star \ne 0 \ \rm dB$  alternierende Vorzeichen auf.
  • Für  $a_\star = 40 \ \rm dB$  sind vier Koeffizienten betragsmäßig größer als  $k_0/10$,  für  $a_\star = 80 \ \rm dB$  sogar sieben.

Vergleich anhand des Systemwirkungsgrades


Für einen Systemvergleich eignet sich der  "Systemwirkungsgrad",  der das erreichbare Detektions–SNR  $\rho_d$  in Bezug zum maximalen SNR  $\rho_{d, \ {\rm max}}$  setzt,  das allerdings nur bei idealem Kanal  $H_{\rm K}(f) \equiv 1$  erreichbar ist.

Vergleich binärer und mehrstufiger Ünertragungssysteme gemäß  $\text{GTP}$  bzw.  $\text{ONE}$

Für den Systemwirkungsgrad gilt bei  $M$–stufiger Übertragung und optimaler Nyquistentzerrung:

$$\eta = \frac{\rho_d}{s_0^2 \cdot T / N_0}=\frac{{\rm log_2}\hspace{0.1cm}M}{(M-1)^2 \cdot k_0}.$$
  • Die (normierte) Störleistung  $k_0$  kann aus der   Tabelle  auf der letzten Seite abgelesen werden.
  • Beachten Sie die Normierung der charakteristischen Kabeldämpfung  $a_\star$  in der ersten Spalte.
  • Die Tabelle aus  [ST85][1]  ermöglicht einen Systemvergleich für die charakteristische Kabeldämpfung  $a_\star = 80 \ \rm dB$.


Verglichen werden:


$\text{Fazit:}$  Die Ergebnisse dieses Systemvergleichs können wie folgt zusammengefasst werden:

  1. Im binären Fall  $(M = 2)$  ist das impulsinterferenzfreie System  $\text{(ONE)}$  um etwa  $6 \ \rm dB$  besser als das impulsinterferenzbehaftete System  $\text{(GTP)}$.
  2. Wendet man die optimale Nyquistentzerrung bei Mehrstufensystemen an, so ist gegenüber  $\text{GTP}$  ein weiterer, deutlicher Störabstandsgewinn möglich.
  3. Für  $M =4$  beträgt dieser Gewinn etwa  $18.2 \ \rm dB$.
  4. Das schmalbandige  $\text{GTP}$–System kann allerdings deutlich verbessert werden,  wenn man einen Empfänger mit Entscheidungsrückkopplung verwendet. 
  5. Dieser wird im nächsten Kapitel behandelt.


⇒   Wir verweisen an dieser Stelle auf das interaktive SWF–Applet "Lineare Nyquistentzerrung".


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 3.6: Transversalfilter des Optimalen Nyquistentzerrers

Aufgabe 3.6Z: Optimaler Nyquistentzerrer für Exponentialimpuls

Aufgabe 3.7: Nochmals Optimale Nyquistentzerrung

Aufgabe 3.7Z: Regeneratorfeldlänge

Quellenverzeichnis

  1. 1,0 1,1 Söder, G.; Tröndle, K.:  "Digitale Übertragungssysteme - Theorie, Optimierung & Dimensionierung der Basisbandsysteme."  Berlin – Heidelberg: Springer, 1985.