Modulationsverfahren/Qualitätskriterien: Unterschied zwischen den Versionen
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==Ideales und verzerrungsfreies System== | ==Ideales und verzerrungsfreies System== | ||
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| + | [[Datei:P_ID940__Mod_T_1_2_S1_neu.png |right|frame| Blockschaltbild zur Beschreibung von Modulation und Demodulation]] | ||
| − | + | In allen folgenden Kapiteln wird von folgendem Modell ausgegangen: | |
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| + | Die Aufgabe eines jeden Nachrichtenübertragungssystems besteht darin, | ||
| + | *an der räumlich entfernten Sinke ein Signal $v(t)$ zur Verfügung zu stellen, | ||
| + | *das sich möglichst wenig vom Quellensignal $q(t)$ unterscheidet. | ||
| + | <br clear=all> | ||
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
| − | + | $\text{Definition:}$ Ein '''ideales System''' liegt vor, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: | |
:$$v(t) = q(t) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$ | :$$v(t) = q(t) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$ | ||
| − | Hierbei ist berücksichtigt, dass $n(t) \equiv 0$ aus physikalischen Gründen aufgrund des [[Aufgaben:1.3Z_Thermisches_Rauschen|Thermischen Rauschens]] nicht möglich ist.}} | + | Hierbei ist berücksichtigt, dass $n(t) \equiv 0$ aus physikalischen Gründen aufgrund des [[Aufgaben:1.3Z_Thermisches_Rauschen|Thermischen Rauschens]] nicht möglich ist.}} |
| − | In der Praxis werden sich die Signale $q(t)$ und $v(t)$ | + | In der Praxis werden sich die Signale $q(t)$ und $v(t)$ um mehr als den Rauschterm $n(t)$ unterscheiden, wofür es folgende Gründe gibt: |
*Nichtideale Realisierung von Modulator und Demodulator, | *Nichtideale Realisierung von Modulator und Demodulator, | ||
*lineare Dämpfungs– und Phasenverzerrungen sowie Nichtlinearitäten, | *lineare Dämpfungs– und Phasenverzerrungen sowie Nichtlinearitäten, | ||
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{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
| − | + | $\text{Definition:}$ Ein '''verzerrungsfreies System''' liegt vor, wenn von obiger Auflistung nur die letztgenannte Einschränkung wirksam ist: | |
:$$v(t) = \alpha \cdot q(t- \tau) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$}} | :$$v(t) = \alpha \cdot q(t- \tau) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$}} | ||
| − | *Durch den Dämpfungsfaktor $α$ ist das Sinkensignal $ | + | *Durch den Dämpfungsfaktor $α$ ist das Sinkensignal $v(t)$ gegenüber dem Quellensignal $q(t)$ nur „leiser”. |
| − | *Auch eine Laufzeit $τ$ ist oft tolerabel, zumindest bei einer unidirektionalen Übertragung. | + | *Auch eine Laufzeit $τ$ ist oft tolerabel, zumindest bei einer unidirektionalen Übertragung. |
| − | *Dagegen wird bei einer bidirektionalen Kommunikation – zum Beispiel einem Telefonat – schon eine Laufzeit von 300 Millisekunden als sehr störend empfunden. | + | *Dagegen wird bei einer bidirektionalen Kommunikation – zum Beispiel einem Telefonat – schon eine Laufzeit von $300$ Millisekunden als sehr störend empfunden. |
==Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis== | ==Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis== | ||
| − | Im allgemeinen Fall wird sich das Sinkensignal $v(t)$ auch gegenüber $α · q(t | + | <br> |
| + | Im allgemeinen Fall wird sich das Sinkensignal $v(t)$ auch gegenüber $α · q(t - τ)$ noch unterscheiden, und es gilt für das Fehlersignal: | ||
:$$\varepsilon (t) = v(t) - \alpha \cdot q(t- \tau) = \varepsilon_{\rm V} (t) + \varepsilon_{\rm St} (t).$$ | :$$\varepsilon (t) = v(t) - \alpha \cdot q(t- \tau) = \varepsilon_{\rm V} (t) + \varepsilon_{\rm St} (t).$$ | ||
Dieses Fehlersignal setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: | Dieses Fehlersignal setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: | ||
| − | *den linearen und nichtlinearen Verzerrungen $ε_{\rm V}(t)$, die durch Modulator, Kanal und Demodulator hervorgerufen werden | + | *den linearen und nichtlinearen Verzerrungen $ε_{\rm V}(t)$ (German: "Verzerrungen" ⇒ subscript "V"), die durch die Frequenzgänge von Modulator, Kanal und Demodulator hervorgerufen werden und somit deterministisches (zeitinvariantes) Verhalten zeigen; |
| − | *der stochastischen Komponente $ε_{\rm St}(t)$, die von der HF–Störung $n(t)$ am Demodulatoreingang herrührt. Im Gegensatz zu $n(t)$ handelt es sich bei $ε_{\rm St}(t)$ jedoch um eine niederfrequente | + | *der stochastischen Komponente $ε_{\rm St}(t)$, die von der HF–Störung $n(t)$ am Demodulatoreingang herrührt. Im Gegensatz zu $n(t)$ handelt es sich bei $ε_{\rm St}(t)$ jedoch meist aufgrund des Demodulators mit Tiefpass Charakteristik um eine niederfrequente Rauschstörung. |
{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
| − | + | $\text{Definition:}$ Als Maß für die Qualität des Nachrichtensystems wird das '''Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis''' $ρ_v$ an der Sinke als Quotient der Leistungen (Varianzen) von Nutzanteil $v(t) - ε(t)$ und Störanteil $ε(t)$ definiert: | |
| − | :$$P_{v -\varepsilon} = \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } | + | :$$\rho_{v} = \frac{ P_{v -\varepsilon} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm},\hspace{0.7cm}\text{mit}\hspace{0.7cm} P_{v -\varepsilon} = \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } |
| − | {[v(t)-\varepsilon(t)]^2 }\hspace{0.1cm}{\rm d}t,\hspace{0.5cm} | + | {\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2 }\hspace{0.1cm}{\rm d}t,\hspace{0.5cm} |
P_{\varepsilon} = \overline{\varepsilon^2(t)} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } | P_{\varepsilon} = \overline{\varepsilon^2(t)} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } | ||
| − | {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t | + | {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}.$$}} |
| − | |||
| − | Für die Leistung des Nutzanteils erhält man unabhängig von der Laufzeit $τ$: | + | Für die Leistung des Nutzanteils erhält man unabhängig von der Laufzeit $τ$: |
| − | :$$P_{v -\varepsilon} = \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \overline{\alpha^2 \cdot q^2(t - \tau)}= \alpha^2 \cdot P_{q}.$$ | + | :$$P_{v -\varepsilon} = \overline{\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2} = \overline{\alpha^2 \cdot q^2(t - \tau)}= \alpha^2 \cdot P_{q}.$$ |
| − | Hierbei bezeichnet $P_q$ die Leistung des Quellensignals $q(t)$: | + | Hierbei bezeichnet $P_q$ die Leistung des Quellensignals $q(t)$: |
:$$P_{q} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M}} {q^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t .$$ | :$$P_{q} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M}} {q^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t .$$ | ||
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:$$\rho_{v} = \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}\rho_{v} = | :$$\rho_{v} = \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}\rho_{v} = | ||
10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm}.$$ | 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | Im Folgenden bezeichnen wir $ρ_v$ kurz als das '''Signal–to–Noise–Ratio''' | + | *Im Folgenden bezeichnen wir $ρ_v$ kurz als das '''Signal–to–Noise–Ratio''' oder '''Sinken–SNR''', und |
| + | *$10 · \lg \ ρ_v$ als den '''Sinken–Störabstand''', der bei Verwendung des Zehner–Logarithmus $(\lg)$ in dB angegeben wird. }} | ||
| − | [[Datei:P_ID941__Mod_T_1_2_S2_neu.png |right|frame|Zur Verdeutlichung des Fehlersignals]] | + | [[Datei:P_ID941__Mod_T_1_2_S2_neu.png |right|frame|Zur Verdeutlichung des Fehlersignals $ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$]] |
{{GraueBox|TEXT= | {{GraueBox|TEXT= | ||
| − | + | $\text{Beispiel 1:}$ Rechts sehen Sie einen beispielhaften Ausschnitt | |
| − | *des (blauen) Quellensignals $q(t)$ und | + | *des (blauen) Quellensignals $q(t)$ und |
| − | * des (roten) Sinkensignals $v(t)$, | + | *des (roten) Sinkensignals $v(t)$, |
| − | + | die sich merklich voneinander unterscheiden. | |
| − | Die mittlere Grafik macht jedoch deutlich, dass der wesentliche Unterschied zwischen $q(t)$ und $v(t)$ auf den Dämpfungsfaktor $α = 0.7$ und die Laufzeit $τ = 0.1$ | + | Die mittlere Grafik macht jedoch deutlich, dass der wesentliche Unterschied zwischen $q(t)$ und $v(t)$ auf den Dämpfungsfaktor $α = 0.7$ und die Laufzeit $τ = 0.1\text{ ms}$ zurückzuführen ist. |
| − | Die untere Skizze zeigt das verbleibende Fehlersignal $ε(t) = v(t) | + | Die untere Skizze zeigt das verbleibende Fehlersignal $ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$ nach bestmöglicher Korrektur von Dämpfung und Laufzeit. Den quadratischen Mittelwert ⇒ "Varianz" dieses Signals bezeichnen wir als die Störleistung $P_ε$. |
| − | Zur Berechnung des Sinken–SNR $ρ_v$ muss $P_ε$ in Bezug zur Nutzleistung $α^2 · P_q$ gesetzt werden. Diese ergibt sich als die Varianz des in der mittleren Grafik hellblau eingezeichneten Signals $α · q(t | + | Zur Berechnung des Sinken–SNR $ρ_v$ muss $P_ε$ in Bezug zur Nutzleistung $α^2 · P_q$ gesetzt werden. Diese ergibt sich als die Varianz des in der mittleren Grafik hellblau eingezeichneten Signals $α · q(t - τ)$. |
| − | Mit den hier vorausgesetzten Kenngrößen $\alpha = 0.7$ ⇒ $\alpha^2 \approx 0.5$ sowie $P_{q} = 8\,{\rm V^2}$ und ${P_{\varepsilon} } = 0.04\,{\rm V^2}$ ergibt sich das Sinken–SNR $ρ_v ≈ 100$ bzw. der Sinken–Störabstand $10 · \lg ρ_v ≈ 20$ dB. }} | + | Mit den hier vorausgesetzten Kenngrößen $\alpha = 0.7$ ⇒ $\alpha^2 \approx 0.5$ sowie $P_{q} = 8\,{\rm V^2}$ und ${P_{\varepsilon} } = 0.04\,{\rm V^2}$ ergibt sich das Sinken–SNR $ρ_v ≈ 100$ bzw. der Sinken–Störabstand $10 · \lg ρ_v ≈ 20$ dB.}} |
| − | Das Fehlersignal $ε(t)$ – und damit auch das Sinken–SNR $ρ_v$ – berücksichtigt alle Unzulänglichkeiten des betrachteten Nachrichtenübertragungssystems (Verzerrungen, externe Störungen, Rauschen, usw.). Im Folgenden werden wir aus Darstellungsgründen die unterschiedlichen Effekte getrennt betrachten. | + | *Das Fehlersignal $ε(t)$ – und damit auch das Sinken–SNR $ρ_v$ – berücksichtigt alle Unzulänglichkeiten des betrachteten Nachrichtenübertragungssystems (Verzerrungen, externe Störungen, Rauschen, usw.). |
| + | *Im Folgenden werden wir aus Darstellungsgründen die unterschiedlichen Effekte getrennt betrachten. | ||
==Untersuchungen im Hinblick auf Signalverzerrungen== | ==Untersuchungen im Hinblick auf Signalverzerrungen== | ||
| − | Alle in den folgenden Kapiteln beschriebenen Modulationsverfahren führen bei nichtidealen Bedingungen zu Verzerrungen, das heißt zu einem Sinkensignal $v(t) ≠ α · q(t | + | <br> |
| − | *Das additive Störsignal $n(t)$ am Kanalausgang (Demodulatoreingang) sei vernachlässigbar klein und wird nicht berücksichtigt. | + | Alle in den folgenden Kapiteln beschriebenen Modulationsverfahren führen bei nichtidealen Bedingungen zu Verzerrungen, das heißt zu einem Sinkensignal |
| − | *Alle Komponenten von Modulator und Demodulator seien linear, ebenso wie der Kanal, der somit durch seinen Frequenzgang $H_{\rm K}(f)$ vollständig beschrieben wird. | + | [[Datei:P_ID944__Mod_T_1_2_S3_neu.png |right|frame| Vereinfachtes Modell eines Übertragungssystems]] |
| + | :$$v(t) ≠ α · q(t - τ),$$ | ||
| + | das sich nicht nur durch eine Dämpfung und eine Laufzeit von $q(t)$ unterscheidet. | ||
| + | |||
| + | Für die Untersuchung und Beschreibung dieser Signalverfälschungen gehen wir stets von folgenden Voraussetzungen und dem obigen Modell aus: | ||
| + | |||
| + | *Das additive Störsignal $n(t)$ am Kanalausgang (Demodulatoreingang) sei vernachlässigbar klein und wird hier nicht berücksichtigt. | ||
| + | *Alle Komponenten von Modulator und Demodulator seien linear, | ||
| + | *ebenso wie der Kanal, der somit durch seinen Frequenzgang $H_{\rm K}(f)$ vollständig beschrieben wird. | ||
| − | |||
Je nach Art und Realisierung von Modulator und Demodulator treten folgende Signalverfälschungen auf: | Je nach Art und Realisierung von Modulator und Demodulator treten folgende Signalverfälschungen auf: | ||
| − | + | {{BlaueBox|TEXT= | |
| − | *Lineare Verzerrungen können im Allgemeinen durch einen Entzerrer kompensiert werden, was allerdings bei Vorhandensein einer stochastischen Störung $n(t)$ stets zu einer höheren Störleistung und damit zu einem geringeren Sinken–SNR führt. | + | $\text{Lineare Verzerrungen}$ entsprechend der Beschreibung im [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Lineare_Verzerrungen|gleichnamigen Kapitel]] des Buches „Lineare zeitinvariante Systeme”: |
| − | * | + | *Lineare Verzerrungen können im Allgemeinen durch einen Entzerrer kompensiert werden, was allerdings bei Vorhandensein einer stochastischen Störung $n(t)$ stets zu einer höheren Störleistung und damit zu einem geringeren Sinken–SNR führt. |
| + | *Solche linearen Verzerrungen werden weiter in '''Dämpfungsverzerrungen''' und '''Phasenverzerrungen''' unterteilt. | ||
| − | + | $\text{Nichtlineare Verzerrungen}$ entsprechend der Beschreibung im [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Nichtlineare_Verzerrungen|gleichnamigen Kapitel]] des Buches „Lineare zeitinvariante Systeme”: | |
*Nichtlineare Verzerrungen sind irreversibel und damit eine stärkere Beeinträchtigung als lineare Verzerrungen. | *Nichtlineare Verzerrungen sind irreversibel und damit eine stärkere Beeinträchtigung als lineare Verzerrungen. | ||
| − | *Zur quantitativen Erfassung solcher Verzerrungen eignet sich beispielsweise der Klirrfaktor $K$, der mit dem Sinken–SNR | + | *Zur quantitativen Erfassung solcher Verzerrungen eignet sich beispielsweise der Klirrfaktor $K$, der mit dem Sinken–SNR wie folgt zusammenhängt: $\rho_{v} = {1}/{K^2} \hspace{0.05cm}.$ |
| − | *Die Angabe des Klirrfaktors setzt jedoch eine harmonische Schwingung als Quellensignal voraus. | + | *Die Angabe des Klirrfaktors setzt jedoch eine harmonische Schwingung als Quellensignal voraus.}} |
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Wir verweisen hier auf drei grundlegende Lernvideos: | Wir verweisen hier auf drei grundlegende Lernvideos: | ||
| − | *[[Lineare_und_nichtlineare_Verzerrungen_(Lernvideo)|Lineare und nichtlineare Verzerrungen]] | + | *[[Lineare_und_nichtlineare_Verzerrungen_(Lernvideo)|Lineare und nichtlineare Verzerrungen]], |
| − | *[[Eigenschaften_des_Übertragungskanals_(Lernvideo)|Eigenschaften des Übertragungskanals]] | + | *[[Eigenschaften_des_Übertragungskanals_(Lernvideo)|Eigenschaften des Übertragungskanals]], |
| − | *[[Einige_Anmerkungen_zur_Übertragungsfunktion_(Lernvideo)|Einige Anmerkungen zur Übertragungsfunktion]] | + | *[[Einige_Anmerkungen_zur_Übertragungsfunktion_(Lernvideo)|Einige Anmerkungen zur Übertragungsfunktion]]. |
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| + | $\text{Zwei weitere Anmerkungen:}$ | ||
| + | # Die Verzerrungen bezüglich $q(t)$ und $v(t)$ sind immer dann von nichtlinearer Art sind, wenn der Kanal nichtlineare Komponenten beinhaltet und damit bereits nichtlineare Verzerrungen bezüglich der Signale $s(t)$ und $r(t)$ vorliegen. | ||
| + | # Ebenso führen Nichtlinearitäten bei Modulator und Demodulator stets zu nichtlinearen Verzerrungen.}} | ||
==Einige Anmerkungen zum AWGN–Kanalmodell== | ==Einige Anmerkungen zum AWGN–Kanalmodell== | ||
| − | Zur Untersuchung des Rauschverhaltens der einzelnen Modulations– und Demodulationsverfahren gehen wir meist vom so genannten '''AWGN–Kanal''' aus, wobei die Abkürzung für | + | <br> |
| + | Zur Untersuchung des Rauschverhaltens der einzelnen Modulations– und Demodulationsverfahren gehen wir meist vom so genannten '''AWGN–Kanal''' aus, wobei die Abkürzung für „$\rm A$dditive $\rm W$hite $\rm G$aussian $\rm N$oise” steht und die Eigenschaften dieses Kanalmodells bereits hinreichend beschreibt. Wir weisen Sie hier gerne auch auf das dreiteilige Lernvideo [[Der_AWGN-Kanal_(Lernvideo)|Der AWGN-Kanal]] hin. | ||
| − | *Das additive Störsignal beinhaltet alle Frequenzanteile gleichermaßen; $n(t)$ besitzt ein konstantes Leistungsdichtespektrum (LDS) und eine diracförmige Autokorrelationsfunktion (AKF): | + | *Das additive Störsignal beinhaltet alle Frequenzanteile gleichermaßen; $n(t)$ besitzt ein konstantes Leistungsdichtespektrum $\rm (LDS)$ und eine diracförmige Autokorrelationsfunktion $\rm (AKF)$: |
:$${\it \Phi}_n(f) = \frac{N_0}{2}\hspace{0.15cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, | :$${\it \Phi}_n(f) = \frac{N_0}{2}\hspace{0.15cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, | ||
\hspace{0.15cm} \varphi_n(\tau) = \frac{N_0}{2} \cdot \delta (\tau)\hspace{0.05cm}.$$ | \hspace{0.15cm} \varphi_n(\tau) = \frac{N_0}{2} \cdot \delta (\tau)\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | :Der Faktor $1/2$ in diesen Gleichungen berücksichtigt jeweils die zweiseitige Spektraldarstellung. | + | :Der Faktor $1/2$ in diesen Gleichungen berücksichtigt jeweils die zweiseitige Spektraldarstellung. |
| − | *Beispielsweise gilt bei thermischem Rauschen für die physikalische Rauschleistungsdichte (das heißt: einseitige Betrachtungsweise) mit der Rauschzahl $F ≥ 1$ und der absoluten Temperatur $θ$: | + | *Beispielsweise gilt bei thermischem Rauschen für die physikalische Rauschleistungsdichte (das heißt: einseitige Betrachtungsweise) mit der Rauschzahl $F ≥ 1$ und der absoluten Temperatur $θ$: |
:$${N_0}= F \cdot k_{\rm B} \cdot \theta , \hspace{0.3cm}k_{\rm B} = | :$${N_0}= F \cdot k_{\rm B} \cdot \theta , \hspace{0.3cm}k_{\rm B} = | ||
1.38 \cdot 10^{-23}{ {\rm Ws} }/{ {\rm K} }\hspace{0.2cm}{\rm | 1.38 \cdot 10^{-23}{ {\rm Ws} }/{ {\rm K} }\hspace{0.2cm}{\rm | ||
(Boltzmann-Konstante)}\hspace{0.05cm}.$$ | (Boltzmann-Konstante)}\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | *Bei echt weißem Rauschen würde sich eine unendliche große Leistung ergeben. Deshalb ist stets eine Bandbegrenzung auf $B$ zu berücksichtigen, und es gilt für die wirksame Rauschleistung: | + | *Bei echt weißem Rauschen würde sich eine unendliche große Leistung ergeben. Deshalb ist stets eine Bandbegrenzung auf $B$ zu berücksichtigen, und es gilt für die wirksame Rauschleistung: |
:$$N = \sigma_n^2 = {N_0} \cdot B \hspace{0.05cm}.$$ | :$$N = \sigma_n^2 = {N_0} \cdot B \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | * | + | *Das Störsignal $n(t)$ besitzt eine Gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion $\rm (WDF)$ ⇒ Amplitudenverteilung mit Störeffektivwert $σ_n$: |
:$$f_n(n) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\cdot\sigma_n}\cdot {\rm e}^{-{\it | :$$f_n(n) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\cdot\sigma_n}\cdot {\rm e}^{-{\it | ||
n^{\rm 2}}/{(2\sigma_{\it n}^2)}}.$$ | n^{\rm 2}}/{(2\sigma_{\it n}^2)}}.$$ | ||
| − | *Eigentlich ist beim AWGN–Kanal $H_{\rm K}(f) = 1$ zu setzen. Wir modifizieren dieses Modell für unsere Untersuchungen jedoch in der Form, dass wir eine frequenzunabhängige Dämpfung zulassen: | + | *Eigentlich ist beim AWGN–Kanal $H_{\rm K}(f) = 1$ zu setzen. Wir modifizieren dieses Modell für unsere Untersuchungen jedoch in der Form, dass wir eine frequenzunabhängige Dämpfung zulassen (beachten Sie: Ein frequenzunabhängiger Dämpfungsfaktor führt ebenfalls nicht zu Verzerrungen): |
:$$H_{\rm K}(f) = \alpha_{\rm K}= {\rm const.}$$ | :$$H_{\rm K}(f) = \alpha_{\rm K}= {\rm const.}$$ | ||
| − | |||
==Untersuchungen beim AWGN–Kanal== | ==Untersuchungen beim AWGN–Kanal== | ||
| − | Bei allen Untersuchungen hinsichtlich | + | <br> |
| + | Bei allen Untersuchungen hinsichtlich Rauschverhalten gehen wir vom unten skizzierten Blockschaltbild aus. Wir werden dabei stets das Sinken–SNR $ρ_v$ in Abhängigkeit aller Systemparameter berechnen und zu folgenden Ergebnissen kommen: | ||
| − | [[Datei: P_ID945__Mod_T_1_2_S5_neu.png | | + | [[Datei: P_ID945__Mod_T_1_2_S5_neu.png |right|frame| Blockschaltbild zur Untersuchung des Rauschverhaltens]] |
| + | |||
| + | *Je mehr Sendeleistung $P_{\rm S}$ aufgewendet wird, desto besser ist das Sinken–SNR $ρ_v$. Bei einigen Verfahren ergibt sich sogar ein linearer Zusammenhang. | ||
| + | *$ρ_v$ nimmt mit steigender Rauschleistungsdichte $N_0$ monoton ab. Eine Vergrößerung von $N_0$ kann meist durch eine größere Sendeleistung $P_{\rm S}$ ausgeglichen werden. | ||
| + | *Je kleiner der Parameter $α_{\rm K}$ des Kanals ist, um so kleiner wird $ρ_v$. Es besteht oft eine quadratische Abhängigkeit, da die Empfangsleistung $P_{\rm E} = {α_{\rm K}}^2 · P_{\rm S}$ ist. | ||
| + | *Ein breitbandigeres Quellensignal $($größeres $B_{\rm NF})$ führt zu kleinerem $ρ_v$ ⇒ man muss auch die HF–Bandbreite vergrößern ⇒ mehr Störungen werden wirksam. | ||
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{{BlaueBox|TEXT= | {{BlaueBox|TEXT= | ||
| − | + | $\text{Fazit:}$ Unter Berücksichtigung dieser vier Aussagen kommt man zu dem Schluss, dass es Sinn macht, das Sinken–SNR in der Form | |
:$$\rho_{v } = \rho_{v }(\xi) \hspace{0.5cm} {\rm mit} \hspace{0.5cm}\xi = \frac{ {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }{N_0 \cdot B_{\rm NF} }$$ | :$$\rho_{v } = \rho_{v }(\xi) \hspace{0.5cm} {\rm mit} \hspace{0.5cm}\xi = \frac{ {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }{N_0 \cdot B_{\rm NF} }$$ | ||
| − | normiert darzustellen. Im Folgenden bezeichnen wir $ξ$ als '''Leistungskenngröße'''.}} | + | normiert darzustellen. Im Folgenden bezeichnen wir $ξ$ als die '''Leistungskenngröße'''.}} |
| − | Die in $ξ$ zusammengefassten Eingangsgrößen sind in obigem | + | Die in $ξ$ zusammengefassten Eingangsgrößen sind in obigem Blockschaltbild mit blauen Pfeilen markiert, während das Qualitätskriterium $ρ_v$ durch den roten Pfeil hervorgehoben ist. |
| + | * Je größer $ξ$ ist, desto größer ist im allgemeinen $\rho_{v }$. | ||
| + | * Aber der Zusammenhang ist nicht immer linear, wie das folgende Beispiel zeigt. | ||
| + | |||
{{GraueBox|TEXT= | {{GraueBox|TEXT= | ||
| − | + | $\text{Beispiel 2:}$ In der linken Grafik ist das Sinken–SNR $ρ_v$ für drei verschiedene Systeme dargestellt, jeweils in Abhängigkeit von der normierten Leistungskenngröße | |
| − | |||
[[Datei:P_ID947__Mod_T_1_2_S5b_neu.png |right|frame| Untersuchungen beim AWGN–Kanal]] | [[Datei:P_ID947__Mod_T_1_2_S5b_neu.png |right|frame| Untersuchungen beim AWGN–Kanal]] | ||
| + | :$$\xi = { {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }/({N_0 \cdot B_{\rm NF} }).$$ | ||
| − | Beim | + | *Beim $\text{System A}$ gilt $ρ_ν = ξ$. Beispielsweise führen die Systemparameter |
:$$P_{\rm S}= 10 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} | :$$P_{\rm S}= 10 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} | ||
| − | \alpha_{\rm K} = 10^{-4}\hspace{0.05cm}, $$ | + | \alpha_{\rm K} = 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$ |
| − | :$${N_0} = | + | :$$ {N_0} = |
| − | 10^{-12}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} | + | 10^{-12}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} |
B_{\rm NF}= 10\; {\rm kHz}$$ | B_{\rm NF}= 10\; {\rm kHz}$$ | ||
| − | zu $ξ = ρ_v = 10000$ (siehe kreisförmige Markierung | + | :zu $ξ = ρ_v = 10000$ (siehe kreisförmige Markierung der Skizze). |
| + | *Exakt das gleiche Sinken–SNR ergäbe sich mit den Parametern | ||
:$$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} | :$$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} | ||
| − | \alpha_{\rm K} = 10^{-6}\hspace{0.05cm}, $$ | + | \alpha_{\rm K} = 10^{-6}\hspace{0.05cm},$$ |
:$${N_0} = | :$${N_0} = | ||
| − | 10^{-16}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} | + | 10^{-16}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} |
B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$ | B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | Auch beim | + | *Auch beim $\text{System B}$ besteht mit $ρ_v = ξ/3$ ein linearer Zusammenhang. Die Gerade geht ebenfalls durch den Nullpunkt. Die Steigung beträgt aber nur $1/3$. |
| + | *Anzumerken ist, dass ein Rauschverhalten entsprechend $\text{System A}$ bei [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#Beschreibung_im_Frequenzbereich|Zweiseitenband–Amplitudenmodulation ohne Träger]] ⇒ Modulationsgrad $m → ∞$ festzustellen ist, während $\text{System B}$ eine [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#ZSB-Amplitudenmodulation_mit_Tr.C3.A4ger|Zweiseitenband–Amplitudenmodulation mit Träger]] und Modulationsgrad $m ≈ 0.5$ beschreibt. | ||
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| + | *Das $\text{System C}$ zeigt ein völlig anderes Rauschverhalten. Für kleine $ξ$–Werte ist dieses System dem $\text{System A}$ überlegen, während für $ξ = 10000$ die Qualität beider Systeme gleich ist. | ||
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| + | Durch eine Erhöhung der Leistungskenngröße $ξ$ wird das $\text{System C}$ im Gegensatz zum $\text{System A}$ nicht signifikant verbessert. Ein solches Verhalten ist zum Beispiel bei Digitalsystemen feststellbar, bei denen das Sinken–SNR durch das Quantisierungsrauschen begrenzt wird. Befindet man sich bereits auf dem horizontalen Abschnitt der Kurve, so ist durch eine größere Sendeleistung kein besseres Sinken–SNR – und damit verbunden auch keine kleinere Bitfehlerwahrscheinlichkeit – zu erzielen. | ||
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| + | Meist werden die Größen $ρ_v$ und $ξ$ in logarithmierter Form dargestellt, wie in der rechten Grafik zu sehen ist: | ||
| + | *Durch die doppelt–logarithmische Darstellung ergibt sich für das $\text{System A}$ weiterhin die Winkelhalbierende. | ||
| + | *Die geringere Steigung $($Faktor $3)$ von $\text{System B}$ führt nun zu einer Verschiebung um $10 · \lg 3 ≈ 5\text{ dB}$ nach unten. | ||
| + | *Der Schnittpunkt der Systeme $\text{A}$ und $\text{C}$ verschiebt sich durch die doppelt–logarithmische Darstellung von $ξ = ρ_v = 10000$ auf $10 · \lg ξ = 10 · \lg ρ_v = 40\text{ dB}$. }} | ||
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| + | ==Aufgaben zum Kapitel== | ||
| + | <br> | ||
| + | [[Aufgaben:Aufgabe_1.2:_Verzerrungen%3F_Oder_keine_Verzerrung%3F|Aufgabe 1.2: Verzerrungen? Oder keine Verzerrung?]] | ||
| − | + | [[Aufgaben:Aufgabe_1.2Z:_Linear_verzerrendes_System|Aufgabe 1.2Z: Linear verzerrendes System]] | |
| − | + | [[Aufgaben:Aufgabe_1.3:_Systemvergleich_beim_AWGN–Kanal|Aufgabe 1.3: Systemvergleich beim AWGN–Kanal]] | |
| − | + | [[Aufgaben:Aufgabe_1.3Z:_Thermisches_Rauschen|Aufgabe 1.3Z: Thermisches Rauschen]] | |
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Aktuelle Version vom 2. November 2021, 16:52 Uhr
Inhaltsverzeichnis
Ideales und verzerrungsfreies System
Blockschaltbild zur Beschreibung von Modulation und Demodulation
In allen folgenden Kapiteln wird von folgendem Modell ausgegangen:
Die Aufgabe eines jeden Nachrichtenübertragungssystems besteht darin,
- an der räumlich entfernten Sinke ein Signal $v(t)$ zur Verfügung zu stellen,
- das sich möglichst wenig vom Quellensignal $q(t)$ unterscheidet.
$\text{Definition:}$ Ein ideales System liegt vor, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
- $$v(t) = q(t) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$
Hierbei ist berücksichtigt, dass $n(t) \equiv 0$ aus physikalischen Gründen aufgrund des Thermischen Rauschens nicht möglich ist.
In der Praxis werden sich die Signale $q(t)$ und $v(t)$ um mehr als den Rauschterm $n(t)$ unterscheiden, wofür es folgende Gründe gibt:
- Nichtideale Realisierung von Modulator und Demodulator,
- lineare Dämpfungs– und Phasenverzerrungen sowie Nichtlinearitäten,
- externe Störungen und zusätzliche stochastische Rauschprozesse,
- frequenzunabhängige Dämpfung und Laufzeit.
$\text{Definition:}$ Ein verzerrungsfreies System liegt vor, wenn von obiger Auflistung nur die letztgenannte Einschränkung wirksam ist:
- $$v(t) = \alpha \cdot q(t- \tau) + n(t), \hspace{1cm}n(t) \to 0.$$
- Durch den Dämpfungsfaktor $α$ ist das Sinkensignal $v(t)$ gegenüber dem Quellensignal $q(t)$ nur „leiser”.
- Auch eine Laufzeit $τ$ ist oft tolerabel, zumindest bei einer unidirektionalen Übertragung.
- Dagegen wird bei einer bidirektionalen Kommunikation – zum Beispiel einem Telefonat – schon eine Laufzeit von $300$ Millisekunden als sehr störend empfunden.
Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis
Im allgemeinen Fall wird sich das Sinkensignal $v(t)$ auch gegenüber $α · q(t - τ)$ noch unterscheiden, und es gilt für das Fehlersignal:
- $$\varepsilon (t) = v(t) - \alpha \cdot q(t- \tau) = \varepsilon_{\rm V} (t) + \varepsilon_{\rm St} (t).$$
Dieses Fehlersignal setzt sich aus zwei Anteilen zusammen:
- den linearen und nichtlinearen Verzerrungen $ε_{\rm V}(t)$ (German: "Verzerrungen" ⇒ subscript "V"), die durch die Frequenzgänge von Modulator, Kanal und Demodulator hervorgerufen werden und somit deterministisches (zeitinvariantes) Verhalten zeigen;
- der stochastischen Komponente $ε_{\rm St}(t)$, die von der HF–Störung $n(t)$ am Demodulatoreingang herrührt. Im Gegensatz zu $n(t)$ handelt es sich bei $ε_{\rm St}(t)$ jedoch meist aufgrund des Demodulators mit Tiefpass Charakteristik um eine niederfrequente Rauschstörung.
$\text{Definition:}$ Als Maß für die Qualität des Nachrichtensystems wird das Signal–zu–Stör–Leistungsverhältnis $ρ_v$ an der Sinke als Quotient der Leistungen (Varianzen) von Nutzanteil $v(t) - ε(t)$ und Störanteil $ε(t)$ definiert:
- $$\rho_{v} = \frac{ P_{v -\varepsilon} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm},\hspace{0.7cm}\text{mit}\hspace{0.7cm} P_{v -\varepsilon} = \overline{[v(t)-\varepsilon(t)]^2} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } {\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2 }\hspace{0.1cm}{\rm d}t,\hspace{0.5cm} P_{\varepsilon} = \overline{\varepsilon^2(t)} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M} } \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M} } {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}.$$
Für die Leistung des Nutzanteils erhält man unabhängig von der Laufzeit $τ$:
- $$P_{v -\varepsilon} = \overline{\big[v(t)-\varepsilon(t)\big]^2} = \overline{\alpha^2 \cdot q^2(t - \tau)}= \alpha^2 \cdot P_{q}.$$
Hierbei bezeichnet $P_q$ die Leistung des Quellensignals $q(t)$:
- $$P_{q} = \lim_{T_{\rm M} \rightarrow \infty}\hspace{0.1cm}\frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int_{0}^{ T_{\rm M}} {q^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t .$$
Damit erhält man:
- $$\rho_{v} = \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}\rho_{v} = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} \frac{\alpha^2 \cdot P_{q} }{P_{\varepsilon} } \hspace{0.05cm}.$$
- Im Folgenden bezeichnen wir $ρ_v$ kurz als das Signal–to–Noise–Ratio oder Sinken–SNR, und
- $10 · \lg \ ρ_v$ als den Sinken–Störabstand, der bei Verwendung des Zehner–Logarithmus $(\lg)$ in dB angegeben wird.
Zur Verdeutlichung des Fehlersignals $ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$
$\text{Beispiel 1:}$ Rechts sehen Sie einen beispielhaften Ausschnitt
- des (blauen) Quellensignals $q(t)$ und
- des (roten) Sinkensignals $v(t)$,
die sich merklich voneinander unterscheiden.
Die mittlere Grafik macht jedoch deutlich, dass der wesentliche Unterschied zwischen $q(t)$ und $v(t)$ auf den Dämpfungsfaktor $α = 0.7$ und die Laufzeit $τ = 0.1\text{ ms}$ zurückzuführen ist.
Die untere Skizze zeigt das verbleibende Fehlersignal $ε(t) = v(t) - α · q(t - τ)$ nach bestmöglicher Korrektur von Dämpfung und Laufzeit. Den quadratischen Mittelwert ⇒ "Varianz" dieses Signals bezeichnen wir als die Störleistung $P_ε$.
Zur Berechnung des Sinken–SNR $ρ_v$ muss $P_ε$ in Bezug zur Nutzleistung $α^2 · P_q$ gesetzt werden. Diese ergibt sich als die Varianz des in der mittleren Grafik hellblau eingezeichneten Signals $α · q(t - τ)$.
Mit den hier vorausgesetzten Kenngrößen $\alpha = 0.7$ ⇒ $\alpha^2 \approx 0.5$ sowie $P_{q} = 8\,{\rm V^2}$ und ${P_{\varepsilon} } = 0.04\,{\rm V^2}$ ergibt sich das Sinken–SNR $ρ_v ≈ 100$ bzw. der Sinken–Störabstand $10 · \lg ρ_v ≈ 20$ dB.
- Das Fehlersignal $ε(t)$ – und damit auch das Sinken–SNR $ρ_v$ – berücksichtigt alle Unzulänglichkeiten des betrachteten Nachrichtenübertragungssystems (Verzerrungen, externe Störungen, Rauschen, usw.).
- Im Folgenden werden wir aus Darstellungsgründen die unterschiedlichen Effekte getrennt betrachten.
Untersuchungen im Hinblick auf Signalverzerrungen
Alle in den folgenden Kapiteln beschriebenen Modulationsverfahren führen bei nichtidealen Bedingungen zu Verzerrungen, das heißt zu einem Sinkensignal
Vereinfachtes Modell eines Übertragungssystems
- $$v(t) ≠ α · q(t - τ),$$
das sich nicht nur durch eine Dämpfung und eine Laufzeit von $q(t)$ unterscheidet.
Für die Untersuchung und Beschreibung dieser Signalverfälschungen gehen wir stets von folgenden Voraussetzungen und dem obigen Modell aus:
- Das additive Störsignal $n(t)$ am Kanalausgang (Demodulatoreingang) sei vernachlässigbar klein und wird hier nicht berücksichtigt.
- Alle Komponenten von Modulator und Demodulator seien linear,
- ebenso wie der Kanal, der somit durch seinen Frequenzgang $H_{\rm K}(f)$ vollständig beschrieben wird.
Je nach Art und Realisierung von Modulator und Demodulator treten folgende Signalverfälschungen auf:
$\text{Lineare Verzerrungen}$ entsprechend der Beschreibung im gleichnamigen Kapitel des Buches „Lineare zeitinvariante Systeme”:
- Lineare Verzerrungen können im Allgemeinen durch einen Entzerrer kompensiert werden, was allerdings bei Vorhandensein einer stochastischen Störung $n(t)$ stets zu einer höheren Störleistung und damit zu einem geringeren Sinken–SNR führt.
- Solche linearen Verzerrungen werden weiter in Dämpfungsverzerrungen und Phasenverzerrungen unterteilt.
$\text{Nichtlineare Verzerrungen}$ entsprechend der Beschreibung im gleichnamigen Kapitel des Buches „Lineare zeitinvariante Systeme”:
- Nichtlineare Verzerrungen sind irreversibel und damit eine stärkere Beeinträchtigung als lineare Verzerrungen.
- Zur quantitativen Erfassung solcher Verzerrungen eignet sich beispielsweise der Klirrfaktor $K$, der mit dem Sinken–SNR wie folgt zusammenhängt: $\rho_{v} = {1}/{K^2} \hspace{0.05cm}.$
- Die Angabe des Klirrfaktors setzt jedoch eine harmonische Schwingung als Quellensignal voraus.
Wir verweisen hier auf drei grundlegende Lernvideos:
- Lineare und nichtlineare Verzerrungen,
- Eigenschaften des Übertragungskanals,
- Einige Anmerkungen zur Übertragungsfunktion.
$\text{Zwei weitere Anmerkungen:}$
- Die Verzerrungen bezüglich $q(t)$ und $v(t)$ sind immer dann von nichtlinearer Art sind, wenn der Kanal nichtlineare Komponenten beinhaltet und damit bereits nichtlineare Verzerrungen bezüglich der Signale $s(t)$ und $r(t)$ vorliegen.
- Ebenso führen Nichtlinearitäten bei Modulator und Demodulator stets zu nichtlinearen Verzerrungen.
Einige Anmerkungen zum AWGN–Kanalmodell
Zur Untersuchung des Rauschverhaltens der einzelnen Modulations– und Demodulationsverfahren gehen wir meist vom so genannten AWGN–Kanal aus, wobei die Abkürzung für „$\rm A$dditive $\rm W$hite $\rm G$aussian $\rm N$oise” steht und die Eigenschaften dieses Kanalmodells bereits hinreichend beschreibt. Wir weisen Sie hier gerne auch auf das dreiteilige Lernvideo Der AWGN-Kanal hin.
- Das additive Störsignal beinhaltet alle Frequenzanteile gleichermaßen; $n(t)$ besitzt ein konstantes Leistungsdichtespektrum $\rm (LDS)$ und eine diracförmige Autokorrelationsfunktion $\rm (AKF)$:
- $${\it \Phi}_n(f) = \frac{N_0}{2}\hspace{0.15cm} \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.15cm} \varphi_n(\tau) = \frac{N_0}{2} \cdot \delta (\tau)\hspace{0.05cm}.$$
- Der Faktor $1/2$ in diesen Gleichungen berücksichtigt jeweils die zweiseitige Spektraldarstellung.
- Beispielsweise gilt bei thermischem Rauschen für die physikalische Rauschleistungsdichte (das heißt: einseitige Betrachtungsweise) mit der Rauschzahl $F ≥ 1$ und der absoluten Temperatur $θ$:
- $${N_0}= F \cdot k_{\rm B} \cdot \theta , \hspace{0.3cm}k_{\rm B} = 1.38 \cdot 10^{-23}{ {\rm Ws} }/{ {\rm K} }\hspace{0.2cm}{\rm (Boltzmann-Konstante)}\hspace{0.05cm}.$$
- Bei echt weißem Rauschen würde sich eine unendliche große Leistung ergeben. Deshalb ist stets eine Bandbegrenzung auf $B$ zu berücksichtigen, und es gilt für die wirksame Rauschleistung:
- $$N = \sigma_n^2 = {N_0} \cdot B \hspace{0.05cm}.$$
- Das Störsignal $n(t)$ besitzt eine Gaußsche Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion $\rm (WDF)$ ⇒ Amplitudenverteilung mit Störeffektivwert $σ_n$:
- $$f_n(n) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}\cdot\sigma_n}\cdot {\rm e}^{-{\it n^{\rm 2}}/{(2\sigma_{\it n}^2)}}.$$
- Eigentlich ist beim AWGN–Kanal $H_{\rm K}(f) = 1$ zu setzen. Wir modifizieren dieses Modell für unsere Untersuchungen jedoch in der Form, dass wir eine frequenzunabhängige Dämpfung zulassen (beachten Sie: Ein frequenzunabhängiger Dämpfungsfaktor führt ebenfalls nicht zu Verzerrungen):
- $$H_{\rm K}(f) = \alpha_{\rm K}= {\rm const.}$$
Untersuchungen beim AWGN–Kanal
Bei allen Untersuchungen hinsichtlich Rauschverhalten gehen wir vom unten skizzierten Blockschaltbild aus. Wir werden dabei stets das Sinken–SNR $ρ_v$ in Abhängigkeit aller Systemparameter berechnen und zu folgenden Ergebnissen kommen:
Blockschaltbild zur Untersuchung des Rauschverhaltens
- Je mehr Sendeleistung $P_{\rm S}$ aufgewendet wird, desto besser ist das Sinken–SNR $ρ_v$. Bei einigen Verfahren ergibt sich sogar ein linearer Zusammenhang.
- $ρ_v$ nimmt mit steigender Rauschleistungsdichte $N_0$ monoton ab. Eine Vergrößerung von $N_0$ kann meist durch eine größere Sendeleistung $P_{\rm S}$ ausgeglichen werden.
- Je kleiner der Parameter $α_{\rm K}$ des Kanals ist, um so kleiner wird $ρ_v$. Es besteht oft eine quadratische Abhängigkeit, da die Empfangsleistung $P_{\rm E} = {α_{\rm K}}^2 · P_{\rm S}$ ist.
- Ein breitbandigeres Quellensignal $($größeres $B_{\rm NF})$ führt zu kleinerem $ρ_v$ ⇒ man muss auch die HF–Bandbreite vergrößern ⇒ mehr Störungen werden wirksam.
$\text{Fazit:}$ Unter Berücksichtigung dieser vier Aussagen kommt man zu dem Schluss, dass es Sinn macht, das Sinken–SNR in der Form
- $$\rho_{v } = \rho_{v }(\xi) \hspace{0.5cm} {\rm mit} \hspace{0.5cm}\xi = \frac{ {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }{N_0 \cdot B_{\rm NF} }$$
normiert darzustellen. Im Folgenden bezeichnen wir $ξ$ als die Leistungskenngröße.
Die in $ξ$ zusammengefassten Eingangsgrößen sind in obigem Blockschaltbild mit blauen Pfeilen markiert, während das Qualitätskriterium $ρ_v$ durch den roten Pfeil hervorgehoben ist.
- Je größer $ξ$ ist, desto größer ist im allgemeinen $\rho_{v }$.
- Aber der Zusammenhang ist nicht immer linear, wie das folgende Beispiel zeigt.
$\text{Beispiel 2:}$ In der linken Grafik ist das Sinken–SNR $ρ_v$ für drei verschiedene Systeme dargestellt, jeweils in Abhängigkeit von der normierten Leistungskenngröße
Untersuchungen beim AWGN–Kanal
- $$\xi = { {\alpha_{\rm K} }^2 \cdot P_{\rm S} }/({N_0 \cdot B_{\rm NF} }).$$
- Beim $\text{System A}$ gilt $ρ_ν = ξ$. Beispielsweise führen die Systemparameter
- $$P_{\rm S}= 10 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_{\rm K} = 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$
- $$ {N_0} = 10^{-12}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} B_{\rm NF}= 10\; {\rm kHz}$$
- zu $ξ = ρ_v = 10000$ (siehe kreisförmige Markierung der Skizze).
- Exakt das gleiche Sinken–SNR ergäbe sich mit den Parametern
- $$P_{\rm S}= 5 \;{\rm kW}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_{\rm K} = 10^{-6}\hspace{0.05cm},$$
- $${N_0} = 10^{-16}\hspace{0.05cm}{ {\rm W} }/{ {\rm Hz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} B_{\rm NF}= 5\; {\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
- Auch beim $\text{System B}$ besteht mit $ρ_v = ξ/3$ ein linearer Zusammenhang. Die Gerade geht ebenfalls durch den Nullpunkt. Die Steigung beträgt aber nur $1/3$.
- Anzumerken ist, dass ein Rauschverhalten entsprechend $\text{System A}$ bei Zweiseitenband–Amplitudenmodulation ohne Träger ⇒ Modulationsgrad $m → ∞$ festzustellen ist, während $\text{System B}$ eine Zweiseitenband–Amplitudenmodulation mit Träger und Modulationsgrad $m ≈ 0.5$ beschreibt.
- Das $\text{System C}$ zeigt ein völlig anderes Rauschverhalten. Für kleine $ξ$–Werte ist dieses System dem $\text{System A}$ überlegen, während für $ξ = 10000$ die Qualität beider Systeme gleich ist.
Durch eine Erhöhung der Leistungskenngröße $ξ$ wird das $\text{System C}$ im Gegensatz zum $\text{System A}$ nicht signifikant verbessert. Ein solches Verhalten ist zum Beispiel bei Digitalsystemen feststellbar, bei denen das Sinken–SNR durch das Quantisierungsrauschen begrenzt wird. Befindet man sich bereits auf dem horizontalen Abschnitt der Kurve, so ist durch eine größere Sendeleistung kein besseres Sinken–SNR – und damit verbunden auch keine kleinere Bitfehlerwahrscheinlichkeit – zu erzielen.
Meist werden die Größen $ρ_v$ und $ξ$ in logarithmierter Form dargestellt, wie in der rechten Grafik zu sehen ist:
- Durch die doppelt–logarithmische Darstellung ergibt sich für das $\text{System A}$ weiterhin die Winkelhalbierende.
- Die geringere Steigung $($Faktor $3)$ von $\text{System B}$ führt nun zu einer Verschiebung um $10 · \lg 3 ≈ 5\text{ dB}$ nach unten.
- Der Schnittpunkt der Systeme $\text{A}$ und $\text{C}$ verschiebt sich durch die doppelt–logarithmische Darstellung von $ξ = ρ_v = 10000$ auf $10 · \lg ξ = 10 · \lg ρ_v = 40\text{ dB}$.
Aufgaben zum Kapitel
Aufgabe 1.2: Verzerrungen? Oder keine Verzerrung?
Aufgabe 1.2Z: Linear verzerrendes System
Aufgabe 1.3: Systemvergleich beim AWGN–Kanal
Aufgabe 1.3Z: Thermisches Rauschen
