Aufgaben:Aufgabe 5.2: Bandspreizung und Schmalbandstörer

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Betrachtet wird ein Spread Spectrum System gemäß der vorliegenden Grafik im äquivalenten Tiefpassbereich. Das Digitalsignal $q(t)$ besitze das Leistungsdichtespektrum $Φ_q(f)$, das als rechteckförmig mit der Bandbreite $B = 1/T = 100 kHz$ angenähert werden soll: $${\it \Phi}_{q}(f) = \left\{ \begin{array}{c} {\it \Phi}_{q0} \\ 0 \\ \end{array} \right. \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{sonst}} \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} |f| <B/2 \hspace{0.05cm}, \\ \\ \end{array}$$ Im Tiefpassbereich ist somit die Bandbreite (nur die Anteile bei positiven Frequenzen) gleich B/2. Die Bandbreite im Bandpassbereich ist B.

Die Bandspreizung erfolgt durch Multiplikation mit der PN–Sequenz $c(t)$ der Chipdauer $T_c = T/100$ (PN steht dabei für Pseudo Noise). Für die Autokorrelationsfunktion gelte vereinfachend: $$ {\it \varphi}_{c}(\tau) = \left\{ \begin{array}{c}1 - |\tau|/T_c \\ 0 \\ \end{array} \right. \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{sonst}} \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} -T_c \le \tau \le T_c \hspace{0.05cm}, \\ \\ \end{array}$$ Beim Empfänger wird wieder die gleiche Spreizfolge c(t) phasensynchron zugesetzt.

Das Interferenzsignal $i(t)$ soll zunächst vernachlässigt werden. In der Teilaufgabe (d) bezeichnet $i(t)$ einen schmalbandigen Störer bei der Trägerfrequenz $f_T = 30 MHz = f_I$ mit der Leistung $P_I$. Der Einfluss des AWGN–Rauschens $n(t)$ wird in dieser Aufgabe nicht betrachtet.

Hinweis: Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel 5.2.

Fragebogen

1

Wie lautet das Leistungsdichtespektrum des Spreizsignals $c(t)$? Welcher Wert ergibt sich bei der Frequenz f = 0?

$Φ_c(f = 0)$ = $10^-7$ $1/Hz$

2

Berechnen Sie die äquivalente Bandbreite $B_c$ des Spreizsignals als Breite des flächengleichen LDS–Rechtecks:

$B_C$ = $MHz$

3

Welche Aussagen sind für die Bandbreiten der Signale $s(t)$ und $b(t)$ zutreffend? Die (zweiseitige) Bandbreite von $q(t)$ ist B.

	$B_s$ ist exakt gleich $B_c$.
	$B_s$ ist näherungsweise gleich $B_c + B$.
	$B_b$ ist exakt gleich $B_s$.
	$B_b$ ist gleich $B_s + B_c = 2B_c + B$.
	$B_b$ ist exakt gleich B.

4

Welchen Einfluss hat eine Bandspreizung auf einen schmalbandigen Störer bei der Trägerfrequenz? Es gelte also $f_I = f_T$.

	Der störende Einfluss wird durch Bandspreizung abgeschwächt.
	Die Störleistung ist nur mehr halb so groß.
	Die Störleistung wird durch die Bandspreizung nicht verändert.

Musterlösung

Musterlösung

1. Das Leistungsdichtesprektrum $Φ_c(f)$ ist die Fouriertransformierte der dreieckförmigen AKF, die mit Rechteckfunktionen der Breite $T_c$ wie folgt dargestellt werden kann: $${\it \varphi}_{c}(\tau) = \frac{1}{T_c} \cdot {\rm rect} \left(\frac{\tau}{T_c} \right ) \star {\rm rect} \left(\frac{\tau}{T_c} \right ) \hspace{0.05cm}.$$ Daraus folgt: $${\it \Phi}_{c}(f) = \frac{1}{T_c} \cdot \left[ T_c \cdot {\rm si} \left(\pi f T_c \right ) \right ] \cdot \left[ T_c \cdot {\rm si} \left(\pi f T_c \right ) \right ] = T_c \cdot {\rm si}^2 \left(\pi f T_c \right ) \hspace{0.05cm}$$ mit dem Maximalwert $${\it \Phi}_{c}(f = 0) = T_c = \frac{T}{100}= \frac{1}{100 \cdot B} = \frac{1}{100 \cdot 10^5\,{\rm 1/s}} \hspace{0.15cm}\underline {= 10^{-7}\,{\rm 1/Hz}}\hspace{0.05cm}.$$

2. Gemäß der vorgegebenen Definition gilt mit $T_c = T/100 = 0.1 μs$: $$B_c= \frac{1}{T_c} \cdot \hspace{-0.03cm} \int_{-\infty }^{+\infty} \hspace{-0.03cm} {\it \Phi}_{c}(f)\hspace{0.1cm} {\rm d}f = \hspace{-0.03cm} \int_{-\infty }^{+\infty} \hspace{-0.03cm} {\rm si}^2 \left(\pi f T_c \right )\hspace{0.1cm} {\rm d}f = \frac{1}{T_c}\hspace{0.15cm}\underline {= 10\,{\rm MHz}} \hspace{0.05cm}$$ Die nachfolgende Grafik verdeutlicht, dass $B_c$ durch die erste Nullstelle der $si^2$–Funktion im äquivalenten Tiefpassbereich vorgegeben wird, aber auch gleichzeitig die äquivalente (flächengleiche) Bandbreite im Bandpassbereich angibt.

3. Das LDS $Φ_s(f)$ ergibt sich aus der Faltung von $Φ_q(f)$ und $Φ_c(f)$. Damit ergibt sich für die Bandbreite des Sendesignals tatsächlich $B_s = B_c + B$. Da das Spreizsignal $c(t)$ ∈ {+1, –1} mit sich selbst multipliziert immer den Wert 1 ergibt, ist natürlich $b(t) ≡ q(t)$ und demzufolge $B_b = B$. Offensichtlich ist, dass die Bandbreite $B_b$ des bandgestauchten Signals ungleich $2B_c + B$ ist, obwohl die Faltung $Φ_s(f) ∗ Φ_c(f)$ dies suggeriert. Dies hängt damit zusammen, dass nicht die Leistungsdichtespektren gefaltet werden dürfen, sondern von den Spektralfunktionen (Amplitudenspektren) $S(f)$ und $C(f)$ unter Berücksichtigung der Phasenbeziehungen auszugehen ist. Erst danach kann aus $B(f)$ das LDS $Φ_b(f)$ bestimmt werden. Es gilt offensichtlich auch: $C(f) ∗ C(f) = δ(f)$. Richtig sind also die Lösungsvorschläge 2 und 5.

4. Die Lösung soll anhand einer Skizze verdeutlicht werden. Im oberen Diagramm ist das LDS $Φ_i(f)$ des Schmalbandstörers durch zwei Diracfunktionen bei $±f_T$ mit Gewichten $P_I/2$ angenähert. Eingezeichnet ist auch die Bandbreite $B = 0.1 MHz$ (nicht ganz maßstäblich).

Die empfängerseitige Multiplikation mit $c(t)$ – eigentlich mit der Funktion der Bandstauchung, zumindest bezüglich des Nutzanteils von $r(t)$ – bewirkt hinsichtlich des Störsignals i(t) eine Bandspreizung. Ohne Berücksichtigung des Nutzsignals ist $b(t) = n(t) = i(t) · c(t)$. Daraus folgt: $${\it \Phi}_{n}(f) = {\it \Phi}_{i}(f) \star {\it \Phi}_{c}(f) =$$ $$ = \frac{P_{\rm I}\cdot T_c}{2}\cdot {\rm si}^2 \left( \pi \cdot (f - f_{\rm T}) \cdot T_c \right )+ \frac{P_{\rm I}\cdot T_c}{2}\cdot {\rm si}^2 \left( \pi \cdot (f + f_{\rm T}) \cdot T_c \right ) \hspace{0.05cm}.$$ Anzumerken ist, dass $n(t)$ hier nur als Abkürzung verwendet wird und nicht wie sonst AWGN–Rauschen bezeichnet. In einem engen Bereich um die Trägerfrequenz $f_T = 30 MHz$ ist das LDS $Φ_n(f)$ nahezu konstant. Damit gilt für die Störleistung nach der Bandspreizung: $$ P_{n} = P_{\rm I} \cdot T_c \cdot B = P_{\rm I}\cdot \frac{B}{B_c} = \frac{P_{\rm I}}{J}\hspace{0.05cm}. $$ Das bedeutet: Die Störleistung wird durch Bandspreizung um den Faktor $J = T/T_c$ herabgesetzt, weshalb J häufig auch als Spreizgewinn bezeichnet wird. Ein solcher Spreizgewinn ist allerdings nur bei einem Schmalbandstörer gegeben.

Richtig ist somit der erste Lösungsvorschlag.