Aufgabe 2.2: Verzerrungsleistung

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Eingangssignal und Ausgangssignale

Am Eingang eines Nachrichtensystems $S_1$ wird ein Rechteckimpuls  $x(t)$  mit der Amplitude  $1 \hspace{0.08cm} \rm V$  und der Dauer  $4 \hspace{0.08cm} \rm ms$  angelegt. Am Systemausgang wird dann der Impuls  $y_1(t)$  gemessen, dessen Signalparameter der mittleren Skizze entnommen werden können.

Am Ausgang eines anderen Systems $S_2$ stellt sich bei gleichem Eingangssignal  $x(t)$  das in dem unteren Bild dargestellte Signal  $y_2(t)$  ein.

Für das in dieser Aufgabe verwendete Fehlersignal gelte folgende Definition:

$$\varepsilon(t) = y(t) - \alpha \cdot x(t - \tau) .$$

Die Parameter  $\alpha$  und  $\tau$  sind so zu bestimmen, dass die Verzerrungsleistung (der mittlere quadratische Fehler) minimal ist. Für diese gilt:

$$P_{\rm V} = \overline{\varepsilon^2(t)} = \frac{1}{T_{\rm M}} \cdot \int\limits_{ ( T_{\rm M})} {\varepsilon^2(t) }\hspace{0.1cm}{\rm d}t$$

Bei diesen Definitionen ist bereits berücksichtigt, dass eine frequenzunabhängige Dämpfung ebenso wie eine für alle Frequenzen konstante Laufzeit nicht zur Verzerrung beiträgt.

Das Integrationsintervall ist jeweils geeignet zu wählen:

  • Benutzen Sie für  $y_1(t)$  den Bereich von $0$ ... $4 \hspace{0.08cm} \rm ms$ und für  $y_2(t)$  das Intervall $1 \hspace{0.08cm} {\rm ms}$ ... $5 \hspace{0.08cm} \rm ms$.
  • Damit beträgt in beiden Fällen die Messdauer  $T_{\rm M} = 4 \hspace{0.08cm} \rm ms$.
  • Es ist offensichtlich, dass bezüglich  $y_1(t)$  die Parameter  $\alpha = 1$  und  $\tau = 0$  jeweils zur minimalen Verzerrungsleistung führen.


Das so genannte Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis berechnet sich im allgemeinen Fall zu

$$\rho_{\rm V} = \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$

Hierbei bezeichnet

  • $P_x$ die Leistung des Signals  $x(t)$, und
  • $\alpha^2 \cdot P_x$ die Leistung von  $y(t) = \alpha \cdot x(t - \tau)$, die sich bei Abwesenheit von Verzerrungen ergeben würde.


Meist – so auch in dieser Aufgabe – wird dieses S/N-Verhältnis $\rho_{\rm V}$ logarithmisch in $\rm dB$ angegeben.




Hinweise:

Quantitatives Maß für die Signalverzerrungen  sowie  
Berücksichtigung von Dämpfung und Laufzeit.


Fragebogen

1

Ermitteln Sie die Verzerrungsleistung des Systems $S_1$.

$P_{\rm V1} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-3} \ {\rm V}^2$

2

Berechnen Sie das Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis für System $S_1$.

$10 \cdot {\rm lg} \ \rho_\text{V1} \ = \ $

$\ \rm dB$

3

Welche Parameter $\alpha$ und $\tau$ sollten zur Berechnung der Verzerrungsleistung des Systems $S_2$ herangezogen werden?
Begründen Sie Ihr Ergebnis.

$\alpha \ = \ $

$\tau \ = \ $

$\ \rm ms$

4

Ermitteln Sie die Verzerrungsleistung des Systems $S_2$.

$P_{\rm V2} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-3} \ {\rm V}^2$

5

Berechnen Sie das Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis für das System $S_2$.
Interpretieren Sie die unterschiedlichen Ergebnisse.

$10 \cdot {\rm lg} \ \rho_\text{V2} \ = \ $

$\ \rm dB$


Musterlösung

Resultierende Fehlersignale

(1)  Mit den gegebenen Parametern $\alpha = 1$ und $\tau= 0$ erhält man das in der Grafik dargestellte Fehlersignal $\varepsilon(t)$. Die Verzerrungsleistung ist somit gleich:

$$P_{\rm V1} = \frac{ {1 \, \rm ms}}{4 \, \rm ms} \cdot \left[ ({0.1 \, \rm V})^2 + ({-0.1 \, \rm V})^2\right]\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}P_{\rm V1} \hspace{0.15cm}\underline{ = 5 \cdot 10^{-3} \, \rm V^2}. $$


(2)  Die Leistung des Eingangssignals beträgt:

$$P_{x} = \frac{1}{4 \, \rm ms} \cdot ({1 \, \rm V})^2 \cdot {4 \, \rm ms}\hspace{0.15cm}{ = {1 \, \rm V^2}}.$$

Mit dem Ergebnis aus (1) erhält man somit für das Signal–zu–Verzerrungs–Leistungsverhältnis: $$\rho_{\rm V1} = \frac{ P_{x}}{P_{\rm V1}}= \frac{ {1 \, \rm V^2}}{0.005 \, \rm V^2}\hspace{0.05cm}\rm = 200\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm V1}\hspace{0.15cm}\underline{ = {23.01 \, \rm dB}}.$$


(3)  Die Skizze auf dem Angabenblatt macht deutlich, dass sich auch ohne die auftretenden Verzerrungen, sondern allein durch Dämpfung und Laufzeit das Signal $y(t)$ von $x(t)$ deutlich unterscheiden würde. Es würde sich $y(t) = 0.5 \cdot x(t-1\ {\rm ms}) $ ergeben.

Wenn jemand diese Werte nicht sofort aus der Grafik erkennt, so müsste er für sehr (unendlich) viele $\alpha$– und $\tau$–Werte zunächst das Fehlersignal

$$\varepsilon_2(t) = y_2(t) - \alpha \cdot x(t - \tau)$$

und anschließend den mittleren quadratischen Fehler ermitteln, wobei das Integrationsintervall jeweils an $\tau$ anzupassen ist. Auch dann würde man das kleinstmögliche Ergebnis für $\alpha \; \underline{= 0.5}$ und $\tau \; \underline{= 1 \ \rm ms}$ erhalten. Für diese Optimierung von $\alpha$ und $\tau$ sollte man sich allerdings schon ein Computerprogramm gönnen.


(4)  Die obige Skizze zeigt, dass $\varepsilon_2(t)$ bis auf eine Verschiebung um $1 \ \rm ms$ gleich dem Fehlersignal $\varepsilon_1(t)$ ist. Mit dem Integrationsintervall $1 \ {\rm ms}$ ... $5 \ {\rm ms}$ ergibt sich somit auch die gleiche Verzerrungsleistung:

$$P_{\rm V2} = P_{\rm V1} \hspace{0.15cm}\underline{ = 5 \cdot 10^{-3} \, \rm V^2}.$$


(5)  Entsprechend dem Angabenblatt gilt:

$$\rho_{\rm V2} = \frac{ \alpha^2 \cdot P_{x}}{P_{\rm V2}}= \frac{ 0.5^2 \cdot {1 \, \rm V^2}}{0.005 \, \rm V^2}\hspace{0.05cm}\rm = 50\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm V2} \hspace{0.15cm}\underline{= {16.99 \, \rm dB}}.$$

Trotz gleicher Verzerrungsleistung ist $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm V2}$ gegenüber $10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm V1}$ um etwa $6 \ \rm dB$ geringer. Das Signal $y_2(t)$ ist also hinsichtlich des SNR deutlich ungünstiger als $y_1(t)$. Hierbei ist berücksichtigt, dass nun wegen $\alpha = 0.5$ die Leistung des Ausgangssignals nur noch ein Viertel der Eingangsleistung beträgt.

Würde man diese Dämpfung am Ausgang durch eine Verstärkung um $1/\alpha$ kompensieren, so würde zwar die Verzerrungsleistung um $\alpha^2$ größer. Das Signal-zu-Verzerrungs-Leistungsverhältnis ρV2 bliebe jedoch erhalten, weil auch das „Nutzsignal” um den gleichen Betrag angehoben wird.