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RUHR-UNIVERSITY BOCHUM Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter bertragungssysteme Vorlesung Zeitvariante Kommunikationssysteme PD Dr.-Ing. Karlheinz Ochs Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik www.dks.rub.de SoSe 2017

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RUHR-UNIVERSITY BOCHUM

Entwurf, Synthese und Analysezeitvarianter Übertragungssysteme

VorlesungZeitvariante Kommunikationssysteme

PD Dr.-Ing. Karlheinz Ochs

Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme

Lehrstuhl für

Digitale

Kommunikationssysteme

Fakultät für

Elektrotechnik und

Informationstechnik

www.dks.rub.de SoSe 2017

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme Einleitung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Einleitung 1 / 33

Einleitung

Trends für Kommunikationssysteme

mobile Kommunikationhohe Bitrategeringe Latenzzeit

Randbedingungen für Mobilfunksysteme

teure und begrenzte Bandbreitebegrenzte Sendeleistungzeitvariante Übertragung

Lösungsansätze

Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM)MehrgrößensystemeMehrantennensysteme. . .

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme Mehrwegekanal

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Mehrwegekanal 2 / 33

Mobilfunk-Übertragung

Übertragungsszenario

Mobiltelefon

Echos

Rauschen

Basisstation

Ursachen für ZeitvarianzMehrwegeausbreitung bei beweglichen ObjektenAbtast-Halteglieder, Modulatoren, HF-Verstärker, ...

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Mehrwegekanal 3 / 33

Übertragung

Übertragungskanal

reellMittenkreisfrequenz ωc

Bandbreite Bc

Bc

−ωc ωc ω

verfugbarerFrequenzbereich

verfugbarerFrequenzbereich

x0(t) y0(t)Quelle Sender

Ubertragungs-kanal

Empfanger Senke

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Mehrwegekanal 3 / 33

Übertragung

Sendesignal

reellTrägerkreisfrequenz ω0

Bandbreite Bx

X0(jω)

Bx

−ω0 ω0 ω

x0(t) y0(t)Quelle Sender

Ubertragungs-kanal

Empfanger Senke

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Mehrwegekanal 3 / 33

Übertragung

Empfang erfordert angepasstes Sendesignal

reellBandbreite Bx ≤ Bcgeeignete Trägerkreisfrequenz ω0

X0(jω) Bc

Bx

−ω0 ω0 ω

x0(t) y0(t)Quelle Sender

Ubertragungs-kanal

Empfanger Senke

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Mehrwegekanal 3 / 33

Übertragung

Äquivalentes Basisband

Kanal komplexwertig

Sendesignal x(t) komplexwertig

Empfangssignal y(t) komplexwertig

X(jω)

Bc

Bxω

x0(t) y0(t)x(t) y(t)digitaleQuelle

digitalerModulator

analogerModulator

Ubertragungs-kanal

analogerDemodulator

digitalerDemodulator

digitaleSenke

Basisband-Kanal

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Mehrwegekanal 4 / 33

Zeitinvariante Mehrwegeausbreitung

Signalbeschreibung

y(t) =n∑ν=0

cνxν(t)

Sendesignal erreicht Empfänger auf unterschiedlichen Wegen

xν(t) = x(t− Tν)unterschiedliche Laufzeiten

Tν = T0 + νTDämpfung und Phasenänderung

cν = |cν | ej argcν

x(t) T0 T T

c0 c1 cn−1 cn

y(t)

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Mehrwegekanal 5 / 33

Zeitinvariante Mehrwegeausbreitung

Impulsantwort

Definitionx(t) = δ(t− Tx) → y(t) = h(t− Tx)

Impulsantwort des Mehrwegekanals

h(t) =n∑ν=0

cνδ(t− Tν)

Eingangs-Ausgangsverhalten

y(t) =∫ ∞−∞h(t− t′)x(t′)dt′

x(t) T0 T T

c0 c1 cn−1 cn

y(t)

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Mehrwegekanal 6 / 33

Zeitinvariante Mehrwegeausbreitung

Übertragungsfunktion

Definition

x(t) = ejΩxt → y(t) = H(jΩx)ejΩxt

Übertragungsfunktion des Mehrwegekanals

H(jω) =n∑ν=0

cν e−jωTν

Eingangs-Ausgangsverhalten

Y(jω) = H(jω)X(jω)

x(t) T0 T T

c0 c1 cn−1 cn

y(t)

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Mehrwegekanal 7 / 33

Zeitvariante Mehrwegeausbreitung

Eingangs-Ausgangsverhalten

y(t) =n∑ν=0

cν(t)x(t− Tν) mit cν(t) ∈ C

Übertragungsverhalten

x(t) = ejΩxt → y(t) =

[n∑ν=0

cν(t)e−jΩxTν

]ejΩxt

x(t) T0 T T

c0(t) c1(t) cn−1(t) cn(t)

y(t)

Zeitvariantes Übertragungsverhalten!Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Mehrwegekanal 8 / 33

Zeitvariante Mehrwegeausbreitung

Stochastische Modellierung

y(t) = c(t)x(t) + w(t) mit c(t),w(t) ∈ C

c(t) assoziiert mit Wahrscheinlichkeits-Dichtefunktion

Rice-VerteilungRayleigh-VerteilungNakagami-m-Verteilung

additives weißes Rauschen w(t)

zeitvariantes Übertragungsverhalten

Übertragungssystem

x(t)

c(t) w(t)

y(t)digitaleQuelle

digitalerModulator

digitalerDemodulator

digitaleSenke

Basisband-Kanal

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme Zeitvariante lineare Systeme

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Zeitvariante lineare Systeme 9 / 33

Systemfunktionen zeitvarianter Systeme

4 Systemfunktionen

zeit- und frequenzvariante Impulsantwort

h(t, t′) bzw. h(jω, t′)

zeit- und frequenzvariante Übertragungsfunktion

H(t, jω′) bzw. H(jω, jω′)

Diagramm

x(t)

X(jω)

h(t, t′)

h(jω, t′)

H(t, jω′)

H(jω, jω′)

y(t)

Y (jω)

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Zeitvariante lineare Systeme 10 / 33

Zeitvariante Impulsantwort

Definition

x(t) = δ(t− Tx) → y(t) = h(t,Tx)

h(t, t′)δ(t− Tx) h(t, Tx)

Zeitvariante Faltung

x(t) → y(t) =∫ ∞−∞h(t, t′)x(t′)dt′

x(t) h(t, t′) y(t)

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Zeitvariante lineare Systeme 11 / 33

Zeitvariante Übertragungsfunktion

Definition

x(t) = ejΩxt → y(t) = H(t, jΩx) ejΩxt

ejΩxt h(t, t′) H(t, jΩx) ejΩxt

Fourier-Rücktransformation

x(t) → y(t) =1

∫ ∞−∞H(t, jω′)X(jω′)ejω′tdω′

X(jω) H(t, jω′) y(t)

Y(jω) 6= H(t, jω)X(jω)Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Zeitvariante lineare Systeme 12 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Frequenzinvariantes System

y(t) = c(t)x(t)x(t)

c(t)

y(t)

Systemfunktionen

Zeitvariante Impulsantwort

Zeitvariante Übertragungsfunktion

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Zeitvariante lineare Systeme 12 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Frequenzinvariantes System

y(t) = c(t)x(t)x(t)

c(t)

y(t)

Systemfunktionen

Zeitvariante Impulsantwort

x(t) = δ(t− Tx) → y(t) = h(t,Tx) = c(t)δ(t− Tx)

Zeitvariante Übertragungsfunktion

x(t) = ejΩxt → y(t) = H(t, jΩx) ejΩxt = c(t) ejΩxt

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Zeitvariante lineare Systeme 12 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Frequenzinvariantes System

y(t) = c(t)x(t)x(t)

c(t)

y(t)

Systemfunktionen

Zeitvariante Impulsantwort

h(t, t′) = c(t)δ(t− t′)

Zeitvariante Übertragungsfunktion

H(t, jω′) = c(t)

Frequenzinvariantes Übertragungsverhalten!

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Zeitvariante lineare Systeme 13 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Idealer Pulsamplitudenmodulator

y(t) = δT(t)x(t)

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

y(t)

Signalverläufe

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Zeitvariante lineare Systeme 13 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Idealer Pulsamplitudenmodulator

y(t) = δT(t)x(t)

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

y(t)

Signalverläufex(t)

−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 t/T

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Zeitvariante lineare Systeme 13 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Idealer Pulsamplitudenmodulator

y(t) = δT(t)x(t)

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

y(t)

SignalverläufeδT (t)

−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 t/T

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Zeitvariante lineare Systeme 13 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Idealer Pulsamplitudenmodulator

y(t) = δT(t)x(t)

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

y(t)

SignalverläufeδT (t)x(t)

−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 t/T

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Zeitvariante lineare Systeme 13 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Idealer Pulsamplitudenmodulator

y(t) = δT(t)x(t)

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

y(t)

SignalverläufeδT (t)x(t), δT (t− T/2)x(t)

−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 t/T

Zeitvariantes System!

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Zeitvariante lineare Systeme 14 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Idealer Pulsamplitudenmodulator

y(t) = δT(t)x(t)

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

y(t)

Systemfunktionen

Zeitvariante ImpulsantwortExistiert nicht!

Zeitvariante Übertragungsfunktion

H(t, jω′) = δT(t) = H(t− T, jω′)

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Zeitvariante lineare Systeme 14 / 33

Spezielle zeitvariante Systeme

Idealer Pulsamplitudenmodulator

y(t) = δT(t)x(t)

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

y(t)

Systemfunktionen

Zeitvariante ImpulsantwortExistiert nicht!

Zeitvariante Übertragungsfunktion

H(t, jω′) = δT(t) =1T

∞∑ν=−∞

ejνΩt mit ΩT = 2π

Zeitperiodisches frequenzinvariantes Übertragungsverhalten!

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme Synthese zeitvarianter Systeme

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Synthese zeitvarianter Systeme 15 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Kaskade zweier zeitvarianter Systeme

x(t)

X(jω)

y(t)

Y (jω)

z(t)

Z(jω)

h1(t, t′)

h1(jω, t′)

H1(t, jω′)

H1(jω, jω′)

h2(t, t′)

h2(jω, t′)

H2(t, jω′)

H2(jω, jω′)

Berechnung

2 Möglichkeiten je SystemfunktionTausch der Teilsysteme ändert Übertragungsverhalten

Welche Systemfunktionen lassen sich ohne Integration berechnen?

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Synthese zeitvarianter Systeme 16 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT) x(t) AHG

δT (t)

y(t)

Signalverläufe

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Synthese zeitvarianter Systeme 16 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT) x(t) AHG

δT (t)

y(t)

Signalverläufex(t)

−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 t/T

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Synthese zeitvarianter Systeme 16 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT) x(t) AHG

δT (t)

y(t)

SignalverläufeδT (t)x(t)

−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 t/T

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Synthese zeitvarianter Systeme 16 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =∞∑

ν=−∞

δ(t− νT)x(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Signalverläufey(t)

−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5 t/T

Zeitvariantes System!

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Synthese zeitvarianter Systeme 17 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =1T

∞∑ν=−∞

ejνΩtx(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Systemfunktion

Zeitvariante Übertragungsfunktion

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Synthese zeitvarianter Systeme 17 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =1T

∞∑ν=−∞

ejνΩtx(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Systemfunktion

Zeitvariante Übertragungsfunktion

x(t) = ejΩxt → 1T

∞∑ν=−∞

ejνΩtejΩxt

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Synthese zeitvarianter Systeme 17 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =1T

∞∑ν=−∞

ejνΩtx(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Systemfunktion

Zeitvariante Übertragungsfunktion

1T

∞∑ν=−∞

ejνΩtejΩxt → y(t) =1T

∞∑ν=−∞

S(jΩx + jνΩ)ejνΩtejΩxt

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K. Ochs Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme SoSe 2017

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Synthese zeitvarianter Systeme 17 / 33

Kaskaden zeitvarianter Systeme

Abtast-Halteglied

y(t) = s(t) ∗ [δT(t)x(t)]

δT(t) =1T

∞∑ν=−∞

ejνΩtx(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Systemfunktion

Zeitvariante Übertragungsfunktion

H(t, jω′) =1T

∞∑ν=−∞

S(jω′ + jνΩ)ejνΩt

Zeitperiodisches Übertragungsverhalten!

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Synthese zeitvarianter Systeme 18 / 33

Übertragung von Abtastwerten

Anforderungsspezifikation

y(kT) = x(kT) für k ∈ ZX(jω) H(t, jω′) y(t)

Systembeschreibung

y(kT) = x(kT)

Entwurf und Synthese

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Synthese zeitvarianter Systeme 18 / 33

Übertragung von Abtastwerten

Anforderungsspezifikation

y(kT) = x(kT) für k ∈ ZX(jω) H(t, jω′) y(t)

Systembeschreibung

12π

∫ ∞−∞H(kT, jω′)X(jω′)ejω′kTdω′ =

12π

∫ ∞−∞X(jω′)ejω′kTdω′

Entwurf und Synthese

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Synthese zeitvarianter Systeme 18 / 33

Übertragung von Abtastwerten

Anforderungsspezifikation

y(kT) = x(kT) für k ∈ ZX(jω) H(t, jω′) y(t)

Systembeschreibung

H(kT, jω′) = 1 für k ∈ Z

(verallgemeinerte) 1. Nyquist-Bedingung

Entwurf und Synthese

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Synthese zeitvarianter Systeme 18 / 33

Übertragung von Abtastwerten

Anforderungsspezifikation

y(kT) = x(kT) für k ∈ Zx(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Systembeschreibung

H(kT, jω′) = 1 für k ∈ Z

(verallgemeinerte) 1. Nyquist-Bedingung

Entwurf und Synthese

H(kT, jω′) =1T

∞∑ν=−∞

S(jω′ + jνΩ)ejνΩkT

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Synthese zeitvarianter Systeme 18 / 33

Übertragung von Abtastwerten

Anforderungsspezifikation

y(kT) = x(kT) für k ∈ Zx(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Systembeschreibung

H(kT, jω′) = 1 für k ∈ Z

(verallgemeinerte) 1. Nyquist-Bedingung

Entwurf und Synthese

1 =1T

∞∑ν=−∞

S(jω′ + jνΩ)

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Synthese zeitvarianter Systeme 18 / 33

Übertragung von Abtastwerten

Anforderungsspezifikation

y(kT) = x(kT) für k ∈ Zx(t)

δT (t)

s(t) y(t)

Systembeschreibung

H(kT, jω′) = 1 für k ∈ Z

(verallgemeinerte) 1. Nyquist-Bedingung

Entwurf und Synthese

∞∑ν=−∞

S(jω′ + jνΩ) = T

s(t) ist ein Nyquist-Impuls

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Synthese zeitvarianter Systeme 19 / 33

Übertragung von Abtastwerten

Zeitvariante Übertragungsfunktion mit cos-förmiger Flanke

1

1−

0

− 1

−1

−1

0

1

0

1

2ω′/Ω2t/T

|H(t, jω′ )|

cos(Ωt/2)

(verallgemeinerte)1.Nyquist-Bedingung

cosinusformigeFlanke

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme Eingrößen-Übertragungssysteme

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Eingrößen-Übertragungssysteme 20 / 33

Übertragung im äquivalenten Basisband

Ressourcen des Kanals

Bandbreite Bc

Dynamik Dc

Dauer Tc

x(t) y(t)

DynamikDauer

Bandbreite

Dc Tc

Bc

digitaleQuelle

digitalerModulator

Basisband-Kanal

digitalerDemodulator

digitaleSenke

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Eingrößen-Übertragungssysteme 20 / 33

Übertragung im äquivalenten Basisband

Sendesignal

Bandbreite Bx

Dynamik Dx

Dauer Tx

x(t) y(t)

Dynamik DynamikDauer

Dauer

Bandbreite Bandbreite

Dx DxDcTx Tx Tc

Bx Bx

Bc

digitaleQuelle

digitalerModulator

Basisband-Kanal

digitalerDemodulator

digitaleSenke

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Page 50: Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter ... · 1 n1 c n y(t) Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme K. Ochs Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme

Eingrößen-Übertragungssysteme 20 / 33

Übertragung im äquivalenten Basisband

Empfang erfordert angepasstes Sendesignal

Bandbreite Bx ≤ Bc

Dynamik Dx ≤ Dc

Dauer Tx ≤ Tc

x(t) y(t)

Dynamik Dynamik DynamikDauer

Dauer

Dauer

Bandbreite Bandbreite Bandbreite

Dx Dx DxDc DcTx Tx TxTc Tc

Bx Bx Bx

Bc Bc

digitaleQuelle

digitalerModulator

Basisband-Kanal

digitalerDemodulator

digitaleSenke

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Eingrößen-Übertragungssysteme 20 / 33

Übertragung im äquivalenten Basisband

Signalraumzuordnung

Anpassung der Signaldynamik Dx ≤ Dc

endliches Alphabet A

Information in Symbolen u(kT) ∈ A

u(t) x(t) y(t) v(t)

Dynamik Dynamik DynamikDauer

Dauer

Dauer

Bandbreite Bandbreite Bandbreite

Dx Dx DxDc DcTx Tx TxTc Tc

Bx Bx Bx

Bc Bc

digitaleQuelle

Impuls-formung

Basisband-Kanal

Symbol-Ruck-gewinnung

digitaleSenke

Signalraum-zuordnung

inverseSignalraum-zuordnung

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Eingrößen-Übertragungssysteme 20 / 33

Übertragung im äquivalenten Basisband

Impulsformung

Anpassung der Signalbandbreite Bx ≤ Bcessentiell für Symbol-Rückgewinnung

u(t) x(t) y(t) v(t)

Dynamik Dynamik DynamikDauer

Dauer

Dauer

Bandbreite Bandbreite Bandbreite

Dx Dx DxDc DcTx Tx TxTc Tc

Bx Bx Bx

Bc Bc

digitaleQuelle

Impuls-formung

Basisband-Kanal

Symbol-Ruck-gewinnung

digitaleSenke

Signalraum-zuordnung

inverseSignalraum-zuordnung

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Eingrößen-Übertragungssysteme 21 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

1 Nyquist-Impuls

z(kT) = u(kT)

2 Aufteilung in Sende- und Empfangsfilter

S(jω) = R(jω)Q(jω)

3 additives weißes Rauschen auf dem Kanal

y(t) = x(t) + w(t)

4 optimales Signal-Geräusch-Verhältnis am Entscheider

r(t) = q(−t)

u(t)

δT (t)

s(t)z(t)

δT (t)

AHG v(t)

Sender Empfanger

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Eingrößen-Übertragungssysteme 21 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

1 Nyquist-Impuls

z(kT) = u(kT)

2 Aufteilung in Sende- und Empfangsfilter

S(jω) = R(jω)Q(jω)

3 additives weißes Rauschen auf dem Kanal

y(t) = x(t) + w(t)

4 optimales Signal-Geräusch-Verhältnis am Entscheider

r(t) = q(−t)

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

r(t)z(t)

δT (t)

AHG v(t)

Sender Empfanger

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Eingrößen-Übertragungssysteme 21 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

1 Nyquist-Impuls

z(kT) = u(kT)

2 Aufteilung in Sende- und Empfangsfilter

S(jω) = R(jω)Q(jω)

3 additives weißes Rauschen auf dem Kanal

y(t) = x(t) + w(t)

4 optimales Signal-Geräusch-Verhältnis am Entscheider

r(t) = q(−t)

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

w(t)

y(t)r(t)

z(t)

δT (t)

AHG v(t)

Sender additivesRauschen

Empfanger

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Eingrößen-Übertragungssysteme 21 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

1 Nyquist-Impuls

z(kT) = u(kT)

2 Aufteilung in Sende- und Empfangsfilter

S(jω) = R(jω)Q(jω)

3 additives weißes Rauschen auf dem Kanal

y(t) = x(t) + w(t)

4 optimales Signal-Geräusch-Verhältnis am Entscheider

r(t) = q(−t)

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

w(t)

y(t)q(−t)

z(t)

δT (t)

AHG v(t)

Sender additivesRauschen

Empfanger

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Page 57: Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter ... · 1 n1 c n y(t) Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme K. Ochs Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme

Eingrößen-Übertragungssysteme 22 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

5 tiefpass-bandbegrenzter Sendeimpuls

Bx ≤ Bc6 zeitliche Synchronisationsfehler

|τ |/T ≤ 5%

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

w(t)

y(t)q(−t)

z(t)

δT (t− τ)

AHG v(t)

Sender additivesRauschen

Empfanger

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Eingrößen-Übertragungssysteme 22 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

5 tiefpass-bandbegrenzter Sendeimpuls

Bx ≤ Bc6 zeitliche Synchronisationsfehler

|τ |/T ≤ 5%

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

w(t)

y(t)q(−t)

z(t)

δT (t− τ)

AHG v(t)

Sender additivesRauschen

Empfanger

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Eingrößen-Übertragungssysteme 23 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Zeitvariante Übertragungsfunktion mit asech-förmiger Flanke

1

1−

0

− 1

−1

−1

0

1

0

1

2ω′/Ω2t/T

|H(t, jω′ )|

cos(Ωt/2)

(verallgemeinerte)1.Nyquist-Bedingung

Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Eingrößen-Übertragungssysteme 23 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Zeitvariante Übertragungsfunktion mit asech-förmiger Flanke

1

1−

0

− 1

−1

−1

0

1

0

1

2ω′/Ω2t/T

|H(t, jω′ )|

cos(Ωt/2)

(verallgemeinerte)1.Nyquist-Bedingung

Toleranzbereich durchSynchronisationsfehler

τ/T

τ/T

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Eingrößen-Übertragungssysteme 23 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Zeitvariante Übertragungsfunktion mit asech-förmiger Flanke

1

1−

0

− 1

−1

−1

0

1

0

1

2ω′/Ω2t/T

|H(t, jω′ )|

cos(Ωt/2)

(verallgemeinerte)1.Nyquist-Bedingungabsolute Robustheit

gegenuberSynchronisationsfehlern

Toleranzbereich durchSynchronisationsfehlerEmpfindlichkeit

gegenuberSynchronisationsfehlern τ/T

τ/T

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Eingrößen-Übertragungssysteme 23 / 33

Impulsformung bei additivem Rauschen

Zeitvariante Übertragungsfunktion mit asech-förmiger Flanke

1

1−

0

− 1

−1

−1

0

1

0

1

2ω′/Ω2t/T

|H(t, jω′ )|

cos(Ωt/2)

(verallgemeinerte)1.Nyquist-Bedingungabsolute Robustheit

gegenuberSynchronisationsfehlern

asymptotischesVerhalten

des Impulses

Toleranzbereich durchSynchronisationsfehlerEmpfindlichkeit

gegenuberSynchronisationsfehlern τ/T

τ/T

asech-formigeFlanke

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Page 63: Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter ... · 1 n1 c n y(t) Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme K. Ochs Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme

Eingrößen-Übertragungssysteme 24 / 33

Impulsformung bei nichtfrequenzselektivem Schwund

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

7 WLAN-Kanal: Nakagami-m-Verteilung für c(t)

8 Minimierung der Fehlerwahrscheinlichkeit bei Entscheidung

gesendet u(kT) ∈ A

empfangen z(kT− τ) ∈ C

entschieden v(kT) = Qz(kT− τ) ∈ A

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

c(t) w(t)

y(t)q(−t)

z(t)

δT (t− τ)

AHG v(t)

Sender Basisband-Kanal

Empfanger

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Eingrößen-Übertragungssysteme 24 / 33

Impulsformung bei nichtfrequenzselektivem Schwund

Entwurfsvorgaben für Übertragungssystem

7 WLAN-Kanal: Nakagami-m-Verteilung für c(t)

8 Minimierung der Fehlerwahrscheinlichkeit bei Entscheidung

gesendet u(kT) ∈ A

empfangen z(kT− τ) ∈ C

entschieden v(kT) = Qz(kT− τ) ∈ A

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

c(t) w(t)

y(t)q(−t)

z(t)

δT (t− τ)

AHG v(t)

Sender Basisband-Kanal

Empfanger

Welche Flanke hat der optimale Nyquist-Impuls?Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Eingrößen-Übertragungssysteme 25 / 33

Impulsformung bei nichtfrequenzselektivem Schwund

Zeitvariante Übertragungsfunktion mit trigonometrischer Flanke

1

1−

0

− 1

−1

−1

0

1

0

1

2ω′/Ω2t/T

|H(t, jω′ )|

trigonometrischeFlanke

Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Eingrößen-Übertragungssysteme 26 / 33

Impulsformung bei nichtfrequenzselektivem Schwund

Fehlerwahscheinlichkeit bei optimierter zeitvarianter Übertragungsfunktion

7dB

100

10−1

10−2

10−3

10−4

10−5

10−6

Symbolfehlerw

ahrscheinlichkeit

0 10 20 30 40

EB/W0

>100

Cosinus-Rolloff-Impuls

trigonometrischecharakteristische Flanke

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme Mehrgrößen-Übertragungssysteme

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

K. Ochs Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme SoSe 2017

Page 68: Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter ... · 1 n1 c n y(t) Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme K. Ochs Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme

Mehrgrößen-Übertragungssysteme 27 / 33

Zeitdiskreter Übertragungskanal

Überlegungen

1 perfekte zeitliche Synchronisation

τ = 02 keine Empfangsfilterung, Sendefilter ist Nyquist-Filter

x(kT) = u(kT)

3 zeitdiskreter Kanal

y(kT) = c(kT)x(kT) + w(kT)

4 Entscheidung

v(kT) = Qy(kT)

u(t)

δT (t)

q(t)x(t)

c(t) w(t)

y(t)q(−t)

z(t)

δT (t)

AHG v(t)

Sender Basisband-Kanal

Empfanger

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Mehrgrößen-Übertragungssysteme 27 / 33

Zeitdiskreter Übertragungskanal

Überlegungen

1 perfekte zeitliche Synchronisation

τ = 02 keine Empfangsfilterung, Sendefilter ist Nyquist-Filter

x(kT) = u(kT)

3 zeitdiskreter Kanal

y(kT) = c(kT)x(kT) + w(kT)

4 Entscheidung

v(kT) = Qy(kT)

u(t)

δT (t)

s(t)x(t)

c(t) w(t)

y(t)

δT (t)

AHG v(t)

Sender Basisband-Kanal

Empfanger

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Mehrgrößen-Übertragungssysteme 27 / 33

Zeitdiskreter Übertragungskanal

Überlegungen

1 perfekte zeitliche Synchronisation

τ = 02 keine Empfangsfilterung, Sendefilter ist Nyquist-Filter

x(kT) = u(kT)

3 zeitdiskreter Kanal

y(kT) = c(kT)x(kT) + w(kT)

4 Entscheidung

v(kT) = Qy(kT)replacements

u(t)

δT (t)

s(t)x(t)

c(t) w(t)

y(t)

δT (t)

AHG v(t)

zeitdiskreter Kanal

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Mehrgrößen-Übertragungssysteme 27 / 33

Zeitdiskreter Übertragungskanal

Überlegungen

1 perfekte zeitliche Synchronisation

τ = 02 keine Empfangsfilterung, Sendefilter ist Nyquist-Filter

x(kT) = u(kT)

3 zeitdiskreter Kanal

y(kT) = c(kT)x(kT) + w(kT)

4 Entscheidung

v(kT) = Qy(kT)

u(kT ) = x(kT )

c(kT ) w(kT )

y(kT )v(kT )

zeitdiskreter Kanal

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Page 72: Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter ... · 1 n1 c n y(t) Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme K. Ochs Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme

Mehrgrößen-Übertragungssysteme 28 / 33

Eingrößen-Übertragungssystem

Kanalmodell

y(k) = c(k)x(k) + w(k)

DynamikDauer

Bandbreite

DxDc Tx Tc

Bx

Bc

u(k)x(k)

c(k)w(k)

y(k)v(k)S DSVE

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Mehrgrößen-Übertragungssysteme 29 / 33

Eingrößen-Übertragungssystem

TransinformationMaximierung

geeignetes Alphabet AMaximum erreichen

geeignete Digitale Signalverarbeitung (DSV)

U

Aquiv

okatio

n

Transinformation

Fehlinf

ormati

on

V

u(k)x(k)

c(k)w(k)

y(k)v(k)S DSVE

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Mehrgrößen-Übertragungssysteme 30 / 33

Mehrgrößen-Übertragungssystem

Kanalmodell

y(k) = C(k)x(k) +w(k)

SignalvektorenÜbertragungsmatrix

T

u1(k)

un(k)

x1(k)

xn(k)

c11(k)

c1n(k)

cn1(k)

cnn(k)

w1(k)

wn(k)

y1(k)

yn(k)

v1(k)

vn(k)

S

S

DSV

DSV

E

E

Maximale Transinformation gewünscht!Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Mehrgrößen-Übertragungssysteme 31 / 33

Mehrgrößen-Übertragungssystem

Mehrfachzugriffsverfahren

Beispiel TDMA DynamikDauer

Bandbreite

DxDc Tx Tc

Bx

Bc

u1(k)

un(k)

x1(k)

xn(k)

c11(k)

c1n(k)

cn1(k)

cnn(k)

w1(k)

wn(k)

y1(k)

yn(k)

v1(k)

vn(k)

S

S

DSV

DSV

E

E

Vermeidung von Kanal-Interferenz sinnvoll?Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Mehrgrößen-Übertragungssysteme 32 / 33

Mehrantennen-Übertragungssystem

Interferenz-Ausrichtung und Auslöschung

T

u(k)

x1(k)

xn(k)

c11(k)

c1n(k)

cn1(k)

cnn(k)

w1(k)

wn(k)

y1(k)

yn(k)

v1(k)

vn(k)

S

DSV

DSV

E

E

Steigerung der maximalen Transinformation möglich

Empfänger schätzen Übertragungsmatrix C(k)

Sender erhält C(k) über Rückkanäle

Kanal-Interferenz konstruktiv nutzen

Optimale Signalverarbeitungs-Strategie?Lehrstuhl fürDigitale Kommunikationssysteme

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Entwurf, Synthese und Analyse zeitvarianter Übertragungssysteme Zusammenfassung und Ausblick

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Mehrwegekanal

3 Zeitvariante lineare Systeme

4 Synthese zeitvarianter Systeme

5 Eingrößen-Übertragungssysteme

6 Mehrgrößen-Übertragungssysteme

7 Zusammenfassung und Ausblick

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Zusammenfassung und Ausblick 33 / 33

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Nachrichtentheorie

Wie lassen sich Übertragungssysteme entwerfen und synthetisieren?

Informationstheorie

Was ist die maximal mögliche Rate für eine zuverlässige Übertragung?

Digitale Signalverarbeitung

Was ist die optimale Verarbeitungsstrategie?

Programmierbare Hardware

Wie kann das digitale Kommunikationssystem verifiziert werden?

Ausblick

Grenzen der Kommunikation bestimmen und erreichen!

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