Aufgaben:Exercise 1.2Z: Puls Code Modulation: Difference between revisions

From LNTwww
No edit summary
Fix interlanguage link: resolve redirect chain
 
(35 intermediate revisions by 5 users not shown)
Line 1: Line 1:
{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Prinzip der Nachrichtenübertragung}}
{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Signal_classification}}




[[File:P_ID342__Sig_Z_1_2.png|right|frame|Komponenten der Pulscodemodulation]]
[[File:EN_Sig_Z_1_2.png|right|frame|PCM components]]
Alle modernen Nachrichtenübertragungssysteme sind digital. Das Prinzip der digitalen Übertragung von Sprachsignalen geht auf  [https://de.wikipedia.org/wiki/Alec_Reeves Alec Reeves]  zurück, der die so genannte  ''Pulscodemodulation''  ('''PCM''')  bereits 1938 erfunden hat.
All modern communication systems are digital.  The principle of digital transmission of speech signals goes back to  [https://en.wikipedia.org/wiki/Alec_Reeves Alec Reeves],  who invented the so-called  "Puls Code Modulation"  $\rm (PCM)$  as early as 1938.


Rechts sehen Sie das (vereinfachte) Blockschaltbild des PCM-Senders mit drei Funktionseinheiten:
On the right you see the (simplified) block diagram of the PCM transmitter with three functional units:
* Das bandbegrenzte Sprachsignal  ${q(t)}$  wird abgetastet, wobei das  [[Signaldarstellung/Zeitdiskrete_Signaldarstellung#Das_Abtasttheorem|Abtasttheorem]]  zu beachten ist, und ergibt das abgetastete Signal  $q_{\rm A}(t)$.
*The band-limited speech signal  ${q(t)}$  is sampled, where the  [[Signal_Representation/Discrete-Time_Signal_Representation#Sampling_theorem|Sampling Theorem]]  is observed, and yields the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$.
* Jeder Abtastwert  $q_{\rm A}(t)$  wird auf einen von  $M = 2^N$  quantisierten Werten abgebildet und führt zum quantisierten Signal  $q_{\rm Q}(t)$.
* Each sample  $q_{\rm A}(t)$  is mapped to one of  $M = 2^N$  results in the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$.
* Jeder einzelne Quantisierungswert wird durch eine Codefolge von  $N$  Binärsymbolen dargestellt und ergibt das codierte Signal  $q_{\rm C}(t)$.
* Each individual quantized value is represented by a code sequence of  $N$  binary symbols and results in the coded signal  $q_{\rm C}(t)$.




In dieser Aufgabe sollen nur die verschiedenen Signale des PCM-Senders klassifiziert werden. Spätere Aufgaben behandeln weitere Eigenschaften der Pulscodemodulation.
In this task only the different signals of the PCM transmitter are to be classified.&nbsp; <br>Later tasks will deal with other properties of the puls code modulation.




Line 18: Line 18:




''Hinweis:'' &nbsp; Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Signaldarstellung/Klassifizierung_von_Signalen|Klassifizierung von Signalen]].
''Note:'' &nbsp; This task belongs to the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Signal_classification|Signal classification]].






===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Welche der Aussagen sind für das Quellensignal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; zutreffend?
{Which of the statements are true for the source signal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp;?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ Im Normalbetrieb ist&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; ein stochastisches Signal.
+ In normal operation&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; is a stochastic signal.
+ Ein deterministisches Quellensignal ist nur bei Testbetrieb oder für theoretische Untersuchungen sinnvoll.
+ A deterministic source signal is only useful in test operation or for theoretical investigations.
- ${q(t)}$&nbsp; ist ein zeitdiskretes Signal.
- ${q(t)}$&nbsp; is a discrete-time signal.
+ ${q(t)}$&nbsp; ist ein wertkontinuierliches Signal.
+ ${q(t)}$&nbsp; is a continuous-valued signal.




{Welche der Aussagen treffen für das abgetastete Signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp; zu?
{Which of the statements apply to the sampled signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp;?
|type="[]"}
|type="[]"}
- $q_{\rm A}(t)$&nbsp; ist ein wertdiskretes Signal.
- $q_{\rm A}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal.
+ $q_{\rm A}(t)$&nbsp; ist ein zeitdiskretes Signal.
+ $q_{\rm A}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
+ Je größer die maximale Frequenz des Nachrichtensignals ist, desto größer muss die Abtastrate gewählt werden.
+ The higher the maximum frequency of the source signal, the higher the sampling rate must be selected.




{Welche Aussagen sind für das quantisierte Signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; zutreffend, wenn&nbsp; $N = 8$&nbsp; zugrunde gelegt wird?
{Which statements are true for the quantized signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; if&nbsp; $N = 8$&nbsp; is taken as a base?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; ist ein zeitdiskretes Signal.
+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; ist wertdiskret mit&nbsp; $M = 8$&nbsp; möglichen Werten.
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal with&nbsp; $M = 8$&nbsp; possible values.
+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; ist wertdiskret mit&nbsp; $M = 256$&nbsp; möglichen Werten.
+ $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a discrete-valued signal with&nbsp; $M = 256$&nbsp; possible values.
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; ist ein Binärsignal.
- $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is a binary signal.




{Welche Aussagen sind für das codierte Signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; zutreffend, wenn&nbsp; $N = 8$&nbsp; zugrunde gelegt wird?
{Which statements are true for the coded signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; if&nbsp; $N = 8$&nbsp; is taken as a base?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; ist ein zeitdiskretes Signal.
+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal.
- $q_{\rm C}(t)$&nbsp; ist ein wertdiskretes Signal mit&nbsp; $M = 8$&nbsp; möglichen Werten.
- $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a discrete-time signal with&nbsp; $M = 8$&nbsp; possible values.
+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; ist ein Binärsignal.
+ $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is a binary signal.
- Bei Abtastung im Abstand&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; beträgt die Bitdauer&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
- When sampling at distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; the bit duration is&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
+ Bei Abtastung im Abstand&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; beträgt die Bitdauer&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.
+ When sampling at distance&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; the bit duration is&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.




Line 60: Line 60:
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1, 2 und 4</u>:
'''(1)'''&nbsp;  Correct are the <u>solutions 1, 2 and 4</u>:
*Das Quellensignal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; ist analog, also ''wert- und zeitkontinuierlich''.  
*The source signal&nbsp; ${q(t)}$&nbsp; is analog, i.e. "continuous in time and value".  
*Im Allgemeinen macht es keinen Sinn, ein deterministisches Signal zu übertragen.  
*In general, it makes no sense to transmit a deterministic signal.  
*Für die mathematische Beschreibung eignet sich ein deterministisches Quellensignal &ndash; wie zum Beispiel ein periodisches Signal &ndash; besser als ein Zufallssignal.  
*For the mathematical description, a deterministic source signal &ndash; such as a periodic signal &ndash; is better suited than a random signal.  
*Deterministische Signale werden auch für den Testbetrieb herangezogen, um erkannte Fehlfunktionen rekonstruieren zu können.  
*Deterministic signals are also used for testing in order to be able to reconstruct detected errors.  






'''(2)'''&nbsp;  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
'''(2)'''&nbsp;  Correct are the <u>solution suggestions 2 and 3</u>:
*Das Signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp; nach der Abtastung ist weiterhin&nbsp; ''wertkontinuierlich'', aber nun&nbsp; ''zeitdiskret''.  
*After sampling, the signal&nbsp; $q_{\rm A}(t)$&nbsp; is still&nbsp; continuous in value, but now also&nbsp;discrete in time.  
*Die Abtastfrequenz&nbsp; $f_{\rm A}$&nbsp; ist dabei durch das so genannte&nbsp; ''Abtasttheorem''&nbsp; vorgegeben.  
*The sampling frequency&nbsp; $f_{\rm A}$&nbsp; is given by the so-called&nbsp; "Sampling Theorem".  
*Je größer die maximale Frequenz&nbsp; $f_{\rm N,\,max}$&nbsp; des Nachrichtensignals ist, desto größer muss&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$&nbsp; gewählt werden.
*The greater the maximum frequency&nbsp; $f_{\rm N,\,max}$&nbsp; of the source signal, the greater must&nbsp; $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$&nbsp; be selected.






'''(3)'''&nbsp;  Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>:
'''(3)'''&nbsp;  Correct are the <u>solution suggestions 1 and 3</u>:
*Das quantisierte Signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; ist zeit- und wertdiskret, wobei die Stufenzahl&nbsp; $M = 2^8 = 256$&nbsp; beträgt.  
*The quantized signal&nbsp; $q_{\rm Q}(t)$&nbsp; is  discrete in time and value, where the number of levels are&nbsp; $M = 2^8 = 256$&nbsp;.
*Ein Binärsignal ist dagegen ein wertdiskretes Signal mit der Stufenzahl&nbsp; $M = 2$.  
*A binary signal, on the other hand, is a  discrete-valued signal with the level number&nbsp; $M = 2$.  








'''(4)'''&nbsp;  Richtig sind hier die <u>Lösungsvorschläge 1, 3 und 5</u>:
'''(4)'''&nbsp;  Correct are the <u>solutions 1, 3 and 5</u>:
*Das codierte Signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; ist binär&nbsp; $($Stufenzahl&nbsp; $M = 2)$&nbsp; mit Bitdauer&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.  
*The coded signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; is binary&nbsp; $($level number&nbsp; $M = 2)$&nbsp; with bit duration&nbsp; $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.  
{{ML-Fuß}}
{{ML-Fuß}}






[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^1. Grundbegriffe der Nachrichtentechnik^]]
[[Category:Signal Representation: Exercises|^1.2 Signal Classification^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 1.2Z: Pulscodemodulation]]

Latest revision as of 17:53, 16 March 2026


PCM components

All modern communication systems are digital.  The principle of digital transmission of speech signals goes back to  Alec Reeves,  who invented the so-called  "Puls Code Modulation"  $\rm (PCM)$  as early as 1938.

On the right you see the (simplified) block diagram of the PCM transmitter with three functional units:

  • The band-limited speech signal  ${q(t)}$  is sampled, where the  Sampling Theorem  is observed, and yields the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$.
  • Each sample  $q_{\rm A}(t)$  is mapped to one of  $M = 2^N$  results in the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$.
  • Each individual quantized value is represented by a code sequence of  $N$  binary symbols and results in the coded signal  $q_{\rm C}(t)$.


In this task only the different signals of the PCM transmitter are to be classified. 
Later tasks will deal with other properties of the puls code modulation.




Note:   This task belongs to the chapter  Signal classification.


Questions

1 Which of the statements are true for the source signal  ${q(t)}$ ?

In normal operation  ${q(t)}$  is a stochastic signal.
A deterministic source signal is only useful in test operation or for theoretical investigations.
${q(t)}$  is a discrete-time signal.
${q(t)}$  is a continuous-valued signal.

2 Which of the statements apply to the sampled signal  $q_{\rm A}(t)$ ?

$q_{\rm A}(t)$  is a discrete-valued signal.
$q_{\rm A}(t)$  is a discrete-time signal.
The higher the maximum frequency of the source signal, the higher the sampling rate must be selected.

3 Which statements are true for the quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$  if  $N = 8$  is taken as a base?

$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-time signal.
$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-valued signal with  $M = 8$  possible values.
$q_{\rm Q}(t)$  is a discrete-valued signal with  $M = 256$  possible values.
$q_{\rm Q}(t)$  is a binary signal.

4 Which statements are true for the coded signal  $q_{\rm C}(t)$  if  $N = 8$  is taken as a base?

$q_{\rm C}(t)$  is a discrete-time signal.
$q_{\rm C}(t)$  is a discrete-time signal with  $M = 8$  possible values.
$q_{\rm C}(t)$  is a binary signal.
When sampling at distance  $T_{\rm A}$  the bit duration is  $T_{\rm B} = T_{\rm A}$.
When sampling at distance  $T_{\rm A}$  the bit duration is  $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.


Solution

(1)  Correct are the solutions 1, 2 and 4:

  • The source signal  ${q(t)}$  is analog, i.e. "continuous in time and value".
  • In general, it makes no sense to transmit a deterministic signal.
  • For the mathematical description, a deterministic source signal – such as a periodic signal – is better suited than a random signal.
  • Deterministic signals are also used for testing in order to be able to reconstruct detected errors.


(2)  Correct are the solution suggestions 2 and 3:

  • After sampling, the signal  $q_{\rm A}(t)$  is still  continuous in value, but now also discrete in time.
  • The sampling frequency  $f_{\rm A}$  is given by the so-called  "Sampling Theorem".
  • The greater the maximum frequency  $f_{\rm N,\,max}$  of the source signal, the greater must  $f_{\rm A} ≥ 2 \cdot f_{\rm N,\,max}$  be selected.


(3)  Correct are the solution suggestions 1 and 3:

  • The quantized signal  $q_{\rm Q}(t)$  is discrete in time and value, where the number of levels are  $M = 2^8 = 256$ .
  • A binary signal, on the other hand, is a discrete-valued signal with the level number  $M = 2$.



(4)  Correct are the solutions 1, 3 and 5:

  • The coded signal  $q_{\rm C}(t)$  is binary  $($level number  $M = 2)$  with bit duration  $T_{\rm B} = T_{\rm A}/8$.