1  Inhalt  

1  Inhalt  

1  Inhalt  2

2  Überblick  5

3  Ergebnis - Technischer Abschlußbericht  6

3.1  Einleitung  6

3.2  Auswahl verschiedener System-Modi.  7

3.2.1  Technische Anforderungen an das System.  7

3.2.2  Betrachtete Empfangssituationen.  8

3.2.3  Modulation der Unterträger.  9

3.3  Berechnung der System-Parameter  10

3.3.1  Wahl des Unterträgerabstands.  10

3.3.2  Berechnung der übrigen Systemparameter.  15

3.4  Mindestfeldstärken.  18

3.4.1  Die eigentliche Mindestfeldstärke.  18

3.4.2  Die Mindestfeldstärke für die Funknetzplanung  20

3.5  Spektrumsmasken  21

3.6  Schutzabstände für die Funknetzplanung  23

3.6.1  Benötigte Leistungsdichtespektren.  24

3.6.2  Schutzabstände.  28

3.6.3  Beispiele für die Versorgungsprognose.  38

3.7  Fazit  43

4  Beschreibung der Modulationsverfahren  45

4.1  Frequenzmodulation im UKW-Band II  45

4.1.1  Frequenzmodulation allgemein am Beispiel eines Kosinussignals  45

4.1.2  System und Kennwerte der F-MAudioübertragung im UKW Band II.  53

4.2  Allgemeine Beschreibung eines OFD-MSystems.  61

4.2.1  Probleme der digitalen Signalübertragung  61

4.2.2  Eigenschaften von OFD-MSignalen  62

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1  Inhalt  

5  Bestimmung der OFD-MParameter und des Kanalmodells.  73

5.1  Der Mobilfunkkanal  73

5.2  Modellierung und stochastische Beschreibung des Mobilfunkkanals.  74

5.2.1  Das Doppler-Spektrum  75

5.2.2  Verzögerungs-Leistungsdichte-Spektrum und Kohärenzbandbreite  78

5.2.3  Benutzte Verzögerungs-Leistungsdichte-Spektren  80

5.2.4  Fading im Mobilfunkkanal.  85

5.3  Das OFD-MSignal.  86

5.3.1  Störung durch Intersymbolinterferenz  87

5.3.2  Störung durch IntercarrierInterferenz  88

5.3.3  Spektrale Formung des OFD-MSignals.  91

5.3.4  Zeitliche Formung des OFD-MSignals  92

5.3.5  Crestfaktor von OFD-MSignalen  93

5.3.6  Kanalschätzung  94

5.3.7  Kanalcodierung und daraus resultierende Bitfehlerraten  96

5.3.8  Empfängermodell und Mindestempfangsleistung.  100

6  Funknetzplanung  103

6.1  Nutzbetrachtung des Systems.  103

6.1.1  Ausbreitung des Signals und resultierende Feldstärken  103

6.1.2  Antennengewinn.  104

6.1.3  Die Sendeleistung  105

6.1.4  Die entfernungsabhängige Dämpfung.  106

6.1.5  Langsamer Schwund.  107

6.1.6  Schneller Schwund.  109

6.1.7  Inhouse-Versorgung  110

6.1.8  Der maximale Senderabstand  110

6.1.9  Zusammenfassung der Nutzbetrachtung durch ein stochastisches Modell  

   111

6.1.10  Wellenausbreitungskurven nach CCIR für die Funknetzplanung  112

6.2  Störbetrachtung des Systems.  114

6.2.1  Rauschen durch Intersymbolinterferenz.  115

6.2.2  Das thermische Rauschen  115

6.2.3  Rauschen durch Intercarrierinterferenz  116

6.2.4  Störung durch Man-Made-Noise  117

6.2.5  Mindestfeldstärke für die Funknetzplanung.  117

6.2.6  Mindestleistung aus der Berechnung der mobilen Empfangssituation.  119

6.2.7  Frequenzmasken für den OFD-MRundfunk  120

6.2.8  Berechnung der Schutzabstände  121

6.2.9  Versorgungsprognosen  123

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1  Inhalt  

7  Multiplexbildung und weiteres Vorgehen  124

7.1  Multiplexbildung  124

7.2  Weiteres Vorgehen  124

8  Verzeichnisse  125

8.1  Abbildungsverzeichnis  125

8.2  Tabellenverzeichnis  127

8.3  Formelzeichen  128

8.3.1  Frequenzmodulation.  128

8.3.2  OFDM  129

8.3.3  System-Parameter.  130

8.3.4  Funknetzplanung  133

8.4  Literatur.  136

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2 Überblick

2 Überblick

In der folgenden Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, eine Digitalisierung der Tonrundfunkfrequenzen im Band II (88-108 MHz) durchzuführen. Die Schwerpunkte bestehen dabei aus der allgemeinen Betrachtung des OFDM-Systems sowie der Funknetz-Planungsparameter eines solchen digitalen Rundfunksystems.

Kapitel 3 zeigt die Ergebnisse der Untersuchung. Es wird bewiesen, dass mindestens ein Audio-Signal in CD-Qualität in einer Nutzbandbreite von 100 kHz digital übertragen werden kann. Zusätzlich wird gezeigt, dass eine schrittweise Ersetzung analoger Sender durch digitale Sender, ähnlich wie bei Chester 97 ohne Störungen der derzeitigen Rundfunklandschaft durchgeführt werden kann.

Die nachfolgenden Kapitel zeigen die benötigen Grundlagen der Untersuchung. Zunächst werden in Kapitel 4 kurz die Modulationsverfahren erklärt. Danach erfolgt eine genaue Betrachtung des Mobilfunkkanals. Mit Hilfe der Kenntnis des Mobilfunkkanals werden grundlegende Attribute des OFDM-Signals hinsichtlich der Anforderungen des Mobilfunkkanals und der bestehenden Infrastruktur in Kapitel 5 diskutiert und bewertet. Die Betrachtung des OFDM-Signals alleine ist allerdings nicht ausreichend. Es ist nötig, eine Bewertung für die Funknetzplanung durchzuführen. Die Grundlagen dafür werden in Kapitel 6 dargestellt.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.1 Einleitung

Inhalt des vorliegenden technischen Berichts ist die Dimensionierung und Bewertung eines OFDM-Systems ähnlich dem DRM-Standard im UKW-Band. Zunächst wird geklärt, welche Anforderungen an ein solches System gestellt werden müssen. Nachdem die Voraussetzungen geklärt sind, werden wichtige Systemparameter eines solchen Systems bestimmt. Die gewählte Vorgehensweise zur Bestimmung der Parameter ist im vorliegenden Bericht vollständig dargestellt. Um die Einsatzmöglichkeiten abschätzen zu können und Versorgungsprognosen durchführen zu können, werden die Mindestfeldstärken verschiedener Empfangssituationen berechnet. Mit den Frequenzmasken der verschiedenen Sendemodi und mit den typischen Leistungsdichtespektren werden Vorschläge für die gegenseitigen Schutzabstandkurven der verschiedenen Systeme einschließlich UKW-FM definiert. Abschließend wird in Kapitel 3.7 eine allgemeine und umfassende Analyse des Systems bezüglich der Anforderungen durchgeführt.

Die detaillierten Herleitungen zu den im vorliegenden technischen Bericht angegebenen Zusammenhänge können der Diplomarbeit “Untersuchung zur Implementierung eines digitalen Übertragungssystem auf OFDM-Basis im UKW-Frequenzbereich“ entnommen werden.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.2 Auswahl verschiedener System-Modi

3.2.1 Technische Anforderungen an das System

Für die technische Untersuchung relevante Voraussetzungen für das digitale System sind:

• Das System sollte die Möglichkeit zum Aufbau von Gleichwellennetzen besitzen.

• Das System sollte für den mobilen Empfang vorbereitet sein. Die maximale Empfängergeschwindigkeit wird auf 300 km/h festgesetzt.

• Die Nutzbandbreite sollte 100 kHz betragen.

• Die Datenrate sollte für ein Programm in hörbar besserer Audioqualität als beim UKW-FM-Rundfunk ausreichen.

• Bestehende UKW-FM-Versorgungen dürfen nicht gestört werden.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.2.2 Betrachtete Empfangssituationen

Bei der Ermittlung der Mindestfeldstärken für die Funknetzplanung werden verschiedene Empfangssituationen berücksichtigt:

• Stationärer Empfang (SE):

• Portabler Empfang Outdoor (PEO):

• Portabler Empfang Indoor (PEI):

• Mobiler Empfang (ME):

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.2.3 Modulation der Unterträger

Für die Untersuchung werden drei Modi eines OFDM-Signals definiert, nämlich eine 4-QAM-Variante, eine 16-QAM-Variante und eine 64-QAM-Variante. Die drei Modi unterscheiden sich in erster Linie durch die Modulationsart der Unterträger. Als Grundlage zur CNR-Bestimmung wird die Union-Bound-Abschätzung für die Urban Area (gleich der Abschätzung für die Rural Area) herangezogen. Zum benötigten CNR wird ein Zuschlag von 3dB addiert, um Verluste durch die „ungenaue“ Kanalschätzung und die Implementierung zu berücksichtigen. Die Werte aus Tab. 3-1 gelten für eine kodierte Bitfehlerrate von 10 ^-4 und einen Faltungscode der Kodierungsrate R=½.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.3 Berechnung der System-Parameter

Die Berechnung der System-Parameter erfolgt in einem festen Muster. Dieses Muster wird im Folgenden dargestellt.

3.3.1 Wahl des Unterträgerabstands

Zunächst muss der Unterträgerabstand Δf bestimmt werden. Dieser muss den Voraussetzungen für den mobilen Empfangsfall genügen. Der Unterträgerabstand Δf muss groß genug gewählt werden, um genügend Dopplerverschiebung f dmax zulassen zu können. Im mobilen Empfangsfall ist das CNR nicht nur vom thermischen Umgebungsrauschen abhängig, es ist auch abhängig von der

Empfängergeschwindigkeit v und der dadurch entstehenden Dopplerverschiebung. Die maximale Dopplerverschiebung f dmax ergibt sich mit der maximalen

Empfängergeschwindigkeit v max , mit einer maximalen Unterträgerfrequenz f cmax =108 MHz und der Lichtgeschwindigkeit c zu

v

f

d max

siehe Tab. 3-2.

Die Bestimmung des Unterträgerabstands Δf erfolgt grafisch, wie nachfolgend dargelegt. Dabei ist zu beachten, dass zu einem ausgewählten Unterträgerabstand Δf auch eine benötigte Mindestempfangsleistung P RXmin und eine maximal zulässige

Empfängergeschwindigkeit v max gehören (siehe Kapitel 3.4.1). Bei steigender Empfängergeschwindigkeit v bzw. geringerem Unterträgerabstand Δf steigt der zu berücksichtigende Rauschanteil durch Intercarrierinterferenz. Mit

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

( Dopp

ergibt sich für den Mindestempfangspegel

P

min RX

Das jeweils benötigte CNR kann aus Tab. 3-1 entnommen werden. Die Störleistung durch Intersymbolinterferenz P ISI wird dabei vernachlässigt. Für den Empfänger beim mobilen Empfang (ME) wird von den entsprechenden Kennwerten aus Tab. 3-5 ausgegangen. Die thermische Rauschleistungsdichte Φ TH lässt sich mit der

Bolzmannkonstante k und den Werten aus Tab. 3-5 berechnen durch:

= Φ

TH

Bei der Wahl der Unterträgerabstände Δf wird bereits das minimale Guardintervall T G von 166,6666 µs berücksichtigt. Dieser Wert entsteht aus der Annahme, dass benachbarte Senderstandorte typischerweise einen Abstand von 60 km aufweisen. Um vernünftige Datenraten realisieren zu können, wird die Dauer des Guardintervall T G auf Werte von 1/16, 1/8 bzw. 1/4 der Symboldauer festgelegt.

Aus dem Zusammenhang zwischen den Unterträgerabstände Δf und dem benötigten Gesamtempfangspegel P RXmin kann man nun eine Wahl bezüglich des Unterträgerabstands treffen. Die Abb. 3-1 - Abb. 3-3 zeigen den benötigten Gesamt-

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Mindestempfangspegel P RXmin in Abhängigkeit des Unterträgerabstands Δf für die verschiedenen Modulationsarten:

Die Wahl des Unterträgerabstands Δf für die 4-QAM erfolgt nun unter dem Gesichtspunkt, dass die Dauer des Guardintervall T G 1/16 der Symboldauer T S betragen soll. Um dies zu gewährleisten, wird der Wert des Unterträgerabstands Δf auf 375 Hz festegelegt. Dies ermöglicht ein maximale Empfängergeschwindigkeit von 300 km/h.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Bei der 16-QAM soll die Dauer des Guardintervall T G 1/8 der Symboldauer T S betragen. Aus diesem Grund wird der Unterträgerabstand Δf auf 750 Hz festgelegt. Dies ermöglicht auch bei der 16-QAM eine maximale Empfängergeschwindigkeit v max von 300 km/h.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Bei der 64-QAM besteht das Hauptproblem in der Höhe der benötigten Unterträgerabstände Δf für die maximale Geschwindigkeit v max von 300 km/h. Die Symboldauer T S wird so kurz, dass durch die feste Dauer des Guardintervall T G eine starke Reduzierung der Datenrate auftritt. Die 64-QAM ist somit nicht mehr effizient. Da eine Geschwindigkeit von 300 km/h eher selten erreicht wird, geht man zugunsten der Datenrate einen Kompromiss ein. Die Dauer des Guardintervall T G wird auf 1/4 der Symboldauer T S festgesetzt. Man erhält dann einen Unterträgerabstand Δf von 1500 Hz. Die maximale Empfängergeschwindigkeit v max wird somit auf 200 km/h reduziert.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

In Tab. 3-3 werden die Unterträgerabstände Δf aus Abb. 3-1 - Abb. 3-3 dargestellt:

3.3.2 Berechnung der übrigen Systemparameter

Nachdem der Unterträgerabstand Δf nun feststeht, kann man mit dessen Hilfe die Nutzsymboldauer T S berechnen.

1

= T S G 3-5

Δ f

Die Anzahl der Unterträger K wird durch den Unterträgerabstand Δf und die Gesamtbandbreite B ges =100 kHz des Signals festgelegt. Dabei ist zu beachten, dass ein evtl. Träger bei 0 kHz nicht genutzt und deshalb unterdrückt wird.

⎢

= K ⎢

⎣

Die Dauer des Guardintervall T G ist aus der Tatsache heraus festgelegt, dass das System gleichwellennetzfähig sein muss. Für eine typische Distanz zweier Sender-Standorte von 60 km kommt man auf die Dauer des Guardintervall T G von:

= T G

Die Dauer eines OFDM-Symbols T OFDM berechnet sich durch:

+ = T T T . G 3-8

G S OFDM

Aus der Dauer des OFDM-Symbols T OFDM , der Unterträgeranzahl Δf und der Modulationsordnung der Art M-QAM kann man nun die Bruttodatenrate R Brutto berechnen.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

R

Brutto

Zum Durchführen der Kanalschätzung werden Pilotsymbole benötigt. Um eine brauchbare Kanalschätzung durchführen zu können, dürfen die Pilotsymbole sowohl in Zeitrichtung als auch in Frequenzrichtung einen bestimmten Abstand nicht überschreiten. Die Berechnungen der Höchstabstände zweier Pilotsymbole in Zeit- und Frequenzrichtung für die Kanalschätzung können wie folgt durchgeführt werden:

• Symbolabstände in Zeitrichtung D t :

• Unterträgerabstände in Frequenzrichtung D f :

τ max stellt die maximale Mehrwegeverzögerung dar und wird hier wegen des Ausbreitungsprofils „DAB Hilly Terrain I“ auf 100 µs festgesetzt.

Die Bruttodatenrate nach der Kanalschätzung R Kanal ist bestimmt durch die Anzahl der Piloten je Sekunde und die Modulationsart.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

⋅ ⋅ − = ) (M ld P P R R G 3 - 1 4

f t Brutto Kanal

Durch die Koderate der Faltungskodierung von R=½ wird die Nutzdatenrate R Netto wie folgt reduziert:

⋅ = R R R G 3-15

Kanal Netto

Tab. 3-4 zeigt die Systemparameter der drei verschiedenen Modi:

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.4 Mindestfeldstärken

Man kann zwei Arten der Mindestfeldstärken unterscheiden. Zum einen die tatsächlich benötigte Mindestfeldstärke am Empfängereingang und zum anderen die Mindestfeldstärke zum Zwecke der Funknetzplanung.

3.4.1 Die eigentliche Mindestfeldstärke

Die eigentliche Mindestfeldstärke E RXmin ist beim stationären (SE) und portablen (PE) Empfang durch die Empfängerempfindlichkeit P min und das benötigte CNR an der Antenne definiert. Das benötigte CNR kann der Tab. 3-1 entnommen werden. Die Kennwerte der jeweiligen Empfänger erhält man in Tab. 3-5.

Die Berechnung der thermischen Rauschleistungsdichte Φ TH erfolgt wie in Kapitel 3.3.1 G. 3-4. Die Empfängerempfindlichkeit P min kann nun wie folgt berechnet werden:

Für die Mindestempfangsleistung P RXmin folgt dann für den stationären und portablen Fall mit dem benötigten CNR:

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Beim mobilen Empfang (ME) kommt zur thermischen Rauschleistung noch ein Teil, der durch die Bewegung des Empfängers verursacht wird. Dieser Störanteil ist von der Empfangsleistung E RX abhängig. Die Mindestempfangsleistung E RXmin beim mobilen Empfang kann aus Abb. 3-1 - Abb. 3-3 entnommen werden. Tab. 3-6 zeigt die berechneten Mindestempfangsleistungen P min der verschiedenen Modulationsarten und Empfangssituationen.:

Die jeweilige Mindestfeldstärke E RXmin kann mit der Wellenlänge λ und unter der λ -Dipols als Empfangsantenne berechnet werden durch:

Annahme eines 2

Für die Mindestempfangsfeldstärken E RXmin ergibt sich:

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.4.2 Die Mindestfeldstärke für die Funknetzplanung

Bei den Mindestfeldstärken für die Funknetzplanung E med werden Aufschläge benötigt, die den Fehler des Ausbreitungsmodells nach den CCIR Ausbreitungskurven ausgleichen. Das CCIR-Modell beschreibt die Wellenausbreitung in einer Höhe von 10m über dem Erdboden und einer Ortswahrscheinlichkeit von 50%. Für die verschiedenen Empfangssituationen werden verschiedene Aufschläge auf die Mindestfeldstärke gegeben, um der Empfangssituation gerecht zu werden.

Tab. 3-8 zeigt die verschiedenen Aufschläge der Empfangssituationen:

Berechnet man die Mindestfeldstärken für die Funknetzplanung E med , dann erhält man die Ergebnisse aus Tab. 3-9:

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.5 Spektrumsmasken

Die Außerbandabstrahlung des OFDM-Systems muss innerhalb definierter Grenzen bleiben. Eine der Systemvoraussetzungen ist, dass bestehende UKW-FM-Versorgungen nicht gestört werden. Aus diesem Grund wird die erste Anforderung an die Spektrumsmaske gestellt: Die Spektrumsmaske des OFDM-Systems muss unterhalb oder auf der Spektrumsmaske des UKW-FM-Rundfunks liegen. Da das OFDM-Signal im Nutzbereich schmalbandiger ist als das UKW-FM-Signal, wird zusätzlich eine weitere Abstufung der zulässigen Außerbandabstrahlung eingeführt.

Abb. 3-4 zeigt die Frequenzmasken für die OFDM-Signale sowie die des FM-Signals.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Die Eckwerte der Frequenzmasken sind in Tab. 3-10 dargestellt.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.6 Schutzabstände für die Funknetzplanung

Für die Versorgungsplanung werden Schutzabstände benötigt, mit denen der Schutz von anderen Rundfunksendern gewährleistet werden kann. Es werden Schutzabstände benötigt, die das OFDM-Signal in allen drei Variationen schützen, und es werden Schutzabstände zum Schutz der FM-Rundfunkversorgung benötigt. Der Schutz der UKW-FM-Rundfunkversorgung ist einer der wichtigsten Eckpunkte bei der Betrachtung des eines digitalen Systems.

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.6.1 Benötigte Leistungsdichtespektren

Die Leistungsdichtespektren werden normiert auf eine Gesamtleistung von 1W.

Das typische FM-Frequenzspektrum wurde durch die dauerhafte Messung und anschließende Mittelung eines typischen FM-Senders ermittelt. Als Messbasis wurde ein FM-Rundfunkprogramm mit hoher Kompression gewählt. Angenähert und normiert auf die Gesamtleistung von 1 W ergibt sich unter der Bedingung, dass die Gesamtleistung des Signals innerhalb des Frequenzbereichs von -150 kHz bis +150 kHz liegt, folgendes normiertes Leistungsdichtespektrum, siehe Abb. 3-5:

Abb. 3-5 Approximiertes und normiertes Leistungsdichtespektrum der UKW-FM

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Das approximierte und normierte Leistungsdichtespektrum der 4-QAM-Variante sieht folgendermaßen aus, siehe Abb. 3-6:

Abb. 3-6 Approximiertes und normiertes Leistungsdichtespektrum der 4-QAM

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Das approximierte und normierte Leistungsdichtespektrum der 16-QAM-Variante sieht folgendermaßen aus, siehe Abb. 3-7:

Abb. 3-7 Approximiertes und normiertes Leistungsdichtespektrum der 16-QAM

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3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

Das approximierte und normierte Leistungsdichtespektrum der 64-QAM-Variante sieht folgendermaßen aus, siehe Abb.3-8:

Abb. 3-8 Approximiertes und normiertes Leistungsdichtespektrum der 16-QAM

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