Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.4: Dual Code and Gray Code"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Redundanzfreie Codierung
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Redundancy-Free_Coding
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1325__Dig_A_2_4.png|right|frame|Quaternärsignale mit Dual– und Graycodierung]]
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[[File:P_ID1325__Dig_A_2_4.png|right|frame|Quaternary signals with dual and gray coding]]
Die beiden dargestellten Signale  $s_{1}(t)$  und  $s_{2}(t)$  sind zwei unterschiedliche Realisierungen eines redundanzfreien quaternären Sendesignals, die beide vom blau gezeichneten Quellensignal  $q(t)$  abgeleitet wurden.
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The two shown signals  $s_{1}(t)$  and  $s_{2}(t)$  are two different realizations of a redundancy-free quaternary transmit signal, both derived from the blue drawn source signal  $q(t)$.   
  
Bei einem der Sendesignale wurde der so genannte '''Dualcode''' mit der Zuordnung
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For one of the transmitted signals, the so-called '''dual code''' with mapping
 
:$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm}  
 
:$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm}  
 
\mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$
 
\mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$
verwendet, beim anderen eine bestimmte Form eines '''Graycodes'''. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Binärdarstellung benachbarter Amplitudenwerte immer nur in einem einzigen Bit unterscheiden.
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was used, for the other one a certain form of a '''gray code'''. This is characterized by the fact that the binary representation of adjacent amplitude values always differ only in a single bit.
  
Bei der Lösung der Aufgabe soll von folgenden Voraussetzungen ausgegangen werden:
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The solution of the exercise should be based on the following assumptions:
*Die Amplitudenstufen liegen bei  $±3\, \rm V$ und $±1 \, \rm V$.  
+
*The amplitude levels are  $±3\, \rm V$ and $±1 \, \rm V$.  
*Die Entscheiderschwellen liegen in der Mitte zwischen zwei benachbarten Amplitudenwerten, also bei  $–2\, \rm V$, $0\, \rm V$  und  $+2\, \rm V$.
+
*The decision thresholds lie in the middle between two adjacent amplitude values, i.e. at  $–2\, \rm V$, $0\, \rm V$  and  $+2\, \rm V$.
*Der Rauscheffektivwert  $\sigma_{d}$  ist so zu wählen, dass die Verfälschungswahrscheinlichkeit vom äußeren Symbol  $(+s_0)$  zum nächstgelegenen Symbol  $(+s_{0}/3)$  genau  $p = 1\%$ beträgt.
+
*The noise rms value  $\sigma_{d}$  is to be chosen so that the distortion probability from the outer symbol  $(+s_0)$  to the nearest symbol  $(+s_{0}/3)$  is exactly  $p = 1\%$.
*Verfälschungen zu nicht benachbarten Symbolen können ausgeschlossen werden; bei Gaußschen Störungen ist diese Vereinfachung in der Praxis stets erlaubt.
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*Distortions to non-adjacent symbols can be excluded; in the case of Gaussian perturbations, this simplification is always allowed in practice.
  
  
  
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen
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One distinguishes in principle between
*der  ''Symbolfehlerwahrscheinlichkeit''  $p_{\rm S}$  (bezogen auf das Quaternärsignal) und
+
*the  ''symbol error probability''  $p_{\rm S}$  (related to the quaternary signal) and
*der  ''Bitfehlerwahrscheinlichkeit''  $p_{B}$  (bezogen auf das binäre Quellensignal).
+
*the  ''bit error probability''  $p_{B}$  (related to the binary source signal).
  
  
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''Hinweise:''  
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''Notes:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel   [[Digital_Signal_Transmission/Grundlagen_der_codierten_Übertragung|Grundlagen der codierten Übertragung]].
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*The exercise is part of the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Grundlagen_der_codierten_Übertragung|Basics of Coded Transmission]].
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel  [[Digital_Signal_Transmission/Redundanzfreie_Codierung|Redundanzfreie Codierung]].
+
*Reference is also made to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Redundanzfreie_Codierung|Redundancy-Free Coding]].
 
   
 
   
*Zur numerischen Auswertung der Q–Funktion können Sie das interaktive Applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]  benutzen.
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*For numerical evaluation of the Q–function you can use the interactive applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Complementary Gaussian Error Functions]]  benutzen.
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Welches der Signale &nbsp;$s_{1}(t)$&nbsp; bzw. &nbsp;$s_{2}(t)$&nbsp; verwendet eine '''Graycodierung'''?
+
{Which of the signals &nbsp;$s_{1}(t)$&nbsp; or &nbsp;$s_{2}(t)$&nbsp; uses a '''gray coding'''?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+$s_{1}(t)$&nbsp; verwendet eine Graycodierung.
+
+$s_{1}(t)$&nbsp; uses a gray coding.
-$s_{2}(t)$&nbsp; verwendet eine Graycodierung.
+
-$s_{2}(t)$&nbsp; uses a gray coding.
  
{Bestimmen Sie den Rauscheffektivwert aus der angegebenen Bedingung.
+
{Determine the noise rms value from the given condition.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_{d} \ = \ $ { 0.43 3% } $\ \rm V$
 
$\sigma_{d} \ = \ $ { 0.43 3% } $\ \rm V$
  
{Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem '''Graycode'''?
+
{What is the symbol error probability using the '''gray code'''?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Graycode?
+
{What is the bit error probability with the gray code?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \%$
  
{Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem '''Dualcode'''?
+
{What is the symbol error probability with the '''dual code'''?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Dualcode?
+
{What is the bit error probability with the dual code?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \%$
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Im Signal $s_{2}(t)$ erkennt man die Realisierung des vorne angegebenen Dualcodes. Dagegen wurde beim Signal $s_{2}(t)$ ein Graycode $\Rightarrow$  <u>Lösungsvorschlag 1</u> mit folgender Zuordnung verwendet:
+
'''(1)'''&nbsp; In the signal $s_{2}(t)$ one recognizes the realization of the dual code indicated at the beginning. On the other hand, in the signal $s_{2}(t)$ a gray code $\Rightarrow$  <u>solution 1</u> with the following mapping was used:
 
:$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Die Wahrscheinlichkeit $p$, dass der Amplitudenwert $3 \, \rm V$ aufgrund des gaußverteilten Rauschens mit der Streuung $\sigma_{d}$ die benachbarte Entscheiderschwelle $2\,  \rm V$ unterschreitet, soll $1\,  \%$ betragen. Daraus folgt:
+
'''(2)'''&nbsp; Let the probability $p$ that the amplitude value $3 \, \rm V$ falls below the adjacent decision threshold $2\,  \rm V$ due to the Gaussian distributed noise with standard deviation $\sigma_{d}$ be $1\,  \%$. It follows that:
 
:$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp;  Die beiden äußeren Symbole werden jeweils mit der Wahrscheinlichkeit $p$ verfälscht, die beiden inneren mit der doppelten Wahrscheinlichkeit $(2p)$. Durch Mittelung unter Berücksichtigung gleicher Symbolauftrittswahrscheinlichkeiten erhält man
+
'''(3)'''&nbsp;  The two outer symbols are each distorted with probability $p$, the two inner symbols with double probability $(2p)$. By averaging considering equal symbol occurrence probabilities, we obtain
 
:$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Jeder Symbolfehler führt genau zu einem Bitfehler. Da jedoch jedes Quaternärsymbol genau zwei Binärsymbole beinhaltet, ergibt sich für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit:
+
'''(4)'''&nbsp; Each symbol error results in exactly one bit error. However, since each quaternary symbol contains exactly two binary symbols, the bit error probability is obtained:
 
:$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(5)'''&nbsp; Bei der Berechnung der Symbolfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm S}$ wird das verwendete Mapping nicht berücksichtigt. Wie in der Teilaufgabe '''(3)''' erhält man $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.
+
'''(5)'''&nbsp; When calculating the symbol error probability $p_{\rm S}$, the mapping used is not taken into account. As in subtask '''(3)''', we obtain $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.
  
  
'''(6)'''&nbsp; Die beiden äußeren Symbole werden mit $p$ verfälscht und führen auch beim Dualcode jeweils nur zu einem Bitfehler.
+
'''(6)'''&nbsp; The two outer symbols are distorted with $p$ and lead to only one bit error each even with dual code.
* Die inneren Symbole werden mit $2p$ verfälscht und führen nun im Mittel zu $1.5$ Bitfehlern.  
+
* The inner symbols are distorted with $2p$ and now lead to $1.5$ bit errors on average.
*Unter Berücksichtigung des Faktors $2$ im Nenner siehe Teilaufgabe '''(2)''' – erhält man somit für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit des Dualcodes:
+
*Taking into account the factor $2$ in the denominator see subtask '''(2)''' – we thus obtain for the bit error probability of the dual code:
 
:$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  

Revision as of 14:31, 19 April 2022

Quaternary signals with dual and gray coding

The two shown signals  $s_{1}(t)$  and  $s_{2}(t)$  are two different realizations of a redundancy-free quaternary transmit signal, both derived from the blue drawn source signal  $q(t)$. 

For one of the transmitted signals, the so-called dual code with mapping

$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$

was used, for the other one a certain form of a gray code. This is characterized by the fact that the binary representation of adjacent amplitude values always differ only in a single bit.

The solution of the exercise should be based on the following assumptions:

  • The amplitude levels are  $±3\, \rm V$ and $±1 \, \rm V$.
  • The decision thresholds lie in the middle between two adjacent amplitude values, i.e. at  $–2\, \rm V$, $0\, \rm V$  and  $+2\, \rm V$.
  • The noise rms value  $\sigma_{d}$  is to be chosen so that the distortion probability from the outer symbol  $(+s_0)$  to the nearest symbol  $(+s_{0}/3)$  is exactly  $p = 1\%$.
  • Distortions to non-adjacent symbols can be excluded; in the case of Gaussian perturbations, this simplification is always allowed in practice.


One distinguishes in principle between

  • the  symbol error probability  $p_{\rm S}$  (related to the quaternary signal) and
  • the  bit error probability  $p_{B}$  (related to the binary source signal).




Notes:


Questions

1

Which of the signals  $s_{1}(t)$  or  $s_{2}(t)$  uses a gray coding?

$s_{1}(t)$  uses a gray coding.
$s_{2}(t)$  uses a gray coding.

2

Determine the noise rms value from the given condition.

$\sigma_{d} \ = \ $

$\ \rm V$

3

What is the symbol error probability using the gray code?

$p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

4

What is the bit error probability with the gray code?

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \%$

5

What is the symbol error probability with the dual code?

$p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

6

What is the bit error probability with the dual code?

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  In the signal $s_{2}(t)$ one recognizes the realization of the dual code indicated at the beginning. On the other hand, in the signal $s_{2}(t)$ a gray code $\Rightarrow$ solution 1 with the following mapping was used:

$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Let the probability $p$ that the amplitude value $3 \, \rm V$ falls below the adjacent decision threshold $2\, \rm V$ due to the Gaussian distributed noise with standard deviation $\sigma_{d}$ be $1\, \%$. It follows that:

$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  The two outer symbols are each distorted with probability $p$, the two inner symbols with double probability $(2p)$. By averaging considering equal symbol occurrence probabilities, we obtain

$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Each symbol error results in exactly one bit error. However, since each quaternary symbol contains exactly two binary symbols, the bit error probability is obtained:

$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  When calculating the symbol error probability $p_{\rm S}$, the mapping used is not taken into account. As in subtask (3), we obtain $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.


(6)  The two outer symbols are distorted with $p$ and lead to only one bit error each even with dual code.

  • The inner symbols are distorted with $2p$ and now lead to $1.5$ bit errors on average.
  • Taking into account the factor $2$ in the denominator – see subtask (2) – we thus obtain for the bit error probability of the dual code:
$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$