Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.8: Code Comparison: Binary, AMI and 4B3T"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Symbolweise Codierung mit Pseudoternärcodes
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Symbol-Wise_Coding_with_Pseudo_Ternary_Codes
 
}}
 
}}
  
  
[[File:P_ID1355__Dig_A_2_8.png|right|frame|Augendiagramme von verschiedenen Codes]]
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[[File:P_ID1355__Dig_A_2_8.png|right|frame|Eye diagrams of different codes]]
In der Grafik sind drei Augendiagramme (ohne Rauschen) dargestellt, wobei jeweils ein rechteckförmiger NRZ–Sendegrundimpuls und für das Gesamtsystem eine Cosinus–Rolloff–Charakteristik mit Rolloff–Faktor  $r = 0.8$  zugrunde liegen. Für die einzelnen Augendiagramme ist weiterhin vorausgesetzt (von oben nach unten):
+
In the diagram three eye diagrams (without noise) are shown, where in each case a rectangular NRZ basic transmission pulse and for the total system a cosine rolloff characteristic with rolloff factor  $r = 0.8$  are the basis. For the individual eye diagrams it is furthermore assumed (from top to bottom):
*der redundanzfreie Binärcode,
+
*the redundancy-free binary code,
*der AMI–Code (ca.  $37 \%$  Redundanz),
+
*the AMI code (approx.  $37 \%$  redundancy),
*der 4B3T–Code (ca.  $16  \%$ Redundanz).
+
*the 4B3T code (approx.  $16  \%$ redundancy).
  
  
Weiter kann von folgenden Voraussetzungen ausgegangen werden:
+
Further, the following conditions can be assumed:
*Es liegt AWGN–Rauschen vor, wobei gilt:
+
*AWGN noise is present, where holds:
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} ({s_0^2 \cdot T}/{N_0}) = 10\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} ({s_0^2 \cdot T}/{N_0}) = 10\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
*Die Detektionsstörleistung hat beim Binärsystem folgenden Wert (wegen des nicht optimalen Empfangsfilters  $12 \%$–Aufschlag):
+
*The detection noise power has the following value for the binary system (due to the non-optimal receiver filter  $12 \%$ markup):
 
:$$\sigma_d^2 = 1.12 \cdot {N_0}/({2 T})\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\sigma_d^2 = 1.12 \cdot {N_0}/({2 T})\hspace{0.05cm}.$$
*Die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit des Binärsystems lautet:
+
*The symbol error probability of the binary system is:
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left( {s_0}/{ \sigma_d} \right) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left( {s_0}/{ \sigma_d} \right) \hspace{0.05cm}.$$
*Dagegen gilt für die beiden redundanten Ternärsysteme:
+
*In contrast, for the two redundant ternary systems:
 
:$$p_{\rm S} = {4}/{3} \cdot {\rm Q} \left( s_0/(2 \sigma_d) \right) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm S} = {4}/{3} \cdot {\rm Q} \left( s_0/(2 \sigma_d) \right) \hspace{0.05cm}.$$
*Zu berücksichtigen ist, dass sich der Rauscheffektivwert  $\sigma_{d}$  gegenüber dem redundanzfreien Binärsystem durchaus verändern kann.
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*It should be taken into account that the noise rms value  $\sigma_{d}$  may well change with respect to the redundancy-free binary system.
  
  
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''Hinweise:''  
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''Notes:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel   [[Digital_Signal_Transmission/Symbolweise_Codierung_mit_Pseudoternärcodes|Symbolweise Codierung mit Pseudoternärcodes]].
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*The exercise belongs to the chapter    [[Digital_Signal_Transmission/Symbol-Wise_Coding_with_Pseudo_Ternary_Codes|Symbol-Wise Coding with Pseudo Ternary Codes]].
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel  [[Digital_Signal_Transmission/Blockweise_Codierung_mit_4B3T-Codes|Blockweise Codierung mit 4B3T-Codes]].
+
*Reference is also made to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Blockweise_Codierung_mit_4B3T-Codes|Block Coding with 4B3T Codes]].
 
   
 
   
*Zur numerischen Auswertung der Q–Funktion können Sie das interaktve Applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]  verwenden.
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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]].   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Berechnen Sie den (normierten) Rauscheffektivwert für das '''Binärsystem'''.
+
{Calculate the (normalized) noise rms value for the '''binary system'''.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $ { 0.237 3% }
 
$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $ { 0.237 3% }
  
  
{Wie groß ist die Fehlerwahrscheinlichkeit des Binärsystems?
+
{What is the error probability of the binary system?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\ p_{\rm S} \ = \ $ { 1.22 3% } $\ \cdot 10^{-5}$
 
$\ p_{\rm S} \ = \ $ { 1.22 3% } $\ \cdot 10^{-5}$
  
  
{Wie groß ist der Rauscheffektivwert beim System mit '''AMI–Codierung'''?
+
{What is the noise rms value for the system with '''AMI coding'''?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $ { 0.237 3% }
 
$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $ { 0.237 3% }
  
  
{Wie groß ist die Fehlerwahrscheinlichkeit bei AMI–Codierung?
+
{What is the error probability with AMI coding?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\ p_{\rm S} \ = \ $ { 2.32 3% } $\ \%$
 
$\ p_{\rm S} \ = \ $ { 2.32 3% } $\ \%$
  
  
{Welcher Rauscheffektivwert ergibt sich bei Verwendung des '''4B3T–Codes'''?
+
{What is the noise rms value when using the '''4B3T code'''?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $ { 0.205 3% }
 
$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $ { 0.205 3% }
  
{Wie groß ist die Fehlerwahrscheinlichkeit des 4B3T–Codes?
+
{What is the error probability of the 4B3T code?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\ p_{\rm S} \ = \ $ { 1.11 3% } $\ \%$
 
$\ p_{\rm S} \ = \ $ { 1.11 3% } $\ \%$
Line 69: Line 69:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp;  Aus dem angegebenen S/N-Verhältnis erhält man:
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'''(1)'''&nbsp;  From the given S/N ratio, we obtain:
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}({s_0^2 \cdot T}/{N_0}) = 10\, {\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{N_0} = { s_0^2 \cdot T}/{10}$$
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}({s_0^2 \cdot T}/{N_0}) = 10\, {\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{N_0} = { s_0^2 \cdot T}/{10}$$
 
:$$ \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\sigma_d^2 = 1.12 \cdot {N_0}/({2 T}) = 0.056 \cdot s_0^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{ \sigma_d}/{s_0} \hspace{0.15cm}\underline { = 0.237}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\sigma_d^2 = 1.12 \cdot {N_0}/({2 T}) = 0.056 \cdot s_0^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{ \sigma_d}/{s_0} \hspace{0.15cm}\underline { = 0.237}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Daraus folgt für die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit des binären redundanzfreien Referenzsystems:
+
'''(2)'''&nbsp; From this, it follows for the symbol error probability of the binary redundancy-free reference system:
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left( {s_0}/{ \sigma_d} \right)\approx {\rm Q}(4.22)\hspace{0.15cm}\underline { = 1.22 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left( {s_0}/{ \sigma_d} \right)\approx {\rm Q}(4.22)\hspace{0.15cm}\underline { = 1.22 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp; Die Symboldauer $T$ des AMI–codierten Signals ist gleich der Bitdauer $T_{\rm B}$ des Binärsignals. Deshalb ändert sich an den Bandbreitenverhältnissen nichts und man erhält den gleichen Rauscheffektivwert wie unter Punkt '''(1)''' berechnet:
+
'''(3)'''&nbsp; The symbol duration $T$ of the AMI encoded signal is equal to the bit duration $T_{\rm B}$ of the binary signal. Therefore, the bandwidth ratios do not change and the same noise rms value is obtained as calculated in point '''(1)''':
 
:$${ \sigma_d}/{s_0}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.237} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${ \sigma_d}/{s_0}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.237} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp;  Aufgrund der ternären Entscheidung wird das Argument der Q–Funktion halbiert:
+
'''(4)'''&nbsp;  Due to the ternary decision, the argument of the Q-function is halved:
 
:$$p_{\rm S} \approx{4}/{3}\cdot {\rm Q}(2.11)={4}/{3} \cdot 1.74 \cdot 10^{-2}\hspace{0.15cm}\underline { = 2.32 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm S} \approx{4}/{3}\cdot {\rm Q}(2.11)={4}/{3} \cdot 1.74 \cdot 10^{-2}\hspace{0.15cm}\underline { = 2.32 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$
Der Faktor $4/3$ berücksichtigt hierbei, dass das innere Symbol $0$ nach zwei Richtungen hin verfälscht werden kann.
+
Here, the factor $4/3$ takes into account that the inner symbol $0$ can be distorted in two directions.
  
  
'''(5)'''&nbsp; Bei Anwendung einer 4B3T–Codierung wird die Symbolrate um $25 \%$ verringert. Um den gleichen Faktor $0.75$ wird dadurch die Rauschleistung kleiner als unter '''(1)''' und '''(3)''' berechnet. Daraus folgt:
+
'''(5)'''&nbsp; When a 4B3T coding is applied, the symbol rate is reduced by $25 \%$. By the same factor $0.75$, this makes the noise power smaller than calculated in '''(1)''' and '''(3)'''. From this follows:
 
:$${ \sigma_d}/{s_0} = \sqrt{0.75} \cdot 0.237 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.205} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${ \sigma_d}/{s_0} = \sqrt{0.75} \cdot 0.237 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.205} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(6)'''&nbsp; Aufgrund des kleineren Rauscheffektivwertes ergibt sich nun eine kleinere Fehlerwahrscheinlichkeit als mit dem AMI–Code:
+
'''(6)'''&nbsp; Due to the smaller noise rms value, the error probability is now smaller than with the AMI code:
 
:$$p_{\rm S} \approx {4}/{3} \cdot {\rm Q} \left( \frac{0.5}{ 0.205} \right) = {4}/{3} \cdot 0.833 \cdot 10^{-2}\hspace{0.15cm}\underline { = 1.11 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm S} \approx {4}/{3} \cdot {\rm Q} \left( \frac{0.5}{ 0.205} \right) = {4}/{3} \cdot 0.833 \cdot 10^{-2}\hspace{0.15cm}\underline { = 1.11 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$
Die deutlich kleinere Fehlerwahrscheinlichkeit des redundanzfreien Binärcodes kann der 4B3T–Code aufgrund der ternären Entscheidung (halbe Augenöffnung) jedoch nicht erreichen.
+
However, the 4B3T code cannot achieve the significantly smaller error probability of the redundancy-free binary code due to the ternary decision (half eye opening).
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 21:59, 22 April 2022


Eye diagrams of different codes

In the diagram three eye diagrams (without noise) are shown, where in each case a rectangular NRZ basic transmission pulse and for the total system a cosine rolloff characteristic with rolloff factor  $r = 0.8$  are the basis. For the individual eye diagrams it is furthermore assumed (from top to bottom):

  • the redundancy-free binary code,
  • the AMI code (approx.  $37 \%$  redundancy),
  • the 4B3T code (approx.  $16  \%$ redundancy).


Further, the following conditions can be assumed:

  • AWGN noise is present, where holds:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} ({s_0^2 \cdot T}/{N_0}) = 10\, {\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • The detection noise power has the following value for the binary system (due to the non-optimal receiver filter  $12 \%$ markup):
$$\sigma_d^2 = 1.12 \cdot {N_0}/({2 T})\hspace{0.05cm}.$$
  • The symbol error probability of the binary system is:
$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left( {s_0}/{ \sigma_d} \right) \hspace{0.05cm}.$$
  • In contrast, for the two redundant ternary systems:
$$p_{\rm S} = {4}/{3} \cdot {\rm Q} \left( s_0/(2 \sigma_d) \right) \hspace{0.05cm}.$$
  • It should be taken into account that the noise rms value  $\sigma_{d}$  may well change with respect to the redundancy-free binary system.




Notes:


Questions

1

Calculate the (normalized) noise rms value for the binary system.

$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $

2

What is the error probability of the binary system?

$\ p_{\rm S} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-5}$

3

What is the noise rms value for the system with AMI coding?

$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $

4

What is the error probability with AMI coding?

$\ p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

5

What is the noise rms value when using the 4B3T code?

$\sigma_{d}/s_{0} \ = \ $

6

What is the error probability of the 4B3T code?

$\ p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  From the given S/N ratio, we obtain:

$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}({s_0^2 \cdot T}/{N_0}) = 10\, {\rm dB} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{N_0} = { s_0^2 \cdot T}/{10}$$
$$ \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\sigma_d^2 = 1.12 \cdot {N_0}/({2 T}) = 0.056 \cdot s_0^2 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{ \sigma_d}/{s_0} \hspace{0.15cm}\underline { = 0.237}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  From this, it follows for the symbol error probability of the binary redundancy-free reference system:

$$p_{\rm S} = {\rm Q} \left( {s_0}/{ \sigma_d} \right)\approx {\rm Q}(4.22)\hspace{0.15cm}\underline { = 1.22 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  The symbol duration $T$ of the AMI encoded signal is equal to the bit duration $T_{\rm B}$ of the binary signal. Therefore, the bandwidth ratios do not change and the same noise rms value is obtained as calculated in point (1):

$${ \sigma_d}/{s_0}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.237} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Due to the ternary decision, the argument of the Q-function is halved:

$$p_{\rm S} \approx{4}/{3}\cdot {\rm Q}(2.11)={4}/{3} \cdot 1.74 \cdot 10^{-2}\hspace{0.15cm}\underline { = 2.32 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$

Here, the factor $4/3$ takes into account that the inner symbol $0$ can be distorted in two directions.


(5)  When a 4B3T coding is applied, the symbol rate is reduced by $25 \%$. By the same factor $0.75$, this makes the noise power smaller than calculated in (1) and (3). From this follows:

$${ \sigma_d}/{s_0} = \sqrt{0.75} \cdot 0.237 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.205} \hspace{0.05cm}.$$


(6)  Due to the smaller noise rms value, the error probability is now smaller than with the AMI code:

$$p_{\rm S} \approx {4}/{3} \cdot {\rm Q} \left( \frac{0.5}{ 0.205} \right) = {4}/{3} \cdot 0.833 \cdot 10^{-2}\hspace{0.15cm}\underline { = 1.11 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$

However, the 4B3T code cannot achieve the significantly smaller error probability of the redundancy-free binary code due to the ternary decision (half eye opening).