Aufgabe 2.4Z: Fehlerwahrscheinlichkeiten beim Oktalsystem

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Oktale „Zufallscodierung” und Graycodierung

Es wird ein Digitalsystem mit  $M = 8$  Amplitudenstufen (Oktalsystem) betrachtet, dessen  $M – 1 = 7$  Entscheiderschwellen genau bei den jeweiligen Intervallmitten liegen.

Ein jeder der gleichwahrscheinlichen Amplitudenkoeffizienten  $a_{\mu}$  mit  $1 ≤ \mu ≤ 8$  kann nur in die unmittelbaren Nachbarkoeffizienten  $a_{\mu–1}$  bzw.  $a_{\mu+1}$  verfälscht werden und zwar in beiden Richtungen mit der gleichen Wahrscheinlichkeit  $p = 0.01$. Hierzu einige Beispiele:

  • $a_5$  geht mit der Wahrscheinlichkeit  $p = 0.01$  in den Koeffizienten $a_4$ über und mit der gleichen Wahrscheinlichkeit  $p = 0.01$  in den Koeffizienten  $a_6$.
  • $a_8$  wird mit der Wahrscheinlichkeit  $p = 0.01$  in den Koeffizienten  $a_7$  verfälscht. In die andere Richtung ist keine Verfälschung möglich.


Die Zuordnung von jeweils drei binären Quellensymbolen in einen oktalen Amplitudenkoeffizienten geschieht alternativ entsprechend

  • der zweiten Spalte in der angegebenen Tabelle, die „zufällig” – ohne Strategie – generiert wurde,
  • der Graycodierung, die in Spalte 3 nur unvollständig angegeben ist und noch ergänzt werden soll.


Angegeben ist der Graycode für  $M = 4$. Bei  $M = 8$  sind die beiden letzten Binärzeichen an der gestrichelt eingezeichneten Linie zu spiegeln. Für die ersten vier Amplitudenkoeffizienten ist an der ersten Stelle ein L zu ergänzen, für  $a_{5}, ..., a_{8}$  das Binärsymbol H.

Für die beiden Zuordnungen „Zufall” und „Gray” sollen berechnet werden:

  • die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit  $p_{\rm S}$, die in beiden Fällen gleich ist; $p_{\rm S}$  gibt die mittlere Verfälschungswahrscheinlichkeit eines Amplitudenkoeffizienten  $a_{\mu}$  an;
  • die Bitfehlerwahrscheinlichkeit  $p_{\rm B}$  bezogen auf die (decodierten) Binärsymbole.




Hinweise:



Fragebogen

1

Welchem Amplitudenkoeffizienten  $a_{ \mu}$  entsprechen beim Graycode die binären Folgen  $\rm {LHH}$  bzw.  $\rm {HLL}$?
Bitte Index  $ \mu$  eingeben  $(1 < \mu < 8)$.

$ \rm {LHH}\text{:}\hspace{0.4cm} \mu \ = \ $

$ \rm {HLL}\text{:}\hspace{0.45cm} \mu \ = \ $

2

Berechnen Sie die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit  $p_{\rm S}$.

$p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

3

Berechnen Sie die Bitfehlerwahrscheinlichkeit  $p_{\rm B}$  für den Graycode.

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \%$

4

Berechnen Sie die Bitfehlerwahrscheinlichkeit  $p_{\rm B}$  für den Zufallscode.

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \%$


Musterlösung

(1)  Entsprechend der Beschreibung auf der Angabenseite steht

  • „LHH” für den Amplitudenkoeffizienten $a_{3}$   ⇒   $\underline{\mu =3}$.
  • „HLL” für für den Amplitudenkoeffizienten $a_{8}$   ⇒   $\underline{\mu =8}$.


(2)  Die äußeren Koeffizienten ($a_{1}$ und $a_{8}$) werden jeweils mit der Wahrscheinlichkeit $p = 1 \%$ verfälscht,
die $M – 2 = 6$ inneren mit der doppelten Wahrscheinlichkeit $(2p= 2 \%)$. Durch Mittelung erhält man:

$$p_{\rm S} = \frac{2 \cdot 1 + 6 \cdot 2} { 8} \cdot p\hspace{0.15cm}\underline { = 1.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$

(3)  Jeder Übertragungsfehler (Symbolfehler) hat beim Graycode genau einen Bitfehler zur Folge. Da jedoch jedes Oktalsymbol drei Binärzeichen beinhaltet, gilt

$$p_{\rm B} ={p_{\rm S}}/ { 3}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.583 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$

(4)  Von den insgesamt sieben möglichen Übergängen (jeweils in beiden Richtungen) führen zu

  • einem Fehler:     HLH $\Leftrightarrow$ LLH,
  • zwei Fehlern:      HLL $\Leftrightarrow$ HHH, LLL $\Leftrightarrow$ LHH, HHL $\Leftrightarrow$ HLH, LLH $\Leftrightarrow$ LHL,
  • drei Fehlern:       HHH $\Leftrightarrow$ LLL, LHH $\Leftrightarrow$ HHL.


Daraus folgt:

$$p_{\rm B} = \frac{p} { 3} \cdot \frac{1 + 4 \cdot 2 + 2 \cdot 3} { 7} = \frac{15} { 21} \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 0.714 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$