Aufgabe 2.5: Ternäre Signalübertragung

From LNTwww

Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion eines verrauschten Ternärsignals

Betrachtet wird ein ternäres Übertragungssystem  $(M = 3)$  mit den möglichen Amplitudenwerten  $-s_0$,  $0$  und  $+s_0$.

  • Bei der Übertragung addiert sich dem Signal ein additives Gaußsches Rauschen mit dem Effektivwert  $\sigma_d$.
  • Die Rückgewinnung des dreistufigen Digitalsignals beim Empfängers geschieht mit Hilfe von zwei Entscheiderschwellen bei  $E_{–}$  bzw.  $E_{+}$.
  • Zunächst werden die Auftrittswahrscheinlichkeiten der drei Eingangssymbole als gleichwahrscheinlich angenommen:
$$p_{\rm -} = {\rm Pr}(-s_0) = {1}/{ 3}, \hspace{0.15cm} p_{\rm 0} = {\rm Pr}(0) = {1}/{ 3}, \hspace{0.15cm} p_{\rm +} = {\rm Pr}(+s_0) ={1}/{ 3}\hspace{0.05cm}.$$
  • Die Entscheiderschwellen liegen vorerst mittig bei  $E_{–} = \, –s_0/2$ und $E_{+} = +s_0/2$.


Ab der Teilaufgabe (3) gelten für die Symbolwahrscheinlichkeiten  $p_{–} = p_+ = 1/4$  und  $p_0 = 1/2$, wie in der Grafik dargestellt. Für diese Konstellation soll durch Variation der Entscheiderschwellen  $E_{–}$  und  $E_+$  die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit  $p_{\rm S}$  minimiert werden.




Hinweise:

  • Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel  Redundanzfreie Codierung.
  • Für die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit  $p_{\rm S}$  eines  $M$–stufigen Nachrichtenübertragungssystems mit gleichwahrscheinlichen Eingangssymbolen und Schwellenwerten genau in der Mitte zwischen zwei benachbarten Amplitudenstufen gilt:
$$p_{\rm S} = \frac{ 2 \cdot (M-1)}{M} \cdot {\rm Q} \left( {\frac{s_0}{(M-1) \cdot \sigma_d}}\right) \hspace{0.05cm}.$$



Fragebogen

1

Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem (normierten) Rauscheffektivwert  $\sigma_d/s_0 = 0.25$  bei gleichwahrscheinlichen Symbolen?

$p_0 = 1/3, \ \sigma_d = 0.25 \text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

2

Wie ändert sich die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit mit  $\sigma_d/s_0 = 0.5$?

$p_0 = 1/3, \ \sigma_d = 0.5 \text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

3

Welcher Wert ergibt sich mit  $p_{–} = p_+ = 0.25$  und  $p_0 = 0.5$?

$p_0 = 1/2, \ \sigma_d = 0.5 \text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

4

Bestimmen Sie die optimalen Schwellen  $E_+$  und  $E_{–} = \, –E_+$  für  $p_0 = 1/2$.

$p_0 = 1/2, \ \sigma_d = 0.5 \text{:} \hspace{0.4cm} E_{\rm +, \ opt} \ = \ $

5

Welche Fehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich bei optimalen Schwellen?

${\rm optimale \ Schwellen} \text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

6

Wie lauten die optimalen Schwellenwerte für  $p_0 = 0.2$  und $ p_{–} = p_+ = 0.4$?

$p_0 = 0.2, \ \sigma_d = 0.5 \text{:} \hspace{0.4cm} E_{\rm +, \ opt} \ = \ $

7

Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich nun? Interpretation.

${\rm optimale \ Schwellen} \text{:} \hspace{0.4cm} p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$


Musterlösung

(1)  Entsprechend der angegebenen Gleichung gilt mit $M = 3$ und $\sigma_d/s_0 = 0.25$:

$$p_{\rm S} = \frac{ 2 \cdot (M-1)}{M} \cdot {\rm Q} \left( {\frac{s_0}{(M-1) \cdot \sigma_d}}\right)= {4}/{ 3}\cdot {\rm Q}(2) ={4}/{ 3}\cdot 0.0228\hspace{0.15cm}\underline {\approx 3 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Bei doppeltem Rauscheffektivwert nimmt auch die Fehlerwahrscheinlichkeit signifikant zu:

$$p_{\rm S} = {4}/{ 3}\cdot {\rm Q}(1)= {4}/{ 3}\cdot 0.1587 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 21.2 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Die beiden äußeren Symbole werden jeweils mit der Wahrscheinlichkeit $p = {\rm Q}(s_0/(2 \cdot \sigma_d)) = 0.1587$ verfälscht.

  • Die Verfälschungswahrscheinlichkeit des Symbols  $0$  ist doppelt so groß (es wird durch zwei Schwellen begrenzt).
  • Unter Berücksichtigung der einzelnen Symbolwahrscheinlichkeiten erhält man:
$$p_{\rm S} = {1}/{ 4}\cdot p + {1}/{ 2}\cdot 2p +{1}/{ 4}\cdot p = 1.5 \cdot p = 1.5 \cdot 0.1587 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 23.8 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Da das Symbol  $0$  häufiger auftritt und zudem in beiden Richtungen verfälscht werden kann, sollten die Schwellen nach außen verschoben werden.

  • Die optimale Entscheiderschwelle $E_{\rm +, \ opt}$ ergibt sich aus dem Schnittpunkt der beiden in der Grafik gezeigten Gaußfunktionen. Es muss gelten:
Optimale Schwellen zu (4)
$$\frac{ 1/2}{ \sqrt{2\pi} \cdot \sigma_d} \cdot {\rm exp} \left[ - \frac{ E_{\rm +}^2}{2 \cdot \sigma_d^2}\right] = \frac{ 1/4}{ \sqrt{2\pi} \cdot \sigma_d} \cdot {\rm exp} \left[ - \frac{ (s_0 -E_{\rm +})^2}{2 \cdot \sigma_d^2}\right]$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm exp} \left[ \frac{ (s_0 -E_{\rm +})^2 - E_{\rm +}^2}{2 \cdot \sigma_d^2}\right]= {1}/{ 2} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm exp} \left[ \frac{ 1 -2 \cdot E_{\rm +}/s_0}{2 \cdot \sigma_d^2/s_0^2}\right]= {1}/{ 2}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}\frac{ E_{\rm +}}{s_0}= \frac{1} { 2}+ \frac{\sigma_d^2} {s_0^2} \cdot {\rm ln}(2)\hspace{0.15cm}\underline {=0.673}\hspace{0.15cm}\approx {2}/ {3} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Mit dem näherungsweisen Ergebnis aus (4) erhält man:

$$p_{\rm S} \ = \ { 1}/{4} \cdot {\rm Q} \left( {\frac{s_0/3}{ \sigma_d}}\right)+ 2 \cdot { 1}/{2} \cdot {\rm Q} \left( {\frac{2s_0/3}{ \sigma_d}}\right) +{ 1}/{4} \cdot {\rm Q} \left( {\frac{s_0/3}{ \sigma_d}}\right)$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm S} \ = \ = { 1}/{2} \cdot {\rm Q} \left( 2/3 \right)+ {\rm Q} \left( 4/3 \right)= { 1}/{2} \cdot 0.251 + 0.092 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 21.7 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


Optimale Schwellen zu (6)

(6)  Nach ähnlicher Rechnung wie unter Punkt (4) erhält man

  • $E_+ = 1 \, –0.0673 \ \underline{= 0.327} \approx 1/3$.
  • Es gilt weiterhin $E_{–} = \, –E_+$.


(7)  Ähnlich wie in der Musterlösung zur Teilaufgabe (5) erhält man nun:

$$p_{\rm S} \ = \ 0.4 \cdot {\rm Q} \left( 4/3 \right)+ 2 \cdot 0.2 \cdot{\rm Q} \left( 2/3 \right)+0.4 \cdot {\rm Q} \left( 4/3 \right)$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm S} \ = \ 0.4 \cdot (0.092 + 0.251 + 0.092) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 17.4 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$

Diskussion des Ergebnisses:

  • Es ergibt sich demnach eine kleinere Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ($17.4 \ \%$ gegenüber $21.2 \ \%$) als bei gleichwahrscheinlichen Amplitudenkoeffizienten.
  • Allerdings liegt nun keine redundanzfreie Codierung mehr vor, auch wenn die Amplitudenkoefiizienten statistisch voneinander unabhängig sind.
  • Während bei gleichwahrscheinlichen Ternärsymbolen die Entropie $H = {\rm log}_2(3) = 1.585 \ {\rm bit/Ternärsymbol}$ beträgt   ⇒   äquivalente Bitrate (der Informationsfluss) $R_{\rm B} = H/T$, gilt mit den Wahrscheinlichkeiten $p_0 = 0.2$ und $p_{–} = p_+ = 0.4$:
$$H \ = \ 0.2 \cdot {\rm log_2} (5) + 2 \cdot 0.4 \cdot {\rm log_2} (2.5)= 0.2 \cdot 2.322 + 0.8 \cdot 1.322 \hspace{0.15cm}\underline {\approx 1.522\,\, {\rm bit/Tern\ddot{a}rsymbol}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Die äquivalente Bitrate ist also um $4 \ \%$ kleiner, als sie für $M = 3$ maximal möglich wäre.