Aufgabe 3.09: Grundlegendes zum Viterbi–Algorithmus

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Zu analysierendes Trellis

Die Grafik zeigt ein Trellisdiagramm und definiert gleichzeitig die Fehlergrößen  ${\it \Gamma}_i(S_0)$  und  ${\it \Gamma}_i(S_1)$  zu den Zeiten  $i = 0$  bis  $i = 5$.

Aus diesem Trellis können zum Beispiel abgelesen werden:

  • die Coderate  $R$,
  • das Gedächtnis  $m$,
  • die freie Distanz  $d_{\rm F}$,
  • die Informationssequenzlänge  $L$,
  • die Sequenzlänge  $L\hspace{0.05cm}'$  inklusive der Terminierung.


In der Aufgabe ist weiter zu klären:

  • die Bedeutung des Endwertes  ${\it \Gamma}_5(S_0)$,
  • Auswirkungen von einem bzw. von zwei Übertragungsfehlern.





Hinweis:





Fragebogen

1

Welche der folgenden Aussagen werden durch das Trellis bestätigt?

Es handelt sich um einen Rate–1/2–Faltungscode.
Das Gedächtnis des Codes ist  $m = 2$.
Der Faltungscode ist terminiert.
Die Länge der Informationssequenz ist  $L = 5$.

2

Geben Sie die freie Distanz  $d_{\rm F}$  des Faltungscodes an.

$d_{\rm F} \ = \ $

3

Welche Aussagen erlaubt der Endwert  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$  der Fehlergröße?

Es ist kein Übertragungsfehler aufgetreten.
Das Decodierergebnis  $\underline{v}$  ist mit Sicherheit richtig $($gleich  $\underline{u})$.
Das Decodierergebnis minimiert die Wahrscheinlichkeit  ${\rm Pr}(\underline{v} ≠ \underline{u})$.

4

Welche Aussagen treffen bei einem einzigen Übertragungsfehler zu?

Der Fehlergrößenendwert ist  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 1$.
Das Decodierergebnis  $\underline{v}$  ist mit Sicherheit richtig  $($gleich  $\underline{u})$.
Das Decodierergebnis minimiert die Wahrscheinlichkeit  ${\rm Pr}(\underline{v} ≠ \underline{u})$.

5

Welche Aussagen treffen bei zwei Übertragungsfehlern zu?

Der Fehlergrößenendwert ist  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 2$.
Das Decodierergebnis  $\underline{v}$  ist mit Sicherheit richtig  $($gleich  $\underline{u})$.
Das Decodierergebnis  $\underline{v}$  ist mit Sicherheit falsch  $($ungleich  $\underline{u})$.


Musterlösung

(1)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 3:

  • Es gibt hier $2^{k \cdot m} = 2$ Zustände. Daraus folgt $k = 1$ und $m = 1$.
  • Pro Codierschritt werden $n = 2$ Codebits ausgegeben   ⇒   $R = 1/2$.
  • Die Informationssequenzlänge ist $L = 4$.
  • Erst durch ein (da $m = 1$) zusätzliches Terminierungsbit kommt man zur Gesamtlänge $L' = 5$.


(2)  Die freie Distanz $d_{\rm F}$ ist definiert als die Anzahl der Codebits, in denen sich zwei Sequenzen $\underline{x}$ und $\underline{x'}$ unterscheiden. Als Bezugssequenz wählen wir die Nullsequenz:

$$\underline{x}\hspace{0.03cm}' = \underline{0} = \big (00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big ) \hspace{0.05cm},$$

ausgedrückt mit der Zustandsabfolge:   $S_0 → S_0 → S_0 → S_0 → \ \text{...} \ $

  • Eine der Folgen $\underline{x} ≠ \underline{0}$, die sich von $\underline{0}$ nur in der minimalen Anzahl an Codebits unterscheidet, folgt dem Pfad $S_0 → S_1 → S_0 → S_0 → \\text{...} \ $:
$$\underline{x} = \big (11\hspace{0.05cm}, 01\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big ) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm F}\hspace{0.1cm}\underline{ = 3} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Richtig ist hier nur der Vorschlag 3, weil das Ereignis "Kein Übertragungsfehler" sehr viel wahrscheinlicher ist als drei Fehler an genau vorgegebenen Positionen. Betrachten Sie hierzu die folgende Grafik:

Trellis ohne Fehler/mit drei Übertragungsfehlern
  • Wird die Nullsequenz gesendet und diese auch empfangen, so kann die Viterbi–Decodierung durch das obere Trellis veranschaulicht werden.
  • Der Endwert der Fehlergröße ist ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$, und der Viterbi–Decoder entscheidet mit Sicherheit richtig: $\underline{z} = \underline{x}  ⇒  \underline{v} = \underline{u}$.
  • Für das untere Trellis gehen wir ebenfalls von $\underline{u} = (0, \, 0, \, 0, \, 0, \, 0)   ⇒   \underline{x} = (00, \, 00, \, 00, \, 00, \, 00)$ aus. Empfangen wird aber nun $\underline{y} = (00, \, 00, \, 00, \, 11, \, 01)$. Trotzdem gilt ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$. Das Beispiel belegt, dass die beiden ersten Aussagen falsch sind.


(4)  Richtig sind alle Antworten:

  • Wenn man sicher weiß, dass nur ein Übertragungsfehler aufgetreten ist, funktioniert bei einem Faltungscode mit der freien Distanz $d_{\rm F} = 3$ der Viterbi–Algorithmus perfekt, egal, an welcher Position der Fehler aufgetreten ist.


(5)  Keiner der Lösungsvorschläge ist richtig, wie aus den nachfolgenden Beispielen zu erkennen ist.

Trellis mit zwei Übertragungsfehlern