Aufgabe 4.3Z: Umrechnungen von L–Wert und S–Wert

From LNTwww

Funktion  $y = \tanh {(x)}$ 
in Tabellenform

Wir gehen von einer binären Zufallsgröße  $x ∈ \{+1, \, -1\}$  mit folgenden Wahrscheinlichkeiten aus:

$${\rm Pr}(x =+1) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} p\hspace{0.05cm},$$
$${\rm Pr}(x =-1) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} q = 1-p\hspace{0.05cm}.$$

Die "Zuverlässigkeit" des Symbols  $x$  kann ausgedrückt werden

  • durch den  $L$–Wert entsprechend der Definition
$$L(x) = {\rm ln} \hspace{0.2cm} \frac{p}{q} = \frac{p}{1 - p}\hspace{0.05cm} \hspace{0.05cm},$$
  • durch den so genannten  $S$–Wert
$$S(x) = p- q \hspace{0.05cm}.$$

Den Begriff "$S$–Wert" haben wir kreiert, um die folgenden Fragen griffiger formulieren zu können. In der Literatur findet man hierfür manchmal die Bezeichung  "Soft Bit".

Wie in Teilaufgabe (1) gezeigt werden soll, können  $L(x)$  und  $S(x)$  ineinander umgerechnet werden.

Anschließend sollen diese Funktionen zur Berechnung der folgenden Größen herangezogen werden, wobei stets von der Codelänge  $n = 3$  ausgegangen wird:

  • der extrinsische  $L$–Wert für das dritte Symbol   ⇒   $L_{\rm E}(x_3)$,
  • der Aposteriori–$L$–Wert für das dritte Symbol   ⇒   $L_{\rm APP}(x_3)$.


Die Berechnung soll für folgende Codes erfolgen:

  • den Wiederholungscode  $\text{RC (3, 1, 3)}$  mit der Nebenbedingung  $\sign {(x_1)} = \sign {(x_2)} = \sign {(x_3)}$,
  • den Single Parity–Code   ⇒   $\text{SPC (3, 2, 2)}$  mit der Nebenbedingung  $x_1 \cdot x_2 \cdot x_3 = +1$.




Hinweise:

$$y = {\rm tanh}(x) = \frac{{\rm e}^{+x/2} - {\rm e}^{-x/2}}{{\rm e}^{+x/2} + {\rm e}^{-x/2}} = \frac{1 - {\rm e}^{-x}}{1 + {\rm e}^{-x}} \hspace{0.05cm}.$$


Fragebogen

1

Welcher Zusammenhang besteht zwischen  $S$–Wert und  $L$–Wert?

$S(x) = \tanh {(L(x))}$,
$S(x) = \tanh {(L(x)/2)}$,
$L(x) = 2 \cdot \tanh^{-1}{(S(x))}$.

2

Betrachtet wird der  $\text{RC (3, 1, 3)}$. Für die Apriori–$L$–Werte gelte  $\underline{L}_{\rm A} = (+2, -1, +3)$. Wie groß ist der extrinsische  $L$–Wert für das Symbol  $x_3$?

$L_{\rm E}(x_3) \ = \ $

3

Wie groß ist in diesem Fall der Aposteriori–$L$–Wert für das Symbol  $x_3$?

$L_{\rm APP}(x_3) \ = \ $

4

Wie groß ist der extrinsische $L$–Wert beim  $\text{SPC (3, 2, 2)}$? Es gelte weiterhin  $\underline{L}_{\rm A} = (+2, -1, +3)$.

$L_{\rm E}(x_3) \ = \ $

5

Die Apriori–Wahrscheinlichkeiten seien nun  $0.3, \ 0.8$  und  $0.9$. Wie groß ist der extrinsische  $L$–Wert für den Repetition Code?

$L_{\rm E}(x_3) \ = \ $

6

Welcher extrinsische  $L$–Wert ergibt sich bei gleichen Voraussetzungen wie in  (5)  für den Single Parity–check Code?

$L_{\rm E}(x_3) \ = \ $


Musterlösung

(1)  Für die binäre Zufallsgröße $x ∈ \{+1, -1\}$ mit den Wahrscheinlichkeiten

  • $p = {\rm Pr}(x = +1)$, und
  • $p = {\rm Pr}(x=-1) = 1-p$


gelten folgende Definitionen:

$$L(x) = {\rm ln} \hspace{0.2cm} \frac{p}{q} = \frac{p}{1 - p}\hspace{0.05cm} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} -\infty \le L(x) \le +\infty \hspace{0.05cm},$$
$$S(x) = p- q = 2 \cdot p - 1\hspace{0.05cm} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} -1 \le S(x) \le +1 \hspace{0.05cm}.$$
  • Ausgehend vom $S$–Wert erhält man wegen $p + q = 1$:
$$S(x) = p- q = \frac{p- q}{p+ q} = \frac{1- q/p}{1+ q/p} \hspace{0.05cm}.$$
  • Gleichzeitig gilt $q/p = {\rm e}^{-L(x)}$. Daraus folgt:
$$S(x) = \frac{1- {\rm e}^{-L(x)}}{1+ {\rm e}^{-L(x)}} \hspace{0.05cm}.$$
  • Multipliziert man Zähler und Nenner mit ${\rm e}^{-L(x)/2}$, so erhält man schließlich:
Zusammenhang zwischen Wahrscheinlichkeit, $L$–Wert, $S$–Wert
$$S(x) = \frac{{\rm e}^{+L(x)/2}- {\rm e}^{-L(x)/2}}{{\rm e}^{+L(x)/2}+ {\rm e}^{-L(x)/2}} = {\rm tanh}\big [L(x)/2. \big] \hspace{0.05cm}.$$
  • Die Umkehrfunktion ergibt
$$L(x) = 2 \cdot {\rm tanh}^{-1}[S(x)] \hspace{0.05cm}.$$


Richtig sind somit die Lösungsvorschläge 2 und 3. Die Tabelle zeigt den $L$–Wert $S$–Wert für einige Wahrscheinlichkeiten $p = {\rm Pr}(x=+1)$.


(2)  Der extrinsische $L$–Wert für das Symbol $x_3$ berücksichtigt nur die Apriori–$L$–Werte $L_{\rm A}(x_1)$ und $L_{\rm A}(x_2)$, nicht jedoch $L_{\rm A}(x_3)$.

  • Beim (3, 1) Repetition Code ergibt sich hierfür:
$$L_{\rm E}(x_3) = L_{\rm A}(x_1) + L_{\rm A}(x_2) = 2 + (-1) \hspace{0.15cm} \underline{= +1}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  Für den Aposteriori–$L$–Wert erhält man somit:

$$L_{\rm APP}(x_3) = L_{\rm A}(x_3) + L_{\rm E}(x_3) = 3 + 1 \hspace{0.15cm} \underline{= +4}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Beim Single Parity–check Code lautet die entsprechende Berechnungsvorschrift:

$$L_{\rm E}(x_3) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 2 \cdot {\rm tanh}^{-1} \hspace{0.05cm} \left [ {\rm tanh}(x_1/2) \cdot {\rm tanh}(x_2/2) \right ] = 2 \cdot {\rm tanh}^{-1} \hspace{0.05cm} \left [ {\rm tanh}(+1) \cdot {\rm tanh}(-0.5) \right ] = 2 \cdot {\rm tanh}^{-1} \hspace{0.05cm} \left [ 0.7616 \cdot (-0.4621) \right ] $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}L_{\rm E}(x_3) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 2 \cdot {\rm tanh}^{-1} \hspace{0.05cm} \left [ -0.3519 \right ] =-2 \cdot 0.3676\hspace{0.15cm} \underline{= -0.7352}\hspace{0.05cm}.$$

Das Ergebnis ${\rm tanh}^{-1} (-0.3519) = 0.3676$ wurde der Tabelle auf der Angabenseite entnommen.


(5)  Beim Wiederholungscode der Länge $n = 3$ gilt wie in der Teilaufgabe (3):

$$L_{\rm E}(x_3) = L_{\rm A}(x_1) + L_{\rm A}(x_2) = -0.847 +1.382 \hspace{0.15cm} \underline{= +0.535}\hspace{0.05cm}.$$

Benutzt wurden hierbei die $L$–Werte entsprechend der Tabelle zur Teilaufgabe (1), zum Beispiel ${\rm Pr}(x_1 = +1) = 0.3$   ⇒   $L_{\rm A}(x_1) = -0.847$.


(6)  Nachdem hier anstelle der Apriori–$L$–Werte die Apriori–Wahrscheinlichkeiten gegeben sind, kommt man gegenüber der Teilaufgabe (4) auf dem Umweg über den extrinsischen $S$–Wert schneller zum Erfolg.

  • Die extrinsische Wahrscheinlichkeit für das dritte Symbol bezeichnen wir hier mit $P_{\rm E}(x_3)$. Für diese gilt:
$$P_{\rm E}(x_3 = +1) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} P_{\rm A}(x_1 = +1) \cdot P_{\rm A}(x_2 = -1) + P_{\rm A}(x_1 = -1) \cdot P_{\rm A}(x_2 = +1) = 0.3 \cdot (1-0.8) + (1-0.3) \cdot 0.8 = 0.62\hspace{0.05cm}.$$
  • Daraus ergeben sich für die weiteren Größen:
$$S_{\rm E}(x_3) = P_{\rm E}(x_3 = +1) - P_{\rm E}(x_3 = - 1) = 0.62 -0.38 = 0.24\hspace{0.05cm},$$
$$L_{\rm E}(x_3) = 2 \cdot {\rm tanh}^{-1} \hspace{0.05cm} \left [ S_{\rm E}(x_3) \right ] = 2 \cdot {\rm tanh}^{-1} \hspace{0.05cm} (0.24) = 2 \cdot 0.245 \hspace{0.15cm} \underline{= +0.49}\hspace{0.05cm}$$