Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.4: Dual Code and Gray Code"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Redundanzfreie Codierung
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Redundancy-Free_Coding
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1325__Dig_A_2_4.png|right|frame|Quaternärsignale mit Dual- und Graycodierung]]
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[[File:P_ID1325__Dig_A_2_4.png|right|frame|Quaternary signals with dual and Gray coding]]
Die beiden dargestellten Signale $s_{1}(t)$ und $s_{2}(t)$ sind zwei unterschiedliche Realisierungen eines redundanzfreien quaternären Sendesignals, die beide vom blau gezeichneten Quellensignal $q(t)$ abgeleitet wurden. Bei einem der Sendesignale wurde der sog. $\color{red} {\rm Dualcode}$ mit der Zuordnung
+
The two shown signals  $s_{1}(t)$  and  $s_{2}(t)$  are two different realizations of a redundancy-free quaternary transmitted signal,  both derived from the blue drawn binary source signal  $q(t)$. 
:$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.15cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,$$
 
:$$\mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.15cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$
 
verwendet, beim anderen eine bestimmte Form eines $\color{red} {\rm Graycodes}$. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Binärdarstellung benachbarter Amplitudenwerte immer nur in einem einzigen Bit unterscheiden.
 
  
Bei der Lösung der Aufgabe soll von folgenden Voraussetzungen ausgegangen werden:
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For one of the transmitted signals,  the so-called  '''dual code'''  with mapping
*Die Amplitudenstufen liegen bei $±3\ \rm V$ und $±1 \ \rm V$. Die Entscheiderschwellen liegen in der Mitte zwischen zwei benachbarten Amplitudenwerten, also bei $–2\ \rm V$, $0\ \rm V$ und $+2\ \rm V$.
+
:$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm}
*Der Rauscheffektivwert ist $\sigma_{d}$. Dieser ist so zu wählen, dass die Verfälschungswahrscheinlichkeit vom äußeren Symbol $(+s_0)$ zum nächstgelegenen Symbol $(+s_{0}/3)$ genau $p = 1\%$ beträgt.
+
\mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$
*Verfälschungen zu nicht benachbarten Symbolen können ausgeschlossen werden; bei Gaußschen Störungen ist diese Vereinfachung in der Praxis stets erlaubt.
+
was used,  for the other one a certain form of a  '''Gray code'''.  This is characterized by the fact that the binary representation of adjacent amplitude values always differ only in a single bit.
*Man unterscheidet grundsätzlich zwischen der $\color{red} {\rm Symbolfehlerwahrscheinlichkeit} \ p_{\rm S}$ (bezogen auf das Quaternärsignal) und der $\color{red} {\rm Bitfehlerwahrscheinlichkeit}
 
\ p_{B}$ (bezogen auf das Quellensignal).
 
  
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The solution of the exercise should be based on the following assumptions:
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*The amplitude levels are  $±3\, \rm V$  and  $±1 \, \rm V$.
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*The decision thresholds lie in the middle between two adjacent amplitude values,  i.e. at  $–2\, \rm V$,  $0\, \rm V$  and  $+2\, \rm V$.
  
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*The noise rms value  $\sigma_{d}$  is to be chosen so that the falsification  probability from the outer symbol  $(+s_0)$  to the nearest symbol  $(+s_{0}/3)$  is exactly  $p = 1\%$.
  
''Hinweise:''
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*Falsification to non-adjacent symbols can be excluded;  in the case of Gaussian perturbations,  this simplification is always allowed in practice.
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Digitalsignalübertragung/Grundlagen_der_codierten_Übertragung|Grundlagen der codierten Übertragung]].
 
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel [[Digitalsignalübertragung/Redundanzfreie_Codierung|Redundanzfreie Codierung]] .
 
*Berücksichtigen Sie, dass Autokorrelationsfunktion (AKF) und Leistungsdichtespektrum (LDS) eines stochastischen Signals stets über die Fouriertransformation zusammenhängen.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
''Hinweis:''
 
  
  
Die Aufgabe gehört zum Themengebiet von [[Digitalsignalübertragung/Redundanzfreie_Codierung|Redundanzfreie Codierung]]. Zur numerischen Auswertung der Q–Funktion können Sie das folgende Interaktionsmodul benutzen:
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One distinguishes in principle between
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*the  "symbol error probability"  $p_{\rm S}$  (related to the quaternary signal)  and
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*the  "bit error probability"  $p_{B}$  (related to the binary source signal).
  
[[Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]
 
  
===Fragebogen===
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Notes:
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*The exercise is part of the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Grundlagen_der_codierten_Übertragung|"Basics of Coded Transmission"]].
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*Reference is also made to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Redundanzfreie_Codierung|"Redundancy-Free Coding"]].
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*For numerical evaluation of the Q–function you can use the HTML5/JavaScript applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]].
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Welches der Signale $s_{1}(t)$ bzw. $s_{2}(t)$ verwendet eine Graycodierung?
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{Which of the signals &nbsp;$s_{1}(t)$&nbsp; or &nbsp;$s_{2}(t)$&nbsp; uses&nbsp; '''Gray coding'''?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+$s_{1}(t)$ verwendet eine Graycodierung.
+
+$s_{1}(t)$&nbsp; uses Gray coding.
-$s_{2}(t)$ verwendet eine Graycodierung.
+
-$s_{2}(t)$&nbsp; uses Gray coding.
  
{Bestimmen Sie den Rauscheffektivwert aus der angegebenen Bedingung.
+
{Determine the noise rms value from the given condition.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\sigma_{d} \ = \ $ { 0.43 3% } $\ \rm V$
 
$\sigma_{d} \ = \ $ { 0.43 3% } $\ \rm V$
  
{Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Graycode?
+
{What is the symbol error probability using the&nbsp; '''Gray code'''?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Graycode?
+
{What is the bit error probability with the Gray code?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \%$
  
{Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Dualcode?
+
{What is the symbol error probability with the&nbsp; '''dual code'''?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
  
{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Dualcode?
+
{What is the bit error probability with the dual code?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \%$
 
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \%$
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Im Signal $s_{2}(t)$ erkennt man die Realisierung des vorne angegebenen Dualcodes. Dagegen wurde beim Signal $s_{2}(t)$ ein Graycode $\Rightarrow$ <u>Lösungsvorschlag 1</u> mit folgender Zuordnung verwendet:
+
'''(1)'''&nbsp; In the signal&nbsp; $s_{2}(t)$&nbsp; one recognizes the realization of the dual code indicated at the beginning.&nbsp; On the other hand,&nbsp; in the signal&nbsp; $s_{2}(t)$&nbsp; a Gray code &nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp; <u>solution 1</u> with the following mapping was used:
:$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.15cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.15cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.15cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; Die Wahrscheinlichkeit $p$, dass der Amplitudenwert $3 \rm V$ aufgrund des gaußverteilten Rauschens mit der Streuung $\sigma_{d}$ die benachbarte Entscheiderschwelle $2 \rm V$ unterschreitet, soll $1 \%$ betragen. Daraus folgt:
+
 
 +
'''(2)'''&nbsp; Let the probability&nbsp; $p$&nbsp; that the amplitude value&nbsp; $3 \, \rm V$&nbsp; falls below the adjacent decision threshold&nbsp; $2\,  \rm V$&nbsp; due to the Gaussian distributed noise with standard deviation&nbsp; $\sigma_{d}$&nbsp; be $1\, \%$.&nbsp; It follows that:
 
:$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
  
'''(3)'''&nbsp;  Die beiden äußeren Symbole werden jeweils mit der Wahrscheinlichkeit $p$ verfälscht, die beiden inneren mit der doppelten Wahrscheinlichkeit $(2p)$. Durch Mittelung unter Berücksichtigung gleicher Symbolauftrittswahrscheinlichkeiten erhält man
+
 
 +
'''(3)'''&nbsp;  The two outer symbols are each falsified with probability&nbsp; $p$,&nbsp; the two inner symbols with double probability&nbsp; $(2p)$.&nbsp; By averaging considering equal symbol occurrence probabilities,&nbsp; we obtain
 
:$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(4)'''&nbsp; Jeder Symbolfehler führt genau zu einem Bitfehler. Da jedoch jedes Quaternärsymbol genau zwei Binärsymbole beinhaltet, ergibt sich für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit:
+
 
 +
'''(4)'''&nbsp; Each symbol error results in exactly one bit error.&nbsp; However,&nbsp; since each quaternary symbol contains exactly two binary symbols,&nbsp; the bit error probability is obtained:
 
:$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(5)'''&nbsp; Bei der Berechnung der Symbolfehlerwahrscheinlichkeit pS wird das verwendete Mapping nicht berücksichtigt. Wie in der Teilaufgabe c) erhält man somit $p_{\rm S} \underline{ = 1.5 \%}$.
 
  
'''(6)'''&nbsp; Die beiden äußeren Symbole werden mit $p$ verfälscht und führen auch beim Dualcode jeweils nur zu einem Bitfehler. Die inneren Symbole werden mit $2p$ verfälscht und führen nun im Mittel zu $1.5$ Bitfehlern. Unter Berücksichtigung des Faktors $2$ im Nenner siehe Teilaufgabe (2) – erhält man somit für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit des Dualcodes:
+
'''(5)'''&nbsp; When calculating the symbol error probability&nbsp; $p_{\rm S}$,&nbsp; the mapping used is not taken into account.&nbsp; As in subtask&nbsp; '''(3)''',&nbsp; we obtain&nbsp;  $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.
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'''(6)'''&nbsp; The two outer symbols are falsified with&nbsp; $p$&nbsp; and lead to only one bit error each even with dual code.
 +
* The inner symbols are falsified with&nbsp; $2p$&nbsp; and now lead to&nbsp; $1.5$&nbsp; bit errors on average.
 +
*Taking into account the factor&nbsp; $2$&nbsp; in the denominator see subtask&nbsp; '''(2)'''&nbsp; we thus obtain for the bit error probability of the dual code:
 
:$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  
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[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^2.2 Redundanzfreie Codierung^]]
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[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^2.2 Redundancy-Free Coding^]]

Latest revision as of 16:46, 16 May 2022

Quaternary signals with dual and Gray coding

The two shown signals  $s_{1}(t)$  and  $s_{2}(t)$  are two different realizations of a redundancy-free quaternary transmitted signal,  both derived from the blue drawn binary source signal  $q(t)$. 

For one of the transmitted signals,  the so-called  dual code  with mapping

$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$

was used,  for the other one a certain form of a  Gray code.  This is characterized by the fact that the binary representation of adjacent amplitude values always differ only in a single bit.

The solution of the exercise should be based on the following assumptions:

  • The amplitude levels are  $±3\, \rm V$  and  $±1 \, \rm V$.
  • The decision thresholds lie in the middle between two adjacent amplitude values,  i.e. at  $–2\, \rm V$,  $0\, \rm V$  and  $+2\, \rm V$.
  • The noise rms value  $\sigma_{d}$  is to be chosen so that the falsification probability from the outer symbol  $(+s_0)$  to the nearest symbol  $(+s_{0}/3)$  is exactly  $p = 1\%$.
  • Falsification to non-adjacent symbols can be excluded;  in the case of Gaussian perturbations,  this simplification is always allowed in practice.


One distinguishes in principle between

  • the  "symbol error probability"  $p_{\rm S}$  (related to the quaternary signal)  and
  • the  "bit error probability"  $p_{B}$  (related to the binary source signal).



Notes:


Questions

1

Which of the signals  $s_{1}(t)$  or  $s_{2}(t)$  uses  Gray coding?

$s_{1}(t)$  uses Gray coding.
$s_{2}(t)$  uses Gray coding.

2

Determine the noise rms value from the given condition.

$\sigma_{d} \ = \ $

$\ \rm V$

3

What is the symbol error probability using the  Gray code?

$p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

4

What is the bit error probability with the Gray code?

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \%$

5

What is the symbol error probability with the  dual code?

$p_{\rm S} \ = \ $

$\ \%$

6

What is the bit error probability with the dual code?

$p_{\rm B} \ = \ $

$\ \%$


Solution

(1)  In the signal  $s_{2}(t)$  one recognizes the realization of the dual code indicated at the beginning.  On the other hand,  in the signal  $s_{2}(t)$  a Gray code   $\Rightarrow$   solution 1 with the following mapping was used:

$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Let the probability  $p$  that the amplitude value  $3 \, \rm V$  falls below the adjacent decision threshold  $2\, \rm V$  due to the Gaussian distributed noise with standard deviation  $\sigma_{d}$  be $1\, \%$.  It follows that:

$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  The two outer symbols are each falsified with probability  $p$,  the two inner symbols with double probability  $(2p)$.  By averaging considering equal symbol occurrence probabilities,  we obtain

$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Each symbol error results in exactly one bit error.  However,  since each quaternary symbol contains exactly two binary symbols,  the bit error probability is obtained:

$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  When calculating the symbol error probability  $p_{\rm S}$,  the mapping used is not taken into account.  As in subtask  (3),  we obtain  $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.


(6)  The two outer symbols are falsified with  $p$  and lead to only one bit error each even with dual code.

  • The inner symbols are falsified with  $2p$  and now lead to  $1.5$  bit errors on average.
  • Taking into account the factor  $2$  in the denominator – see subtask  (2)  – we thus obtain for the bit error probability of the dual code:
$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$