Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.12: Path Weighting Function"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Distanzeigenschaften und Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken}}
+
{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Distance_Characteristics_and_Error_Probability_Barriers}}
  
[[File:P_ID2698__KC_A_3_12.png|right|frame|Faltungscodierer mit  $m = 1$  und Zustandsübergangsdiagramm]]
+
[[File:P_ID2698__KC_A_3_12.png|right|frame|Convolutional encoder with  $m = 1$  and state transition diagram]]
In  [[Aufgaben:Aufgabe_3.6:_Zustandsübergangsdiagramm|Aufgabe 3.6]]  wurde das Zustandsübergangsdiagramm für den gezeichneten Faltungscodierer mit den Eigenschaften
+
In  [[Aufgaben:Exercise_3.6:_State_Transition_Diagram|"Exercise 3.6"]]  the state transition diagram for the drawn convolutional encoder was constructed with properties
 
* Rate  $R = 1/2$,
 
* Rate  $R = 1/2$,
* Gedächtnis  $m = 1$,
+
* memory  $m = 1$,
* Übertragungsfunktionsmatrix  $\mathbf{G}(D) = (1, \, D)$
+
* transfer function matrix  $\mathbf{G}(D) = (1, \, D)$
  
  
ermittelt, das rechts dargestellt ist.
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which is shown on the right.
  
Aus diesem Zustandsübergangsdiagramm soll nun
+
Now, from this state transition diagram
* die Pfadgewichtsfunktion  $T(X)$, und
+
* the path weighting enumerator function  $T(X)$, and
* die erweiterte Pfadgewichtsfunktion  $T_{\rm enh}(X, \, U)$
+
* the extended path weighting enumerator function  $T_{\rm enh}(X, \, U)$
  
  
bestimmt werden, wobei  $X$  und  $U$  Dummy–Variablen sind.  
+
be determined, where  $X$  and  $U$  are dummy variables.  
  
Die Vorgehensweise ist im  [[Channel_Coding/Distanzeigenschaften_und_Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken#Pfadgewichtsfunktion_aus_Zustands.C3.BCbergangsdiagramm|Theorieteil]]  zu diesem Kapitel eingehend erläutert. Schließlich ist aus  $T(X)$  noch die  [[Channel_Coding/Distanzeigenschaften_und_Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken#Freie_Distanz_vs._Minimale_Distanz|freie Distanz]]  $d_{\rm F}$  zu bestimmen.
+
The procedure is explained in detail in the  [[Channel_Coding/Distance_Characteristics_and_Error_Probability_Barriers#Path_weighting_enumerator_function_from_state_transition_diagram|"Theory part"]]  to this chapter. Finally, from  $T(X)$  the  [[Channel_Coding/Distance_Characteristics_and_Error_Probability_Barriers#Free_distance_vs._minimum_distance|"free distance"]]  $d_{\rm F}$  has to be determined.
  
  
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''Hinweise:''
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Hints:
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Channel_Coding/Distanzeigenschaften_und_Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken| Distanzeigenschaften und Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken]].
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* This exercise belongs to the chapter  [[Channel_Coding/Distance_Characteristics_and_Error_Probability_Barriers| "Distance Characteristics and Error Probability Barriers"]].
* Berücksichtigen Sie bei der Lösung die Reihenentwicklung
+
* Consider the series expansion in the solution
 
:$$\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 +  x^3 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}.$$
 
:$$\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 +  x^3 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}.$$
 
   
 
   
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===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Was ist bei der Modifizierung des Übergangsdiagramms zu beachten?
+
{What should be considered when modifying the transition diagram?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Zustand&nbsp; $S_0$&nbsp; muss in&nbsp; $S_0$&nbsp; und&nbsp; $S_0\hspace{0.01cm}'$ aufgespalten werden.
+
+ The state&nbsp; $S_0$&nbsp; must be split into&nbsp; $S_0$&nbsp; and&nbsp; $S_0\hspace{0.01cm}'$.
- Der Zustand &nbsp; $S_1$&nbsp; muss in &nbsp; $S_0$&nbsp; und $S_0\hspace{0.01cm}'$ aufgespalten werden.
+
- The state &nbsp; $S_1$&nbsp; must be split into &nbsp; $S_0$&nbsp; and $S_0\hspace{0.01cm}'$.
+ Der Übergang von&nbsp; $S_0$&nbsp; nach&nbsp; $S_1$&nbsp; ist mit $U\hspace{-0.05cm}X^2$ zu beschriften.
+
+ The transition from&nbsp; $S_0$&nbsp; to&nbsp; $S_1$&nbsp; must be labeled $U\hspace{-0.05cm}X^2$.
+ Der Übergang von&nbsp; $S_1$&nbsp; nach&nbsp; $S_1$&nbsp; ist mit $U\hspace{-0.05cm}X$ zu beschriften.
+
+ The transition from&nbsp; $S_1$&nbsp; to&nbsp; $S_1$&nbsp; is to be labeled $U\hspace{-0.05cm}X$.
+ Der Übergang von&nbsp; $S_1$&nbsp; nach&nbsp; $S_0\hspace{0.01cm}'$ ist mit $X$ zu beschriften.
+
+ The transition from&nbsp; $S_1$&nbsp; to&nbsp; $S_0\hspace{0.01cm}'$ shall be labeled $X$.
  
{Welche Gleichungen gelten für die erweiterte Pfadgewichtsfunktion&nbsp; $T_{\rm enh}(X, \, U)$?
+
{What equations apply to the extended path weighting enumerator function&nbsp; $T_{\rm enh}(X, \, U)$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
 
- $T_{\rm enh}(X, \, U) = U^2X^3$
 
- $T_{\rm enh}(X, \, U) = U^2X^3$
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+ $T_{\rm enh}(X, \, U) = UX^3 + U^2X^4 + U^3X^5 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}$
 
+ $T_{\rm enh}(X, \, U) = UX^3 + U^2X^4 + U^3X^5 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}$
  
{Welche Gleichungen gelten für die "einfache" Pfadgewichtsfunktion&nbsp; $T(X)$?
+
{What equations apply to the "simple" path weighting enumerator function&nbsp; $T(X)$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
 
+ $T(X) = X^3/(1 \, &ndash;X)$,
 
+ $T(X) = X^3/(1 \, &ndash;X)$,
 
+ $T(X) = X^3 + X^4 + X^5 +\hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}$
 
+ $T(X) = X^3 + X^4 + X^5 +\hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}$
  
{Wie groß ist die freie Distanz des betrachteten Codes?
+
{What is the free distance of the code under consideration?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$d_{\rm F} \ = \ ${ 3 }
 
$d_{\rm F} \ = \ ${ 3 }
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
[[File:P_ID2703__KC_A_3_12a.png|right|frame|Zustandsübergangsdiagramm nach Modifikationen]]  
+
[[File:P_ID2703__KC_A_3_12a.png|right|frame|State transition diagram after modifications]]  
'''(1)'''&nbsp; Aus der nebenstehenden Grafik erkennt man, dass die <u>Lösungsvorschläge 1, 3, 4 und 5</u> richtig sind:  
+
'''(1)'''&nbsp; From the adjacent graph, one can see that <u>proposed solutions 1, 3, 4, and 5</u> are correct:  
*Der Zustand $S_0$ muss in einen Startzustand $S_0$ und einen Endzustand ${S_0}'$ aufgespalten werden.  
+
*The state $S_0$ must be split into a start state $S_0$ and a final state ${S_0}'$.  
*Der Grund hierfür ist, dass für die folgende Berechnung der Pfadgewichtsfunktion $T(X, \, U)$ alle Übergänge von $S_0$ nach $S_0$ ausgeschlossen werden müssen.
+
*The reason for this is that for the following calculation of the path weighting enumerator function $T(X, \, U)$ all transitions from $S_0$ to $S_0$ must be excluded.
*Jedes Codesymbol $x &#8712; \{0, \, 1\}$ wird durch $X^x$ dargestellt, wobei $X$ eine Dummy&ndash;Variable hinsichtlich der Ausgangssequenz ist: $x = 0 \ \Rightarrow \ X^0 = 1, \ x = 1 \ \Rightarrow \ X^1 = X.$ Daraus folgt weiter $(00) \ \Rightarrow \ 1, \ (01) \ \Rightarrow \ X, \ (10) \ \Rightarrow \ X, \ (11) \ \Rightarrow \ X^2$.
+
*Each code symbol $x &#8712; \{0, \, 1\}$ is represented by $X^x$, where $X$ is a dummy variable with respect to the output sequence: $x = 0 \ \Rightarrow \ X^0 = 1, \ x = 1 \ \Rightarrow \ X^1 = X. $ It further follows $(00) \ \Rightarrow \ 1, \ (01) \ \Rightarrow \ X, \ (10) \ \Rightarrow \ X, \ (11) \ \Rightarrow \ X^2$.
*Bei einem blauen Übergang im ursprünglichen Diagramm &ndash; dies steht für $u_i = 1$ &ndash; ist im modifizierten Diagramm der Faktor $U$ hinzuzufügen.  
+
*For a blue transition in the original diagram &ndash; this represents $u_i = 1$ &ndash; add the factor $U$ in the modified diagram.  
 +
 
  
  
 
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
 
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 2 und 3</u>:
*Das reduzierte Diagramm ist entsprechend der Auflistung im [[Channel_Coding/Distanzeigenschaften_und_Fehlerwahrscheinlichkeitsschranken#Regeln_zur_Manipulation_des_Zustands.C3.BCbergangsdiagramms|Theorieteil]] ein "Ring". Daraus folgt:  
+
*The reduced diagram is a "ring" according to the listing in the [[Channel_Coding/Distance_Characteristics_and_Error_Probability_Barriers#Rules_for_manipulating_the_state_transition_diagram|"Theory section"]]. It follows:  
 
:$$T_{\rm enh}(X, U) =  \frac{A(X, U) \cdot B(X, U)}{1- C(X, U)}  
 
:$$T_{\rm enh}(X, U) =  \frac{A(X, U) \cdot B(X, U)}{1- C(X, U)}  
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
*Mit $A(X, \, U) = UX^2, \ B(X, \, U) = X, \ C(X, \, U) = UX$ erhält man mit der angegebenen Reihenentwicklung:
+
*With $A(X, \, U) = UX^2, \ B(X, \, U) = X, \ C(X, \, U) = UX$ one obtains with the given series expansion:
 
:$$T_{\rm enh}(X, U) =  \frac{U \hspace{0.05cm} X^3}{1- U  \hspace{0.05cm}  X}  = U \hspace{0.05cm} X^3 \cdot \left [ 1 + (U  \hspace{0.05cm}  X) + (U  \hspace{0.05cm}  X)^2 +\text{...} \hspace{0.10cm} \right ]  
 
:$$T_{\rm enh}(X, U) =  \frac{U \hspace{0.05cm} X^3}{1- U  \hspace{0.05cm}  X}  = U \hspace{0.05cm} X^3 \cdot \left [ 1 + (U  \hspace{0.05cm}  X) + (U  \hspace{0.05cm}  X)^2 +\text{...} \hspace{0.10cm} \right ]  
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
Line 80: Line 81:
  
  
'''(3)'''&nbsp; Man kommt von der erweiterten Pfadgewichtsfunktion zu $T(X)$, indem der Formalparameter $U = 1$ gesetzt wird. Richtig sind also <u>beide Lösungsvorschläge</u>.
+
'''(3)'''&nbsp; One gets from the extended path weighting enumerator function to $T(X)$ by setting the formal parameter $U = 1$. So <u>both proposed solutions</u> are correct.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Die freie Distanz $d_{\rm F}$ lässt sich aus der Pfadgewichtsfunktion $T(X)$ als der niedrigste Exponent der Dummy&ndash;Variablen $X$ ablesen &nbsp; &rArr; &nbsp; $d_{\rm F} \ \underline{= 3}$.
+
'''(4)'''&nbsp; The free distance $d_{\rm F}$ can be read from the path weighting enumerator function $T(X)$ as the lowest exponent of the dummy variable $X$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $d_{\rm F} \ \underline{= 3}$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 21:06, 20 October 2022

Convolutional encoder with  $m = 1$  and state transition diagram

In  "Exercise 3.6"  the state transition diagram for the drawn convolutional encoder was constructed with properties

  • Rate  $R = 1/2$,
  • memory  $m = 1$,
  • transfer function matrix  $\mathbf{G}(D) = (1, \, D)$


which is shown on the right.

Now, from this state transition diagram

  • the path weighting enumerator function  $T(X)$, and
  • the extended path weighting enumerator function  $T_{\rm enh}(X, \, U)$


be determined, where  $X$  and  $U$  are dummy variables.

The procedure is explained in detail in the  "Theory part"  to this chapter. Finally, from  $T(X)$  the  "free distance"  $d_{\rm F}$  has to be determined.





Hints:

$$\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + x^3 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}.$$



Questions

1

What should be considered when modifying the transition diagram?

The state  $S_0$  must be split into  $S_0$  and  $S_0\hspace{0.01cm}'$.
The state   $S_1$  must be split into   $S_0$  and $S_0\hspace{0.01cm}'$.
The transition from  $S_0$  to  $S_1$  must be labeled $U\hspace{-0.05cm}X^2$.
The transition from  $S_1$  to  $S_1$  is to be labeled $U\hspace{-0.05cm}X$.
The transition from  $S_1$  to  $S_0\hspace{0.01cm}'$ shall be labeled $X$.

2

What equations apply to the extended path weighting enumerator function  $T_{\rm enh}(X, \, U)$?

$T_{\rm enh}(X, \, U) = U^2X^3$
$T_{\rm enh}(X, \, U) = UX^3/(1 \, –UX)$
$T_{\rm enh}(X, \, U) = UX^3 + U^2X^4 + U^3X^5 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}$

3

What equations apply to the "simple" path weighting enumerator function  $T(X)$?

$T(X) = X^3/(1 \, –X)$,
$T(X) = X^3 + X^4 + X^5 +\hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.1cm}$

4

What is the free distance of the code under consideration?

$d_{\rm F} \ = \ $


Solution

State transition diagram after modifications

(1)  From the adjacent graph, one can see that proposed solutions 1, 3, 4, and 5 are correct:

  • The state $S_0$ must be split into a start state $S_0$ and a final state ${S_0}'$.
  • The reason for this is that for the following calculation of the path weighting enumerator function $T(X, \, U)$ all transitions from $S_0$ to $S_0$ must be excluded.
  • Each code symbol $x ∈ \{0, \, 1\}$ is represented by $X^x$, where $X$ is a dummy variable with respect to the output sequence: $x = 0 \ \Rightarrow \ X^0 = 1, \ x = 1 \ \Rightarrow \ X^1 = X. $ It further follows $(00) \ \Rightarrow \ 1, \ (01) \ \Rightarrow \ X, \ (10) \ \Rightarrow \ X, \ (11) \ \Rightarrow \ X^2$.
  • For a blue transition in the original diagram – this represents $u_i = 1$ – add the factor $U$ in the modified diagram.


(2)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 3:

  • The reduced diagram is a "ring" according to the listing in the "Theory section". It follows:
$$T_{\rm enh}(X, U) = \frac{A(X, U) \cdot B(X, U)}{1- C(X, U)} \hspace{0.05cm}.$$
  • With $A(X, \, U) = UX^2, \ B(X, \, U) = X, \ C(X, \, U) = UX$ one obtains with the given series expansion:
$$T_{\rm enh}(X, U) = \frac{U \hspace{0.05cm} X^3}{1- U \hspace{0.05cm} X} = U \hspace{0.05cm} X^3 \cdot \left [ 1 + (U \hspace{0.05cm} X) + (U \hspace{0.05cm} X)^2 +\text{...} \hspace{0.10cm} \right ] \hspace{0.05cm}.$$


(3)  One gets from the extended path weighting enumerator function to $T(X)$ by setting the formal parameter $U = 1$. So both proposed solutions are correct.


(4)  The free distance $d_{\rm F}$ can be read from the path weighting enumerator function $T(X)$ as the lowest exponent of the dummy variable $X$   ⇒   $d_{\rm F} \ \underline{= 3}$.