Aufgaben:Exercise 2.2Z: Average Code Word Length: Difference between revisions

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[[File:P_ID2417__Inf_Z_2_2.png|right|frame|Tabelle zur Quellencodierung]]
[[File:P_ID2417__Inf_Z_2_2.png|right|frame|Three source coding tables]]
Ziel von Datenkomprimierung ist es, die Nachricht einer Quelle mit möglichst wenigen Binärzeichen darzustellen.
The aim of data compression is to represent the message of a source with as few binary characters as possible.


Wir betrachten hier eine wertdiskrete Nachrichtenquelle mit dem Symbolvorrat  $\rm \{ A, \ B, \ C, \ D\}$   ⇒   Symbolumfang  $M = 4$  und den Auftrittswahrscheinlichkeiten
We consider here a discrete message source with the symbol set  $\rm \{ A, \ B, \ C, \ D\}$   ⇒   symbol set size  $M = 4$  and the symbol probabilities
:*$p_{\rm A} = p_{\rm B} = p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/4$  (Teilaufgabe 1),
:*$p_{\rm A} = p_{\rm B} = p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/4$  $($subtask  $1)$,
:* $p_{\rm A} = 1/2, \,  p_{\rm B} = 1/4, \, p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/8$   (ab Teilaufgabe 2).
:* $p_{\rm A} = 1/2, \,  p_{\rm B} = 1/4, \, p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/8$   $($subtask  $2$  to  $5)$.




Vorausgesetzt wird, dass es zwischen den einzelnen Quellensymbolen keine statistischen Bindungen gibt.
It is assumed that there are no statistical Dependencies between the individual source symbols.


Ein Maß für die Güte eines Komprimierungsverfahrens ist die mittlere Codewortlänge  $L_{\rm M}$  mit der Zusatzeinheit "bit/Quellensymbol”.  
Three assignments are given. To be noted:
* Each of these binary codes  $\rm C1$,  $\rm C2$  and  $\rm C3$  is designed for a specific source statistic.
* All codes are prefix-free and thus immediately decodable without further specification.


Vorgegeben sind drei Zuordnungen. Anzumerken ist:
* Jeder dieser Binärcodes  $\rm C1$,  $\rm C2$  und  $\rm C3$  ist für eine spezielle Quellenstatistik ausgelegt.
* Alle Codes sind präfixfrei und somit ohne weitere Angabe sofort decodierbar.


A measure for the quality of a compression method is the average code word length  $L_{\rm M}$   with the additional unit  "bit/source symbol".




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''Hinweis:''
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel  [[Information_Theory/Allgemeine_Beschreibung|Allgemeine Beschreibung der Quellencodierung]].
 
Hint:
*The exercise belongs to the chapter  [[Information_Theory/Allgemeine_Beschreibung|General Description of Source Coding]].
   
   




===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Bestimmen Sie die mittlere Codewortlänge&nbsp; $L_{\rm M}$&nbsp; für&nbsp; $p_{\rm A} = p_{\rm B} = p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/4$.
{Determine the average code word length&nbsp; $L_{\rm M}$&nbsp; for&nbsp; $p_{\rm A} = p_{\rm B} = p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/4$.
|type="{}"}
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$\text{C1:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $  { 2 1% } $\ \rm bit/Quellensymbol$
$\text{C1:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $  { 2 1% } $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C2:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2.25 1% } $\ \rm bit/Quellensymbol$
$\text{C2:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2.25 1% } $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C3:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2.25 1% } $\ \rm bit/Quellensymbol$
$\text{C3:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2.25 1% } $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$




{Welche Werte ergeben sich für&nbsp; $p_{\rm A} = 1/2, \,  p_{\rm B} = 1/4, \, p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/8$?
{Which values result for&nbsp; $p_{\rm A} = 1/2, \,  p_{\rm B} = 1/4, \, p_{\rm C} = p_{\rm D} =  1/8$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\text{C1:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2 1% } $\ \rm bit/Quellensymbol$
$\text{C1:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2 1% } $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C2:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 1.75 1% } $\ \rm bit/Quellensymbol$
$\text{C2:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 1.75 1% } $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C3:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2.5 1% } $\ \rm bit/Quellensymbol$
$\text{C3:}\ \ L_{\rm M} \ =  \ $  { 2.5 1% } $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$




{Woran erkennt man präfixfreie Codes?
{How can you recognise prefix-free codes?
|type="[]"}
|type="[]"}
+ Kein Codewort ist der Beginn eines anderen Codewortes.
+ No code word is the beginning of another code word.
- Alle Codeworte haben gleiche Länge.
- All code words have the same length.




{Für die spezielle Quellensymbolfolge&nbsp; $\rm ADBDCBCBADCA$&nbsp; ergibt sich die Codesymbolfolge&nbsp; $\rm 001101111001100100111000$.  
{For the special source symbol sequence&nbsp; $\rm ADBDCBCBADCA$&nbsp;, the encoded sequence&nbsp; $\rm 001101111001100100111000$&nbsp; results.  
<br>Welcher Code wurde verwendet?
<br>Which code was used?
|type="()"}
|type="()"}
+ der Code&nbsp;  $\rm C1$,
+ The code&nbsp;  $\rm C1$,
- der Code&nbsp; $\rm C2$.
- the code&nbsp; $\rm C2$.




{Nach Codierung mit&nbsp; $\rm C3$&nbsp; erhält man&nbsp; $\rm 001101111001100100111000$.&nbsp; Wie lautet die zugehörige Quellensymbolfolge?
{After coding with&nbsp; $\rm C3$,&nbsp; you get&nbsp; $\rm 001101111001100100111000$.&nbsp; What is the corresponding source symbol sequence?
|type="()"}
|type="()"}
- $\rm AACDBACABADAAA$ ...
- $\rm AACDBACABADAAA$ ...
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</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Die mittlere Codewortlänge ergibt sich allgemein zu
'''(1)'''&nbsp; The average code word length is generally given by
:$$L_{\rm M} = p_{\rm A} \cdot L_{\rm A} + p_{\rm B} \cdot L_{\rm B}+ p_{\rm C} \cdot L_{\rm C} + p_{\rm D} \cdot L_{\rm D}
:$$L_{\rm M} = p_{\rm A} \cdot L_{\rm A} + p_{\rm B} \cdot L_{\rm B}+ p_{\rm C} \cdot L_{\rm C} + p_{\rm D} \cdot L_{\rm D}\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.05cm}.$$
If the four source symbols are equally probable&nbsp; $($all probabilities exactly&nbsp; $1/4)$, then for this we can also write:
Sind die vier Quellensymbole gleichwahrscheinlich&nbsp; $($alle Wahrscheinlichkeiten genau $1/4)$, so kann dafür auch geschrieben werden:
:$$L_{\rm M} = 1/4 \cdot ( L_{\rm A} + L_{\rm B}+ L_{\rm C} + L_{\rm D})\hspace{0.05cm}.$$
:$$L_{\rm M} = 1/4 \cdot ( L_{\rm A} + L_{\rm B}+ L_{\rm C} + L_{\rm D})
* $\text{Code C1:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.00}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$,
\hspace{0.05cm}.$$
* $\text{Code C2:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.25}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
* $\text{Code C1:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.00}\ \rm bit/Quellensymbol$,
* $\text{Code C3:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.25}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$.
* $\text{Code C2:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.25}\ \rm bit/Quellensymbol$
* $\text{Code C3:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.25}\ \rm bit/Quellensymbol$.






'''(2)'''&nbsp; Mit der Codetabelle&nbsp; $\text{C1}$&nbsp; ergibt sich unabhängig von den Symbolwahrscheinlichkeiten stets die mittlere Codewortlänge&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2}\ \rm bit/Quellensymbol$.  
'''(2)'''&nbsp; With the code table&nbsp; $\text{C1}$&nbsp;, the average code word length&nbsp; $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$&nbsp; is always obtained, independent of the symbol probabilities.


Für die beiden anderen Codes erhält man:
For the other two codes one obtains:
* $\text{Code C2:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} = 1/2 \cdot 1 + 1/4 \cdot 2 + 1/8 \cdot 3 + 1/8 \cdot 3 \hspace{0.15cm}\underline{= 1.75}\ \rm bit/Quellensymbol$,
* $\text{Code C2:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} = 1/2 \cdot 1 + 1/4 \cdot 2 + 1/8 \cdot 3 + 1/8 \cdot 3 \hspace{0.15cm}\underline{= 1.75}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$,
* $\text{Code C3:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} = 1/2 \cdot 3 + 1/4 \cdot 2 + 1/8 \cdot 1 + 1/8 \cdot 3 \hspace{0.15cm}\underline{= 2.50}\ \rm bit/Quellensymbol$.
* $\text{Code C3:}$&nbsp;&nbsp;&nbsp; $L_{\rm M} = 1/2 \cdot 3 + 1/4 \cdot 2 + 1/8 \cdot 1 + 1/8 \cdot 3 \hspace{0.15cm}\underline{= 2.50}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$.




Man erkennt aus dem Beispiel das Prinzip:  
From the example you can see the principle:
*Wahrscheinliche Symbole werden durch wenige Binärsymbole dargestellt, unwahrscheinliche durch mehr.  
*Probable symbols are represented by a few binary symbols, improbable ones by more.
*Bei gleichwahrscheinlichen Symbolen wählt man am besten auch die Codewortlängen gleich.
*In the case of equally probable symbols, it is best to choose the same code word lengths.








'''(3)'''&nbsp; Richtig ist <u>Lösungsvorschlag 1</u>:  
'''(3)'''&nbsp; <u>Solution suggestion 1</u> is correct:  
*Der Code&nbsp; $\text{C1}$&nbsp; mit einheitlicher Länge aller Codeworte ist präfixfrei,  
*The code&nbsp; $\text{C1}$&nbsp; with uniform length of all code words is prefix-free,
*aber auch andere Codes können präfixfrei sein, zum Beispiel die Codes&nbsp;  $\text{C2}$&nbsp; und&nbsp;  $\text{C3}$.
*but other codes can also be prefix-free, for example the codes&nbsp;  $\text{C2}$&nbsp; and&nbsp;  $\text{C3}$.






'''(4)'''&nbsp; Richtig ist <u>Lösungsvorschlag 1</u>:  
'''(4)'''&nbsp; <u>Solution suggestion 1</u> is correct:  
*Bereits aus "00&rdquo; am Anfang erkennt man, dass der Code&nbsp; $\text{C2}$&nbsp; hier nicht in Frage kommt, da sonst die Quellensymbolfolge mit "AA&rdquo; beginnen müsste.  
*Already from&nbsp; "00"&nbsp; at the beginning one can see that the code&nbsp; $\text{C2}$&nbsp; is out of the question here, <br>because otherwise the source symbol sequence would have to begin with&nbsp; "AA".  
*Tatsächlich wurde der Code&nbsp; $\text{C1}$&nbsp; verwendet.
*In fact, the code&nbsp; $\text{C1}$&nbsp; was used.






'''(5)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
'''(5)'''&nbsp; <u>Solution suggestion 2</u> is correct.
*Der erste Lösungsvorschlag gibt dagegen die Quellensymbolfolge für den Code&nbsp; $\text{C2}$&nbsp; an, wenn die Codesymbolfolge&nbsp; $\rm 001101111001100100111000$&nbsp; lauten würde.
The first suggested solution gives the source symbol sequence for code&nbsp; $\text{C2}$&nbsp; if the encoded sequence would be &nbsp; "$\rm 001101111001100100111000$".
{{ML-Fuß}}
{{ML-Fuß}}






[[Category:Information Theory: Exercises|^2.1 Allgemeine Beschreibung^]]
[[Category:Information Theory: Exercises|^2.1 General Description^]]
[[de:Aufgaben:Aufgabe 2.2Z: Mittlere Codewortlänge]]

Latest revision as of 17:54, 16 March 2026

Three source coding tables

The aim of data compression is to represent the message of a source with as few binary characters as possible.

We consider here a discrete message source with the symbol set  $\rm \{ A, \ B, \ C, \ D\}$   ⇒   symbol set size  $M = 4$  and the symbol probabilities

  • $p_{\rm A} = p_{\rm B} = p_{\rm C} = p_{\rm D} = 1/4$  $($subtask  $1)$,
  • $p_{\rm A} = 1/2, \, p_{\rm B} = 1/4, \, p_{\rm C} = p_{\rm D} = 1/8$  $($subtask  $2$  to  $5)$.


It is assumed that there are no statistical Dependencies between the individual source symbols.

Three assignments are given. To be noted:

  • Each of these binary codes  $\rm C1$,  $\rm C2$  and  $\rm C3$  is designed for a specific source statistic.
  • All codes are prefix-free and thus immediately decodable without further specification.


A measure for the quality of a compression method is the average code word length  $L_{\rm M}$  with the additional unit  "bit/source symbol".





Hint:



Questions

1 Determine the average code word length  $L_{\rm M}$  for  $p_{\rm A} = p_{\rm B} = p_{\rm C} = p_{\rm D} = 1/4$.

$\text{C1:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $ $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C2:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $ $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C3:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $ $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$

2 Which values result for  $p_{\rm A} = 1/2, \, p_{\rm B} = 1/4, \, p_{\rm C} = p_{\rm D} = 1/8$?

$\text{C1:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $ $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C2:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $ $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
$\text{C3:}\ \ L_{\rm M} \ = \ $ $\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$

3 How can you recognise prefix-free codes?

No code word is the beginning of another code word.
All code words have the same length.

4 For the special source symbol sequence  $\rm ADBDCBCBADCA$ , the encoded sequence  $\rm 001101111001100100111000$  results.
Which code was used?

The code  $\rm C1$,
the code  $\rm C2$.

5 After coding with  $\rm C3$,  you get  $\rm 001101111001100100111000$.  What is the corresponding source symbol sequence?

$\rm AACDBACABADAAA$ ...
$\rm ACBCCCACAACCD$ ...


Solution

(1)  The average code word length is generally given by

$$L_{\rm M} = p_{\rm A} \cdot L_{\rm A} + p_{\rm B} \cdot L_{\rm B}+ p_{\rm C} \cdot L_{\rm C} + p_{\rm D} \cdot L_{\rm D}\hspace{0.05cm}.$$

If the four source symbols are equally probable  $($all probabilities exactly  $1/4)$, then for this we can also write:

$$L_{\rm M} = 1/4 \cdot ( L_{\rm A} + L_{\rm B}+ L_{\rm C} + L_{\rm D})\hspace{0.05cm}.$$
  • $\text{Code C1:}$    $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.00}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$,
  • $\text{Code C2:}$    $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.25}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$
  • $\text{Code C3:}$    $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2.25}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$.


(2)  With the code table  $\text{C1}$ , the average code word length  $L_{\rm M} \hspace{0.15cm}\underline{= 2}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$  is always obtained, independent of the symbol probabilities.

For the other two codes one obtains:

  • $\text{Code C2:}$    $L_{\rm M} = 1/2 \cdot 1 + 1/4 \cdot 2 + 1/8 \cdot 3 + 1/8 \cdot 3 \hspace{0.15cm}\underline{= 1.75}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$,
  • $\text{Code C3:}$    $L_{\rm M} = 1/2 \cdot 3 + 1/4 \cdot 2 + 1/8 \cdot 1 + 1/8 \cdot 3 \hspace{0.15cm}\underline{= 2.50}\ \rm bit/source\hspace{0.15cm} symbol$.


From the example you can see the principle:

  • Probable symbols are represented by a few binary symbols, improbable ones by more.
  • In the case of equally probable symbols, it is best to choose the same code word lengths.



(3)  Solution suggestion 1 is correct:

  • The code  $\text{C1}$  with uniform length of all code words is prefix-free,
  • but other codes can also be prefix-free, for example the codes  $\text{C2}$  and  $\text{C3}$.


(4)  Solution suggestion 1 is correct:

  • Already from  "00"  at the beginning one can see that the code  $\text{C2}$  is out of the question here,
    because otherwise the source symbol sequence would have to begin with  "AA".
  • In fact, the code  $\text{C1}$  was used.


(5)  Solution suggestion 2 is correct.

The first suggested solution gives the source symbol sequence for code  $\text{C2}$  if the encoded sequence would be   "$\rm 001101111001100100111000$".