[[File:P_ID1327__Dig_A_2_5.png|right|frame|WDF eines verrauschten Ternärsignals]]
[[File:P_ID1327__Dig_A_2_5.png|right|frame|Probability density function $\rm (PDF)$ of a noisy ternary signal]]
Betrachtet wird ein ternäres Übertragungssystem ($M = 3$) mit den möglichen Amplitudenwerten $–s_0$, $0$ und $+s_0$. Bei der Übertragung addiert sich dem Signal ein additives Gaußsches Rauschen mit dem Effektivwert $\sigma_d$. Die Rückgewinnung des dreistufigen Digitalsignals beim Empfängers geschieht mit Hilfe von zwei Entscheiderschwellen bei $E_{–}$ bzw. $E_{+}$.
A ternary transmission system $(M = 3)$ with the possible amplitude values $-s_0$, $0$ and $+s_0$ is considered.
*During transmission, additive Gaussian noise with rms value $\sigma_d$ is added to the signal.
Zunächst werden die Auftrittswahrscheinlichkeiten von den drei Eingangssymbolen als gleichwahrscheinlich angenommen
*The recovery of the three-level digital signal at the receiver is done with the help of two decision thresholds at $E_{–}$ and $E_{+}$.
Ab der Teilaufgabe (3) gelten für die Symbolwahrscheinlichkeiten $p_{–} = p_+ = 1/4$ und $p_0 = 1/2$, wie in der Grafik dargestellt. Für diese Konstellation soll durch Variation der Entscheiderschwellen $E_{–}$ und $E_+$ die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm S}$ minimiert werden.
*For the time being, the decision thresholds are centered at $E_{–} = \, –s_0/2$ and $E_{+} = +s_0/2$.
''Hinweise:''
*From subtask '''(3)''' on, the symbol probabilities are $p_{–} = p_+ = 1/4$ and $p_0 = 1/2$, as shown in the diagram.
* Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Redundanzfreie_Codierung| Redundanzfreie Codierung]].
* Für die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm S}$ eines $M$–stufigen Nachrichtenübertragungssystems mit gleichwahrscheinlichen Eingangssymbolen und Schwellenwerten genau in der Mitte zwischen zwei benachbarten Amplitudenstufen gilt:
* Die Fehlerwahrscheinlichkeitswerte gemäß der ${\rm Q}$– bzw. der ${\rm erfc}$–Funktion können Sie mit folgendem Interaktionsmodul numerisch ermitteln: [[Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]
* Verwenden Sie zur Überprüfung der Ergebnisse das Berechnungsmodul [[Symbolfehlerwahrscheinlichkeit von Digitalsystemen]]
* Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
*For this constellation, the symbol error probability $p_{\rm S}$ is to be minimized by varying the decision thresholds $E_{–}$ and $E_+$.
===Fragebogen===
Notes:
* The exercise refers to the chapter [[Digital_Signal_Transmission/Redundancy-Free_Coding|"Redundancy-Free Coding"]].
* For the symbol error probability $p_{\rm S}$ of a $M$–level transmission system
:*with equally probable input symbols
:*and threshold values exactly in the middle between two adjacent amplitude levels holds:
* You can numerically determine the error probability values according to our applet [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|"Complementary Gaussian Error Functions"]].
* To check your results, use our (German language) SWF applet [[Applets:Fehlerwahrscheinlichkeit|"Symbol error probability of digital communications systems"]].
===Questions===
<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem (normierten) Rauscheffektivwert $\sigma_d/s_0 = 0.25$ bei gleichwahrscheinlichen Symbolen?
{What symbol error probability results with the (normalized) noise rms value $\sigma_d/s_0 = 0.25$ for equally probable symbols?
'''(3)''' The two outer symbols are each falsified with probability $p = {\rm Q}(s_0/(2 \cdot \sigma_d)) = 0.1587$.
*The falsification probability of the symbol $0$ is twice as large (it is limited by two thresholds).
* Considering the individual symbol probabilities, we obtain:
:$$p_{\rm S} = {1}/{ 4}\cdot p + {1}/{ 2}\cdot 2p +{1}/{ 4}\cdot p = 1.5 \cdot p = 1.5 \cdot 0.1587\hspace{0.15cm}\underline {\approx23.8 \,\%}\hspace{0.05cm}.$$
'''(2)''' Bei doppeltem Rauscheffektivwert nimmt auch die Fehlerwahrscheinlichkeit signifikant zu:
'''(4)''' Since the symbol $0$ occurs more frequently and can also be falsified in both directions, the thresholds should be shifted outward.
*The optimal decision threshold $E_{\rm +, \ opt}$ is obtained from the intersection of the two Gaussian functions shown in the graph. It must hold:
\hspace{0.05cm}.$$
[[File:P_ID1328__Dig_A_2_5e.png|right|frame|Optimal thresholds for subtask '''(4)''']]
'''(3)''' Die beiden äußeren Symbole werden jeweils mit der Wahrscheinlichkeit $p = {\rm Q}(s_0/(2 \cdot \sigma_d)) = 0.1587$ verfälscht. Die Verfälschungswahrscheinlichkeit des Symbols „$0$” ist doppelt so groß (es wird durch zwei Schwellen begrenzt). Unter Berücksichtigung der einzelnen Symbolwahrscheinlichkeiten erhält man:
[[File:P_ID1329__Dig_A_2_5g.png|right|frame|Optimal thresholds for subtask '''(6)''']]
'''(4)''' Da das Symbol „$0$” häufiger auftritt und zudem in beiden Richtungen verfälscht werden kann, sollten die Schwellen nach außen verschoben werden. Die optimale Entscheiderschwelle $E_{\rm +, \ opt}$ ergibt sich aus dem Schnittpunkt der beiden in der Grafik gezeigten Gaußfunktionen. Es muss gelten:
'''(6)''' [[File:P_ID1329__Dig_A_2_5g.png|right|frame|Optimale Schwellen bei einem Ternärsystem]] Nach ähnlicher Rechnung wie unter Punkt (4) erhält man $E_+ = 1 \, –0.0673 \ \underline{= 0.327} \approx 1/3$. Es gilt weiterhin $E_{–} = \, –E_+$.
'''(7)''' Similar to the solution for subtask '''(5)''', we now obtain:
*Accordingly, there is a smaller symbol error probability $(17.4 \ \%$ versus $21.2 \ \%)$ than with equal probability amplitude coefficients.
'''(7)''' Ähnlich wie in der Musterlösung zur Teilaufgabe (5) erhält man nun:
*However, redundancy-free coding is no longer present, even if the amplitude coefficients are statistically independent of each other.
Es ergibt sich demnach eine kleinere Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ($17.4 \ \%$ gegenüber $21.2 \ \%$) als bei gleichwahrscheinlichen Amplitudenkoeffizienten. Allerdings liegt nun keine redundanzfreie Codierung mehr vor, auch wenn die Amplitudenkoefiizienten statistisch voneinander unabhängig sind. Während bei gleichwahrscheinlichen Ternärsymbolen die Entropie $H = {\rm log}_2(3) = 1.585 {\rm bit/Ternärsymbol}$ beträgt, woraus die äquivalente Bitrate (der Informationsfluss) $R_{\rm B} = H/T$ berechnet werden kann, gilt mit den Wahrscheinlichkeiten $p_0 = 0.2$ und $p_{–} = p_+ = 0.4$: