Difference between revisions of "Theory of Stochastic Signals/Generation of Discrete Random Variables"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Diskrete Zufallsgrößen
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|Untermenü=Discrete Random Variables
|Vorherige Seite=Poissonverteilung
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|Vorherige Seite=Poisson Distribution
 
|Nächste Seite=Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF)
 
|Nächste Seite=Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (WDF)
 
}}
 
}}
==Pseudozufallsgrößen==
+
==Pseudo-random variables==
Eine Möglichkeit zur Erzeugung einer binären Zufallsfolge $〈z_{\rm ν}〉 ∈ \{0, 1\}$ mit guten statistischen Eigenschaften bieten die so genannten Pseudozufallsgeneratoren, auch bekannt unter dem Namen '''PN-Generatoren''', wobei „PN” für ''Pseudonoise'' steht. Diese besitzen folgende Eigenschaften:
+
<br>
*Die durch einen solchen Generator erzeugte Binärfolge ist im strengen Sinne nicht stochastisch, sondern weist periodische und damit deterministische Eigenschaften auf. 
+
One way to generate a binary random sequence&nbsp; $〈z_{\rm ν}〉 ∈ \{0, 1\}$&nbsp; with good statistical properties is offered by the so-called&nbsp; &raquo;'''pseudo-random generators'''&laquo;,&nbsp; also known as&nbsp; &raquo;'''PN generators'''&laquo;,&nbsp; where&nbsp; &raquo;PN&laquo;&nbsp; stands for&nbsp; &raquo;pseudo-noise&laquo;.  
*Ist die Periodenlänge $P$ jedoch hinreichend groß, so erscheint die Folge für einen Betrachter als zufällig mit für viele Anwendungsfälle hinreichend guten statistischen Eigenschaften.
 
*Der Vorteil eines Pseudozufallsgenerators gegenüber einer „echten” stochastischen Quelle ist, dass die Zufallsfolge bei Kenntnis einiger weniger Parameter reproduzierbar ist.  
 
  
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These have the following properties:
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#The binary sequence generated by such a generator is not stochastic in a strict sense,&nbsp; but exhibits periodic and thus deterministic properties. 
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#If the period length&nbsp; $P$&nbsp; is sufficiently large,&nbsp; the sequence appears to an observer as random with sufficiently good statistical properties for many applications.
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#The advantage of a pseudo-random generator over a&nbsp; real&nbsp; stochastic source is that the random sequence is reproducible if a few parameters are known.
  
{{Beispiel}}
 
Aus der zuletzt genannten Eigenschaft heraus ergeben sich auch die wichtigsten Anwendungen der Pseudonoise-Generatoren:
 
*zum einen die ''Fehlerhäufigkeitsmessung'' bei der Digitalsignalübertragung,
 
*zum zweiten zur Bandspreizung bei CDMA (''Code Division Multiple Access'').
 
  
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 1:}$&nbsp; The latter property also gives rise to the main applications of pseudo-noise generators,
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# the&nbsp; &raquo;error rate measurement&laquo;&nbsp; in digital signal transmission,
 +
# for&nbsp; &raquo;band spreading&laquo;&nbsp; in CDMA&nbsp; $($Code Division Multiple Access$)$.
  
Bei einem solchen ''Spread Spectrum System'' wird das Sendesignal mit einer binären Zufallsfolge moduliert, deren Symbolfolgefrequenz deutlich größer als die Bitfrequenz ist. Dadurch bietet sich die Möglichkeit der Mehrfachausnutzung von Kanälen. Da am Empfänger die gleiche Folge phasenrichtig zugesetzt werden muss, ist auch hier der Einsatz von reproduzierbaren PN-Sequenzen üblich.
 
  
Ausführliche Informationen zu den Bandspreizverfahren finden Sie im Kapitel [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS|UMTS – Universal Mobile Telecommunications System]] des Buches &bdquo;Beispiele von Nachrichtensystemen&rdquo; .
+
In such a&nbsp; &raquo;Spread Spectrum System&laquo;&nbsp; the transmitted signal is modulated with a binary random sequence,&nbsp; whose symbol repetition frequency is significantly higher than the bit frequency.&nbsp; This offers the possibility of multiple channel utilization.&nbsp; Since the same sequence must be added in phase at the receiver,&nbsp; the use of reproducible pseudo-noise sequences is also common here.  
{{end}}
 
  
==Realisierung von PN-Generatoren==
+
Detailed information on bandspreading methods can be found in the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_UMTS|&raquo;UMTS - Universal Mobile Telecommunications System&laquo;]]&nbsp; of the book&nbsp; &raquo;Examples of Communication Systems&laquo;.}}
Pseudozufallsgeneratoren werden meist durch rückgekoppelte Schieberegister realisiert, wobei zu jedem Taktzeitpunkt der Inhalt des Registers um eine Stelle nach rechts geschoben wird (siehe Grafik). Für das aktuell erzeugte Symbol gilt mit $g_l ∈ \{0, 1\}$ und $l = 1$, ... , $L–1$:
 
$$z_\nu = (g_1\cdot z_{\nu-1}+g_2\cdot z_{\nu-2}+...+g_l\cdot z_{\nu-l}+...+g_{L-1}\cdot z_{\nu-L+1}+ z_{\nu-L})\hspace{0.1cm} \rm mod \hspace{0.2cm}2.$$
 
  
*Die zu vorherigen Zeitpunkten generierten Binärwerte $z_{ν–1}$ bis $z_{ν–L}$ sind in den Speicherzellen des Schieberegisters abgelegt.
 
*Die Koeffizienten $g_1$, ... , $g_{L–1}$ sind ebenfalls Binärwerte, wobei eine $1$ eine Rückkopplung an der entsprechenden Stelle kennzeichnet und eine $0$ keine Rückführung.
 
*Die Modulo-2-Addition kann zum Beispiel durch eine XOR-Verknüpfung realisiert werden:
 
:$$(x + y)\hspace{0.1cm} \rm mod\hspace{0.1cm}2 = \it x\hspace{0.1cm}\rm XOR\hspace{0.1cm} \it y = \left\{\begin{array}{*{2}{c}} \rm 0 & \rm falls\hspace{0.1cm} \it x= y,\\ 1 & \rm falls\hspace{0.1cm} \it x\neq y. \\ \end{array} \right.$$
 
*Die statistischen Eigenschaften der erzeugten Zufallsfolge werden im Wesentlichen durch den '''Grad''' $L$ und die '''Rückführungskoeffizienten''' $g_l$ (mit $l = 1$, ... , $L–1$) bestimmt.
 
  
Voraussetzung für die Entstehung einer PN-Folge ist, dass nicht alle Speicherelemente mit Nullen vorbelegt sind, da sonst die Modulo-2-Addition immer nur das Symbol $0$ erzeugen würde.
+
==Realization of PN generators==
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<br>
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Pseudo-random generators are usually realized by &raquo;feedback shift registers&laquo;,&nbsp; where at each clock instant the content of the register is shifted one place to the right&nbsp; $($see diagram$)$.&nbsp; For the currently generated symbol,&nbsp; with&nbsp; $g_l ∈ \{0, 1\}$&nbsp; and&nbsp; $l = 1$, ... , $L-1$:
 +
:$$z_\nu = (g_1\cdot z_{\nu-1}+g_2\cdot z_{\nu-2}+\hspace{0.1cm}\text{...}\hspace{0.1cm}+g_l\cdot z_{\nu-l}+\hspace{0.1cm}\text{...}\hspace{0.1cm}+g_{L-1}\cdot z_{\nu-L+1}+ z_{\nu-L})\hspace{0.1cm} \rm mod \hspace{0.2cm}2.$$
  
[[File:P_ID34__Sto_T_2_5_S2_neu.png | Pseudo-Noise-Generator]]
+
#The binary values&nbsp; $z_{ν-1}$&nbsp; to&nbsp; $z_{ν-L}$&nbsp; generated at previous time points are stored in the memory cells of the shift register.
 +
#The coefficients&nbsp; $g_1$, ... ,&nbsp; $g_{L-1}$&nbsp; are also binary values,&nbsp; where&nbsp; $1$&nbsp; indicates a feedback at the corresponding location and&nbsp; $0$&nbsp; indicates no feedback.
 +
#Modulo-2 addition can be implemented,&nbsp; for example,&nbsp; using an XOR operation:
 +
[[File:EN_Sto_T_2_5_S2.png |right|frame| Pseudo-noise generator]]
 +
:$$(x + y)\hspace{0.15cm} \rm mod\hspace{0.15cm}2 = \it x\hspace{0.15cm}\rm XOR\hspace{0.15cm} \it y = \left\{\begin{array}{*{2}{c}} \rm 0 & \rm if\hspace{0.15cm} \it x= y,\\ 1 & \rm if\hspace{0.15cm} \it x\neq y. \\ \end{array} \right.$$
  
Zur Kennzeichnung unterschiedlicher PN-Generatoren verwendet man in der Literatur alternativ:
+
The statistical properties of the generated pseudo-noise random sequence&nbsp; $〈z_{\rm ν}$&nbsp; are essentially determined by
*die sogenannten '''Generatorpolynome''' von der Art
+
*the&nbsp; &raquo;'''degree'''&laquo;&nbsp; $L$,&nbsp; and
:$$G(D) = g_L\cdot D^L+g_{L-1}\cdot D^{L-1}+...+g_1\cdot D+g_0 .$$
 
:Hierbei ist stets $g_0 = g_L = 1$ zu setzen und $D$ ein formaler Parameter, der eine Verzögerung um einen Takt angibt. $D^L$ kennzeichnet dann eine Verzögerung um $L$ Takte.
 
*die '''Oktaldarstellung''' der Binärzahl $(g_L\  ... g_2 \ g_1 \ g_0).$ Wichtig ist, dass hierbei die Rückkopplungskoeffizienten – von rechts mit $g_0$ beginnend – zu Tripeln zusammengefasst und diese oktal (0 ... 7) geschrieben werden.
 
  
 +
*the&nbsp; &raquo;'''feedback coefficients'''&laquo;&nbsp; $g_{\hspace{0.05cm}l}$&nbsp; $($with&nbsp; $l = 1$, ... , $L-1)$.
  
{{Beispiel}}
 
Das Generatorpolynom $D^4 + D^3 + 1$ gehört zu einem Schieberegister vom Grad $L = 4$ mit folgender Oktaldarstellung
 
$$(g_4 \ g_3 \ g_2 \ g_1 \ g_0) = (11001)_{\rm bin} = (31)_{\rm oct}. $$
 
{{end}}
 
  
==Folgen maximaler Länge (M-Sequenzen)==
+
A prerequisite for the generation of a pseudo-noise sequence is that not all memory elements are preallocated with zeros,&nbsp; otherwise the modulo-2 addition would always generate the symbol&nbsp; $0$.  
Sind nicht alle $L$ Speicherzellen des Schieberegisters mit Nullen vorbelegt, so entsteht stets eine periodische Zufallsfolge $〈z_ν\rangle$. Die Periodenlänge $P$ dieser Folge hängt im starken Maße von den Rückkopplungskoeffizienten ab. Für jeden Grad $L$ gibt es zumindest eine Konfiguration mit der '''maximalen Periodenlänge'''
 
$$P_{\rm max} = \rm 2^{\it L}-\rm 1.$$
 
Eine solche PN-Folge bezeichnet man auch oft als '''M-Sequenz''', wobei das „M” für „Maximal“ steht. Eine M-Sequenz kann man daran erkennen, dass das Generatorpolynom $G(D)$ primitiv ist. Wie im Buch [[Kanalcodierung]]  noch ausführlich dargelegt werden wird, bezeichnet man ein Polynom $G(D)$ vom Grad $L$ dann als primitiv, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
 
$$\frac{(D^n+\rm 1)}{\it G(D)} \neq 0\hspace{0.5cm} {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.5cm}\it n<P_{\rm max} \rm = \rm 2^{\it L}-\rm 1.$$
 
  
{{Beispiel}}
+
To identify different pseudo-noise generators one uses in the literature alternatively:
Ein Schieberegister vom Grad $L = 4$ mit Oktalkennung $(31)$ und Generatorpolynom $G(D) = D^4 + D^3 + 1$ führt zu einer Folge maximaler Länge: $P_{\rm max} = 2^4 – 1 = 15.$ Der mathematische Nachweis hierfür ist aufwändig:  
+
*The&nbsp; &raquo;'''generator polynomial'''&laquo;&nbsp; 
*Man muss anhand obiger Polynomdivision für $n = 1$, ... , $14$ zeigen, dass der Quotient stets ungleich $0$ ist. Erst die Division $(D^{15} + 1)/G(D)$ darf ein Ergebnis ohne Rest liefern.  
+
:$$G(D) = g_L\cdot D^L+g_{L-1}\cdot D^{L-1}+ \ \text{...} \ +g_1\cdot D+g_0 .$$
*Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in der Modulo-2-Algebra $+1$ und $–1$ identisch sind.  
+
:Here,&nbsp;  $g_0 = g_L = 1$&nbsp; is always to be set;&nbsp; $D$&nbsp; is a formal parameter indicating a delay by one clock&nbsp; $(D^L$&nbsp; indicates a delay by&nbsp; $L$&nbsp; clocks$)$.
 +
 +
*The&nbsp; &raquo;'''octal representation'''&laquo;&nbsp; of the binary number&nbsp; $(g_L\ \text{ ...} \ g_2 \ g_1 \ g_0)$.&nbsp; <br>It is important that the feedback coefficients &ndash; starting from the right with&nbsp; $g_0$&nbsp; &ndash; are combined into triples and these are written octal&nbsp; $(0 \ \text{...}\ 7)$.
  
{{end}}
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
The generator polynomial&nbsp; $D^4 + D^3 + 1$&nbsp; belongs to a shift register of degree&nbsp; $L = 4$&nbsp; with the following octal representation.
 +
:$$(g_4 \ g_3 \ g_2 \ g_1 \ g_0) = (11\hspace{0.05cm} 001)_{\rm bin} = (31)_{\rm oct}. $$}}
  
[[File: P_ID35__Sto_T_2_5_S5.png|center|Zusammenstellung einiger günstiger Generatorpolynome]]
+
==Sequences of maximum length (M-sequences)==
 +
<br>
 +
If not all&nbsp; $L$&nbsp; memory cells of the shift register are preallocated with zeros,&nbsp; a periodic random sequence&nbsp; $〈z_ν\rangle$ always results:
 +
[[File:EN_Sto_T_2_5_S5_neu.png|right|frame|Composition of some favorable generator polynomials]]  
 +
*The period length&nbsp; $P$&nbsp; of the pseudo-noise sequence depends to a strong degree on the feedback coefficients.
 +
*For each degree&nbsp; $L$&nbsp; there is at least one configuration with&nbsp; &raquo;'''maximum period length'''&laquo;
 +
:$$P_{\rm max} = \rm 2^{\it L}-\rm 1.$$
 +
*Such a pseudo-noise sequence is also often referred to as&nbsp; &raquo;'''M-sequence'''&laquo;,&nbsp; where the&nbsp; &raquo;$\rm M$&laquo;&nbsp; stands for&nbsp; &raquo;maximum&laquo;.
 +
<br><br>
 +
The table lists pseudo-noise generators of maximum length up to degree&nbsp; $L = 31$.
  
 +
<u>Note:</u>
 +
#The selection is limited to configurations with only one tap&nbsp; $($two returns$)$.
 +
#This means that the associated polynomials consist of only three summands.
 +
#For applications that require high speed, such generators are very useful.
 +
<br clear=all>
 +
{{BlueBox|TEXT= 
 +
$\text{For now without proof:}$&nbsp;
 +
 +
$(1)$&nbsp; An&nbsp; &raquo;'''M-sequence'''&laquo;&nbsp; can be recognized by the fact that the generator polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; is&nbsp; &raquo;'''primitive'''&laquo;.&nbsp;
  
In der Tabelle sind einige PN-Generatoren maximaler Länge bis zum Grad $L = 31$ aufgeführt. Die Auswahl ist auf Konfigurationen mit nur einer Anzapfung – also mit zwei Rückführungen – beschränkt. Das bedeutet, dass die zugehörigen Polynome jeweils aus drei Summanden bestehen. Für Applikationen, die eine hohe Geschwindigkeit erfordern, sind solche Generatoren sehr nützlich.  
+
$(2)$&nbsp; As detailed in the book&nbsp; [[Channel_Coding|&raquo;Channel Coding&laquo;]],&nbsp; a polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; of degree&nbsp; $L$&nbsp; is called&nbsp; &raquo;primitive&laquo; if the following condition is satisfied:
 +
::$${\rm For}\hspace{0.2cm}\it n<P_{\rm max} \rm = \rm 2^{\it L}-\rm 1\text{:}\hspace{0.5cm}\frac{D^n+ 1}{G(D)} \neq 0. $$}}
 +
<br clear=all>
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp; A shift register of degree&nbsp; $L = 4$&nbsp; with octal identifier&nbsp; $(31)$&nbsp; and generator polynomial&nbsp; $G(D) = D^4 + D^3 + 1$&nbsp; leads to a sequence of maximum length:
 +
:$$P_{\rm max} = 2^4 - 1 = 15.$$
 +
The mathematical proof for this equation is rathercomplex:
 +
#Using the above polynomial division for&nbsp; $n = 1$, &nbsp;...&nbsp; , $14$&nbsp; one must show that the quotient is always non&ndash;zero.  
 +
#First the division&nbsp; $(D^{15} + 1)/G(D)$&nbsp; may give a result without remainder.
 +
#Here it is to be considered that in the modulo-2 algebra&nbsp; $+1$&nbsp; and&nbsp; $-1$&nbsp; are identical. }}
  
==Reziproke Polynome==
+
==Reciprocal polynomials==
{{Definition}}
+
<br>
Das zum Generatorpolynom $G(D)$ gehörige '''reziproke Polynom''' lautet:  
+
{{BlueBox|TEXT= 
$$G_{\rm R}(D)=D^{L}\cdot G(D^{-1}).$$
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
{{end}}
+
The&nbsp; &raquo;'''reciprocal polynomial'''&laquo;&nbsp; associated with the generator polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; is:  
 +
:$$G_{\rm R}(D)=D^{L}\cdot G(D^{-1}).$$}}
  
  
Zwischen den beiden Schiebregistern mit den Polynomen $G(D)$ bzw. $G_{\rm R}(D)$ bestehen folgende Zusammenhänge:  
+
There are the following relations between the two shift registers with polynomials&nbsp; $G(D)$&nbsp; resp.&nbsp; $G_{\rm R}(D)$:  
*Liefert $G(D)$ eine Folge maximaler Länge  $P_{\rm max} = 2^L 1$, so ist auch die Periodenlänge des reziproken Polynoms $G_{\rm R}(D)$ maximal.  
+
#If&nbsp; $G(D)$&nbsp; provides a sequence of maximum length &nbsp; &nbsp; $P_{\rm max} = 2^L - 1$,&nbsp; then the period length of the reciprocal polynomial&nbsp; $G_{\rm R}(D)$&nbsp; is also maximum.  
*Die Ausgangsfolgen reziproker Konfigurationen sind zueinander invers: Die Folge von $G(D)$ – von rechts nach links gelesen – ergibt die Folge der reziproken Anordnung $G_{\rm R}(D)$.  
+
#The output sequences of reciprocal configurations are&nbsp; &raquo;inverses of each other&laquo;. &nbsp; That is:<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; The sequence of&nbsp; $G(D)$ &ndash; read from right to left &ndash; gives the sequence of the reciprocal configuration&nbsp; $G_{\rm R}(D)$.  
  
  
In der [[Stochastische_Signaltheorie/Erzeugung_von_diskreten_Zufallsgrößen#Folgen_maximaler_L.C3.A4nge_.28M-Sequenzen.29|Tabelle  im vorherigen Abschnitt]] sind in der dreiten Spalte die zu $G(D)$ zugehörigen reziproken Polynome $G_{\rm R}(D)$ bis zum Registergrad $L = 31$ angegeben.  
+
In the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Generation_of_Discrete_Random_Variables#Sequences_of_maximum_length_.28M-sequences.29 |$\text{table above}$]]&nbsp; the reciprocal polynomials&nbsp; $G_{\rm R}(D)$&nbsp; associated to&nbsp; $G(D)$&nbsp; are given in the third column up to register degree&nbsp; $L = 31$&nbsp;.  
  
{{Beispiel}}
+
{{GraueBox|TEXT= 
Betrachten wir wieder den Grad $L = 4$. Ausgehend von der Schieberegisterstruktur $(31)_{\rm oct}$ erhält man für das reziproke Polynom
+
$\text{Example 4:}$&nbsp;
$$G_{\rm R}(\it D) \rm = D^{\rm 4}\cdot (\rm 1+\it D^{\rm -3} \rm + D^{\rm -4})=D^{\rm 4}+D^{\rm 1}+\rm 1$$
+
We consider again a pseudo-noise generator with degree&nbsp; $L = 4$&nbsp; and shift register structure&nbsp; $(31)_{\rm oct}$&nbsp;:
 +
:$$G(D) = 1+D^{3} + D^{4}.$$
  
und damit die Konfiguration mit der Oktalkennung (23). Die entsprechenden Ausgangsfolgen
+
* For the reciprocal polynomial we obtain the configuration with the octal identifier&nbsp; $(23)$:
* ... $0 \ 0 \ 0 \ 1 0 \ 0 \ 1 \ 1 \ 0 \ 1 \ 0 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1$ ...  
+
:$$G_{\rm R}(D) = D^{\rm 4}\cdot (1+D^{-3} + D^{ -4})=D^{ 4}+D^{1}+\rm 1.$$
* ... $0 \ 1 \ 0 \ 1 \ 1 \ 0 \ 0 \ 1 \ 0 \ 0 \ 0 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1$ ...  
+
 +
*The corresponding output sequences each have the maximum period length&nbsp; $P_{\rm max} = 15$&nbsp; and are inverses of each other:
 +
:* ... $0 \ 0 \ 0 \ 1 \ 0 \ 0 \ 1 \ 1 \ 0 \ 1 \ 0 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1$ ...  
 +
:* ... $0 \ 1 \ 0 \ 1 \ 1 \ 0 \ 0 \ 1 \ 0 \ 0 \ 0 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1$ ...  
  
 +
*This means that the upper initial sequence of&nbsp; $(31)$,&nbsp; read from right to left,&nbsp; yields the sequence of reciprocal order&nbsp; $(23)$&nbsp; given below.
  
haben jeweils die maximale Periodenlänge $P_{\rm max} = 15$ und sind zueinander invers. Das bedeutet, dass die Ausgangsfolge von $(31)$, von rechts nach links gelesen, die Folge der reziproken Anordnung $(23)$ ergibt. Zu erkennen ist allerdings eine zyklische Phasenverschiebung um vier Binärstellen.  
+
*However,&nbsp; a cyclic phase shift of four binary digits can be seen. }}
{{end}}
 
  
  
Die in diesem Abschnitt behandelte Thematik ist in einem Lernvideo zusammengefasst:
+
==Generation of multi-level random variables==
 +
<br>
 +
Many high-level programming languages provide pseudo-random generators that return real random numbers&nbsp; $x$&nbsp; equally distributed between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $1$.&nbsp;  For example,&nbsp; a corresponding C&ndash;function call is:  
  
[[Verdeutlichung der PN-Generatoren am Beispiel ''L'' = 4]] 
+
:$$x = \text{random()}.$$
  
==Erzeugung mehrstufiger Zufallsgrößen==
+
By successively calling this&nbsp; random function,&nbsp; a periodically repeating sequence of real numbers is created,&nbsp; where all values&nbsp; $0 \le x < 1$&nbsp; are equally likely <br>(see chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Uniformly_Distributed_Random_Variables|&raquo;Uniformly Distributed Random Variables&raquo;$)$]].
Viele höhere Programmiersprachen bieten Pseudo-Zufallsgeneratoren an, die reelle, zwischen $0$ und $1$ gleichverteilte Zufallszahlen $x$ liefern. Beispielsweise lautet ein entsprechender C-Funktionsaufruf:
+
#However,&nbsp; since the period&nbsp; $P$&nbsp; is very large,&nbsp; this sequence can be considered as&nbsp; &raquo;pseudo-random&laquo;.  
 +
#By specifying a starting value,&nbsp; the pseudo-random sequence is started at certain points.
  
:'''x = random()'''
 
  
Durch sukzessives Aufrufen der &bdquo;Random-Funktion&rdquo; entsteht eine periodisch sich wiederholende Folge reeller Zahlen – vgl. Kapitel [[Stochastische_Signaltheorie/Gleichverteilte_Zufallsgröße|Gleichverteilte Zufallsgröße]].  Da die Periodendauer $P$ jedoch sehr groß ist, kann diese Folge als ''pseudozufällig'' angesehen werden. Durch Angabe eines Startwertes wird an bestimmten Stellen der Pseudozufallsfolge begonnen.  
+
When generating a discrete-value multilevel random variable&nbsp; $z$&nbsp; it is convenient to assume such a uniformly distributed random variable&nbsp; $x$.
  
Bei der Generierung einer diskreten mehrstufigen Zufallsgröße $z$ wird zweckmäßigerweise von einer solchen gleichverteilten Zufallsgröße $x$ ausgegangen.
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 5:}$&nbsp;
 +
The graphic shows the principle for the special case&nbsp; $M = 3$ &nbsp; &rArr; &nbsp; ternary random sequence&nbsp; $〈z_{\rm ν}〉$&nbsp; with&nbsp; $z_{\rm ν} ∈ \{0,\ 1,\ 2\}$.&nbsp;
 +
[[File:P_ID457__Sto_T_2_5_S6neu.png|right|frame|For generating multi-level  random variables]]
 +
*Assumed is the between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $1$&nbsp; uniformly distributed random variable&nbsp; $x$.
 +
 +
*The desired probabilities are designated as follows:
 +
:$$p_0 = {\rm Pr}(z_{\rm ν} =0),\hspace{0.5cm} p_1 = {\rm Pr}(z_{\rm ν} =1),\hspace{0.5cm} p_2 = {\rm Pr}(z_{\rm ν} =2). $$
  
{{Beispiel}}
+
Then holds:
Die nachfolgende Grafik zeigt das Prinzip für den Sonderfall $M = 3$, wobei die gewünschten Auftrittswahrscheinlichkeiten mit $p_0$, $p_1$ und $p_2$ bezeichnet sind. Dann gilt:
+
#If the current&nbsp; $x_{\rm ν} <p_0$,&nbsp; then the ternary random variable is set to&nbsp; $z_{\rm ν} = 0$.
 +
#In the range&nbsp; $p_0 ≤ x_{\rm ν} < p_0 + p_1$&nbsp; the output is&nbsp; $z_{\rm ν} = 1$&nbsp;.
 +
#For&nbsp; $x_{\rm ν} \ge p_0 + p_1$&nbsp; the ternary random variable becomes&nbsp; $z_{\rm ν} =2$.  
  
*Ist der aktuelle Wert $x$ der zwischen 0 und 1 gleichverteilten Zufallsgröße kleiner als $p_0$, so wird die ternäre Zufallsgröße $z =$ 0 gesetzt.
 
*Im Bereich $p_0 ≤ x < p_0 + p_1$ wird $z = 1$ gesetzt.
 
*Für $x > p_0 + p_1$ wird die Zufallsgröße zu $z =2$.
 
  
[[File:P_ID457__Sto_T_2_5_S6neu.png|center|Zur Erzeugung mehrstufiger Zufallsgrößen]]
+
In the listed C&ndash;program,
 +
*we get for&nbsp; $M = 3$&nbsp; and for the current random value&nbsp; $x = 0.57$&nbsp;
  
 +
*the product&nbsp; $x · M = 0.57 · 3 = 1.71$&nbsp; and thus the ternary random variable&nbsp; $z = 1$.
  
Im aufgeführten C-Programm ergibt sich für $M = 3$ und für den aktuellen Zufallswert $x = 0.57$ für das Produkt $x · M = 0.57 · 3 = 1.71$ und somit die diskrete Zufallsgröße $z = 1$. Für einen zweiten Zufallswert $x = 0.95$ würde die Funktion dagegen das Ergebnis $z = 2$ liefern.  
+
*For an other random value&nbsp; $x = 0.95$&nbsp; on the other hand,&nbsp; the function would return the result&nbsp; $z = 2$.  
  
Aus Darstellungsgründen wurde hier eine etwas umständliche Programmierung gewählt. Der oben angegebene C-Programmteil könnte auch sehr viel kompakter geschrieben werden:
 
:'''{ float random(); return((long) (random()*M)); }'''
 
{{end}}
 
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
For reasons of comprehension,&nbsp; a cumbersome programming was chosen here.&nbsp; The given C&ndash;program part could also be written more compactly:
  
[[Aufgaben:2.6 PN-Generator der Länge 5|Aufgabe 2.6: &nbsp; PN-Generator der Länge 5]]
+
:$$\text{\{ float random(); return((long) (random()*M)); \} }$$}}
  
[[2.6Z PN-Generator der Länge 3|Aufgabe 2.6Z: &nbsp; PN-Generator der Länge 3]]
 
  
[[Aufgaben:2.7 C-Programme z1 und z2|Aufgabe 2.7: &nbsp; C-Programme z1 und z2]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.6:_PN_Generator_of_Length_5|Exercise 2.6: PN Generator of Length 5]]
  
[[Aufgaben:2.7Z_C-Programm z3|Zusatzaufgabe 2.7Z: &nbsp; C-Programm z3]]
+
[[Exercise_2.6Z:_PN_Generator_of_Length_3|Exercise 2.6Z: PN Generator of Length 3]]
 +
 
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.7:_C_Programs_"z1"_and_"z2"|Exercise 2.7: C Programs "z1" and "z2"]]
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[[Aufgaben:Exercise_2.7Z:_C_Program_"z3"|Exercise 2.7Z: C Program "z3"]]
  
  
  
 
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Latest revision as of 18:39, 8 February 2024

Pseudo-random variables


One way to generate a binary random sequence  $〈z_{\rm ν}〉 ∈ \{0, 1\}$  with good statistical properties is offered by the so-called  »pseudo-random generators«,  also known as  »PN generators«,  where  »PN«  stands for  »pseudo-noise«.

These have the following properties:

  1. The binary sequence generated by such a generator is not stochastic in a strict sense,  but exhibits periodic and thus deterministic properties.
  2. If the period length  $P$  is sufficiently large,  the sequence appears to an observer as random with sufficiently good statistical properties for many applications.
  3. The advantage of a pseudo-random generator over a  real  stochastic source is that the random sequence is reproducible if a few parameters are known.


$\text{Example 1:}$  The latter property also gives rise to the main applications of pseudo-noise generators,

  1. the  »error rate measurement«  in digital signal transmission,
  2. for  »band spreading«  in CDMA  $($Code Division Multiple Access$)$.


In such a  »Spread Spectrum System«  the transmitted signal is modulated with a binary random sequence,  whose symbol repetition frequency is significantly higher than the bit frequency.  This offers the possibility of multiple channel utilization.  Since the same sequence must be added in phase at the receiver,  the use of reproducible pseudo-noise sequences is also common here.

Detailed information on bandspreading methods can be found in the chapter  »UMTS - Universal Mobile Telecommunications System«  of the book  »Examples of Communication Systems«.


Realization of PN generators


Pseudo-random generators are usually realized by »feedback shift registers«,  where at each clock instant the content of the register is shifted one place to the right  $($see diagram$)$.  For the currently generated symbol,  with  $g_l ∈ \{0, 1\}$  and  $l = 1$, ... , $L-1$:

$$z_\nu = (g_1\cdot z_{\nu-1}+g_2\cdot z_{\nu-2}+\hspace{0.1cm}\text{...}\hspace{0.1cm}+g_l\cdot z_{\nu-l}+\hspace{0.1cm}\text{...}\hspace{0.1cm}+g_{L-1}\cdot z_{\nu-L+1}+ z_{\nu-L})\hspace{0.1cm} \rm mod \hspace{0.2cm}2.$$
  1. The binary values  $z_{ν-1}$  to  $z_{ν-L}$  generated at previous time points are stored in the memory cells of the shift register.
  2. The coefficients  $g_1$, ... ,  $g_{L-1}$  are also binary values,  where  $1$  indicates a feedback at the corresponding location and  $0$  indicates no feedback.
  3. Modulo-2 addition can be implemented,  for example,  using an XOR operation:
Pseudo-noise generator
$$(x + y)\hspace{0.15cm} \rm mod\hspace{0.15cm}2 = \it x\hspace{0.15cm}\rm XOR\hspace{0.15cm} \it y = \left\{\begin{array}{*{2}{c}} \rm 0 & \rm if\hspace{0.15cm} \it x= y,\\ 1 & \rm if\hspace{0.15cm} \it x\neq y. \\ \end{array} \right.$$

The statistical properties of the generated pseudo-noise random sequence  $〈z_{\rm ν}〉$  are essentially determined by

  • the  »degree«  $L$,  and
  • the  »feedback coefficients«  $g_{\hspace{0.05cm}l}$  $($with  $l = 1$, ... , $L-1)$.


A prerequisite for the generation of a pseudo-noise sequence is that not all memory elements are preallocated with zeros,  otherwise the modulo-2 addition would always generate the symbol  $0$.

To identify different pseudo-noise generators one uses in the literature alternatively:

  • The  »generator polynomial« 
$$G(D) = g_L\cdot D^L+g_{L-1}\cdot D^{L-1}+ \ \text{...} \ +g_1\cdot D+g_0 .$$
Here,  $g_0 = g_L = 1$  is always to be set;  $D$  is a formal parameter indicating a delay by one clock  $(D^L$  indicates a delay by  $L$  clocks$)$.
  • The  »octal representation«  of the binary number  $(g_L\ \text{ ...} \ g_2 \ g_1 \ g_0)$. 
    It is important that the feedback coefficients – starting from the right with  $g_0$  – are combined into triples and these are written octal  $(0 \ \text{...}\ 7)$.


$\text{Example 2:}$  The generator polynomial  $D^4 + D^3 + 1$  belongs to a shift register of degree  $L = 4$  with the following octal representation.

$$(g_4 \ g_3 \ g_2 \ g_1 \ g_0) = (11\hspace{0.05cm} 001)_{\rm bin} = (31)_{\rm oct}. $$

Sequences of maximum length (M-sequences)


If not all  $L$  memory cells of the shift register are preallocated with zeros,  a periodic random sequence  $〈z_ν\rangle$ always results:

Composition of some favorable generator polynomials
  • The period length  $P$  of the pseudo-noise sequence depends to a strong degree on the feedback coefficients.
  • For each degree  $L$  there is at least one configuration with  »maximum period length«
$$P_{\rm max} = \rm 2^{\it L}-\rm 1.$$
  • Such a pseudo-noise sequence is also often referred to as  »M-sequence«,  where the  »$\rm M$«  stands for  »maximum«.



The table lists pseudo-noise generators of maximum length up to degree  $L = 31$.

Note:

  1. The selection is limited to configurations with only one tap  $($two returns$)$.
  2. This means that the associated polynomials consist of only three summands.
  3. For applications that require high speed, such generators are very useful.


$\text{For now without proof:}$ 

$(1)$  An  »M-sequence«  can be recognized by the fact that the generator polynomial  $G(D)$  is  »primitive«. 

$(2)$  As detailed in the book  »Channel Coding«,  a polynomial  $G(D)$  of degree  $L$  is called  »primitive« if the following condition is satisfied:

$${\rm For}\hspace{0.2cm}\it n<P_{\rm max} \rm = \rm 2^{\it L}-\rm 1\text{:}\hspace{0.5cm}\frac{D^n+ 1}{G(D)} \neq 0. $$


$\text{Example 3:}$  A shift register of degree  $L = 4$  with octal identifier  $(31)$  and generator polynomial  $G(D) = D^4 + D^3 + 1$  leads to a sequence of maximum length:

$$P_{\rm max} = 2^4 - 1 = 15.$$

The mathematical proof for this equation is rathercomplex:

  1. Using the above polynomial division for  $n = 1$,  ...  , $14$  one must show that the quotient is always non–zero.
  2. First the division  $(D^{15} + 1)/G(D)$  may give a result without remainder.
  3. Here it is to be considered that in the modulo-2 algebra  $+1$  and  $-1$  are identical.

Reciprocal polynomials


$\text{Definition:}$  The  »reciprocal polynomial«  associated with the generator polynomial  $G(D)$  is:

$$G_{\rm R}(D)=D^{L}\cdot G(D^{-1}).$$


There are the following relations between the two shift registers with polynomials  $G(D)$  resp.  $G_{\rm R}(D)$:

  1. If  $G(D)$  provides a sequence of maximum length   ⇒   $P_{\rm max} = 2^L - 1$,  then the period length of the reciprocal polynomial  $G_{\rm R}(D)$  is also maximum.
  2. The output sequences of reciprocal configurations are  »inverses of each other«.   That is:
          The sequence of  $G(D)$ – read from right to left – gives the sequence of the reciprocal configuration  $G_{\rm R}(D)$.


In the  $\text{table above}$  the reciprocal polynomials  $G_{\rm R}(D)$  associated to  $G(D)$  are given in the third column up to register degree  $L = 31$ .

$\text{Example 4:}$  We consider again a pseudo-noise generator with degree  $L = 4$  and shift register structure  $(31)_{\rm oct}$ :

$$G(D) = 1+D^{3} + D^{4}.$$
  • For the reciprocal polynomial we obtain the configuration with the octal identifier  $(23)$:
$$G_{\rm R}(D) = D^{\rm 4}\cdot (1+D^{-3} + D^{ -4})=D^{ 4}+D^{1}+\rm 1.$$
  • The corresponding output sequences each have the maximum period length  $P_{\rm max} = 15$  and are inverses of each other:
  • ... $0 \ 0 \ 0 \ 1 \ 0 \ 0 \ 1 \ 1 \ 0 \ 1 \ 0 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1$ ...
  • ... $0 \ 1 \ 0 \ 1 \ 1 \ 0 \ 0 \ 1 \ 0 \ 0 \ 0 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1$ ...
  • This means that the upper initial sequence of  $(31)$,  read from right to left,  yields the sequence of reciprocal order  $(23)$  given below.
  • However,  a cyclic phase shift of four binary digits can be seen.


Generation of multi-level random variables


Many high-level programming languages provide pseudo-random generators that return real random numbers  $x$  equally distributed between  $0$  and  $1$.  For example,  a corresponding C–function call is:

$$x = \text{random()}.$$

By successively calling this  random function,  a periodically repeating sequence of real numbers is created,  where all values  $0 \le x < 1$  are equally likely
(see chapter  »Uniformly Distributed Random Variables»$)$.

  1. However,  since the period  $P$  is very large,  this sequence can be considered as  »pseudo-random«.
  2. By specifying a starting value,  the pseudo-random sequence is started at certain points.


When generating a discrete-value multilevel random variable  $z$  it is convenient to assume such a uniformly distributed random variable  $x$.

$\text{Example 5:}$  The graphic shows the principle for the special case  $M = 3$   ⇒   ternary random sequence  $〈z_{\rm ν}〉$  with  $z_{\rm ν} ∈ \{0,\ 1,\ 2\}$. 

For generating multi-level random variables
  • Assumed is the between  $0$  and  $1$  uniformly distributed random variable  $x$.
  • The desired probabilities are designated as follows:
$$p_0 = {\rm Pr}(z_{\rm ν} =0),\hspace{0.5cm} p_1 = {\rm Pr}(z_{\rm ν} =1),\hspace{0.5cm} p_2 = {\rm Pr}(z_{\rm ν} =2). $$

Then holds:

  1. If the current  $x_{\rm ν} <p_0$,  then the ternary random variable is set to  $z_{\rm ν} = 0$.
  2. In the range  $p_0 ≤ x_{\rm ν} < p_0 + p_1$  the output is  $z_{\rm ν} = 1$ .
  3. For  $x_{\rm ν} \ge p_0 + p_1$  the ternary random variable becomes  $z_{\rm ν} =2$.


In the listed C–program,

  • we get for  $M = 3$  and for the current random value  $x = 0.57$ 
  • the product  $x · M = 0.57 · 3 = 1.71$  and thus the ternary random variable  $z = 1$.
  • For an other random value  $x = 0.95$  on the other hand,  the function would return the result  $z = 2$.


For reasons of comprehension,  a cumbersome programming was chosen here.  The given C–program part could also be written more compactly:

$$\text{\{ float random(); return((long) (random()*M)); \} }$$


Exercises for the chapter


Exercise 2.6: PN Generator of Length 5

Exercise 2.6Z: PN Generator of Length 3

Exercise 2.7: C Programs "z1" and "z2"

Exercise 2.7Z: C Program "z3"