Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.6: Modified MS43 Code"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Blockweise Codierung mit 4B3T-Codes
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{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Block_Coding_with_4B3T_Codes
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1340__Dig_A_2_6.png|right|frame|Codetabelle des MMS43-Codes]]
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[[File:EN_Bei_Z_1_4.png|right|frame|Code table of the MMS43 code ]]
Bei der ISDN–Datenübertragung wird in Deutschland und Belgien auf der so genannten $\rm {U_{KO}}$–Schnittstelle, die den Übertragungsweg zwischen Vermittlungsstelle und Wohnung beschreibt, der MMS43–Code ''(Modified Monitored Sum 4B3T)'' eingesetzt. Hierbei handelt es sich um einen 4B3T–Code mit vier Codetabellen, die gemäß der laufenden digitalen Summe (nach $l$–Blöcken)
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For ISDN data transmission,  the  '''MMS43 code'''  ("'''M'''odified '''M'''onitored '''S'''um '''4'''B'''3'''T")  is used in Germany and Belgium on the so-called  $\rm {U_{K0}}$ interface,  which describes the transmission path between the exchange and home.  This is a 4B3T code with four code tables,  which are used for coding according to the running digital sum  (after  $l$ blocks):
:$${\it \Sigma}_l = \sum_{\nu = 1}^{3 \hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.05cm} l}\hspace{0.02cm} a_\nu$$
+
:$${\it \Sigma}_l = \sum_{\nu = 1}^{3 \hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.05cm} l}\hspace{0.02cm} a_\nu.$$
zur Codierung herangezogen werden. Zur Initialisierung wird $\Sigma_{0} = 0$ verwendet.
+
 ${\it \Sigma}_{0} = 0$  is used for initialization.
*Ändert sich die laufende digitale Summe nicht  $(\Sigma_{l+1} = \Sigma_{l})$, so ist ein Feld grau hinterlegt.
 
*Eine Zunahme $(\Sigma_{l+1} > \Sigma_{l})$ ist rot hinterlegt, eine Abnahme  $(\Sigma_{l+1} < \Sigma_{l})$ blau.
 
*Je intensiver die Farbgebung, um so größer ist die Änderung.
 
  
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The colorings in the table mean:
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*If the running digital sum does not change &nbsp;$({\it \Sigma}_{l+1} = {\it \Sigma}_{l})$,&nbsp; a field is grayed out.
  
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*An increase &nbsp;$({\it \Sigma}_{l+1} > {\it \Sigma}_{l})$&nbsp; is highlighted in red,&nbsp; a decrease &nbsp;$({\it \Sigma}_{l+1} < {\it \Sigma}_{l})$&nbsp; in blue.
  
''Hinweise:''
+
*The more intense the coloring,&nbsp; the larger the change.
*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]] .
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
  
  
''Hinweis:''
 
*Diese Aufgabe bezieht sich auf  [[Digitalsignalübertragung/Blockweise_Codierung_mit_4B3T-Codes|Blockweise Codierung mit 4B3T-Codes]]. Die Binärsymbole werden in diesem Lerntutorial mit '''L''' („Low”) und '''H''' („High”) bezeichnet. Häufig findet man in der Literatur auch die Binärsymbole '''L''' und '''0''' (statt '''H'''). Manchmal entspricht aber auch '''L''' unserem '''H''' und '''0''' dem '''L'''.
 
  
*Damit eine solche Verwirrung vermieden wird und die „0” nicht in beiden Alphabeten (binär und ternär) – dazu noch mit unterschiedlicher Bedeutung – auftritt, wurde in ''LNTwww'' die zugegebenerweise etwas gewöhnungsbedürftige Nomenklatur verwendet. Wir sind uns durchaus bewusst, dass auch unsere Nomenklatur manche Leser verwirren wird.
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Notes:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Digital_Signal_Transmission/Block_Coding_with_4B3T_Codes|"Block Coding with 4B3T Codes"]].
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*The binary symbols are denoted by&nbsp; $\rm L$&nbsp; ("Low")&nbsp; and&nbsp; $\rm H$&nbsp; ("High")&nbsp; in this learning tutorial.&nbsp; Often you can find the binary symbols&nbsp; $\rm L$&nbsp; and&nbsp; $\rm 0$&nbsp; $($instead of&nbsp; $\rm H)$&nbsp; in the literature.&nbsp; Sometimes,&nbsp; however,&nbsp;  $\rm L$&nbsp; corresponds to our&nbsp; $\rm H$&nbsp; and&nbsp; $\rm 0$&nbsp; to &nbsp; $\rm L$.
  
*Sie können die Ergebnisse mit dem Interaktionsmodul [[Prinzip der 4B3T–Codierung]] überprüfen.
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*To avoid such confusion and to prevent the&nbsp; $\rm 0$&nbsp; from appearing in both alphabets&nbsp; (binary and ternary)&nbsp; - in addition with different meanings - we have used the nomenclature which admittedly takes some getting used to.&nbsp; We are well aware that our nomenclature will also confuse some readers.
===Fragebogen===
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*You can check the results with the&nbsp; (German language)&nbsp; SWF applet &nbsp;[[Applets:4B3T-Codes|"Principle of 4B3T coding"]].&nbsp;
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Warum wird bei ISDN statt des redundanzfreien Binärcodes ein 4B3T–Code verwendet?
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{Why is a 4B3T code used for ISDN instead of the redundancy-free binary code?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- 4B3T ist immer besser als der redundanzfreie Binärcode.
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- 4B3T is always better than the redundancy-free binary code.
+ Das Sendesignal sollte wegen $H_{\rm K}(0) = 0$ gleichsignalfrei sein.
+
+ The transmitted signal should be DC signal free because of &nbsp;$H_{\rm K}(f=0) = 0$.&nbsp;
+Kleinere Schrittgeschwindigkeit erlaubt größere Kabellänge.
+
+ A smaller baud rate allows longer cable length.
  
{Codieren Sie die binäre Folge „HHLL LHLL LHHL HLHL” (mit $\Sigma_{0} = 0$). Wie lautet der Amplitudenkoeffizient des dritten Ternärsymbols des vierten Blocks?
+
{Code the binary sequence &nbsp;$\rm HHLL\hspace{0.08cm} LHLL\hspace{0.08cm} LHHL\hspace{0.08cm} HLHL$&nbsp; $($with &nbsp;${\it \Sigma}_{0} = 0)$&nbsp;. <br>What is the amplitude coefficient of the third ternary symbol of the fourth block?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$a_{12} \ = \ $  { -1.03--0.97 }
 
$a_{12} \ = \ $  { -1.03--0.97 }
  
  
{Ermitteln Sie das Markovdiagramm für den Übergang von $\Sigma_{l}$ auf $\Sigma_{l+1}$. Welche Übergangswahrscheinlichkeiten ergeben sich?
+
{Determine the Markov diagram for the transition from &nbsp;${\it \Sigma}_{l}$&nbsp; to &nbsp;${\it \Sigma}_{l+1}$.&nbsp; What are the transition probabilities?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$ {\Pr}(\Sigma_{l+1} = 0 | \Sigma_{l} = 0) \ = \ $ { 0.375 3% }
+
$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) \ = \ $ { 0.375 3% }
$ {\Pr}(\Sigma_{l+1} = 2 | \Sigma_{l} = 0) \ = \ $ { 0.1875 3% }
+
$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 2\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) \ = \ $ { 0.1875 3% }
$ {\Pr}(\Sigma_{l+1} = 0 | \Sigma_{l} = 2) \ = \ $ { 0 3% }
+
$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 2) \ = \ $ { 0 3% }
  
{Welche Eigenschaften folgen aus dem Markovdiagramm?
+
{What properties follow from the Markov diagram?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Gleiche Wahrscheinlichkeiten: Pr($\Sigma_{l} = 0$) = ... = Pr($\Sigma_{l} = 3$).
+
- Equal probabilities: &nbsp; ${\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 0) = \text{...} = {\rm Pr}(\Sigma_{l} = 3)$.
+ Es gilt Pr($\Sigma_{l} = 0$) = Pr($\Sigma_{l} = 3$) und Pr($\Sigma_{l} = 1$) = Pr($\Sigma_{l} =2$).
+
+ &nbsp; ${\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 0) = {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 3)$ &nbsp; and &nbsp; ${\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 1) = {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 2)$&nbsp; are valid.
+ Die Extremwerte ($0$ bzw. $3$) treten seltener auf als $1$ oder $2$.
+
+ The extreme values &nbsp;$({\it \Sigma}_{l} = 0$&nbsp; and&nbsp;  ${\it \Sigma}_{l} = 3)$&nbsp; occur less frequently than the inner values &nbsp;$({\it \Sigma}_{l} = 1$&nbsp;  and &nbsp;${\it \Sigma}_{l} = 2)$.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Die erste Aussage trifft nicht zu: Beispielsweise ergibt sich beim AWGN–Kanal (''Additives Weißes Gaußsches Rauschen'') mit einem 4B3T–Code im Vergleich zum redundanzfreien Binärcode eine deutlich größere Fehlerwahrscheinlichkeit aufgrund der ternären Entscheidung. Der wesentliche Grund für die Verwendung eines redundanten Übertragungscodes ist vielmehr, dass über einen „Telefonkanal” kein Gleichsignalanteil übertragen werden kann.
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Statements 2 and 3</u>&nbsp;  are correct:
 
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*The first statement,&nbsp; on the other hand,&nbsp; is not true:&nbsp; For example,&nbsp; the AWGN ("Additive White Gaussian Noise")&nbsp; channel with a 4B3T code results in a much larger symbol error probability due to the ternary decision compared to the redundancy-free binary code.&nbsp;
Die um $25 \%$ kleinere Schrittgeschwindigkeit $(1/T)$ des 4B3T–Codes gegenüber dem redundanzfreien Binärcode kommt ebenfalls den Übertragungseigenschaften von symmetrischen Kupferleitungen (starker Dämpfungsanstieg mit der Frequenz) entgegen. Bei gegebener Leitungsdämpfung lässt sich mit dem 4B3T–Code eine größere Länge überbrücken als mit einem redundanzfreien Binärsignal. Richtig sind also die <u>Aussagen 2 und 3</u>.
+
   
 
+
*The essential reason for the use of a redundant transmission code is rather that no DC signal component can be transmitted via a&nbsp; "telephone channel".
'''(2)'''&nbsp;  Die 4B3T–Codierung ergibt mit dem Initialwert $\Sigma_{0} = 0$:
 
 
 
'''HHLL''' $\Rightarrow + + + (\Sigma_{1} = 3)$,\\
 
  
'''LHLL''' $\Rightarrow – + 0 (\Sigma_{2} = 3)$,
+
*The&nbsp; $25 \%$&nbsp; smaller baud rate&nbsp; $(1/T)$&nbsp; of the 4B3T code compared to the redundancy-free binary code also accommodates the transmission characteristics of symmetrical copper lines&nbsp; (strong increase in attenuation with frequency).&nbsp;
 +
 +
*For a given line attenuation,&nbsp; a greater length can be bridged with the 4B3T code than with a redundancy-free binary signal.
  
'''LHHL''' $\Rightarrow – – + (\Sigma_{3} = 2)$,
 
  
'''HLHL''' $\Rightarrow + – – (\Sigma_{4} = 1)$.
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[[File:P_ID1341__Dig_A_2_6c.png|right|frame|Markov diagram for the MMS43 code]]
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'''(2)'''&nbsp;  The 4B3T coding results with the initial value ${\it\Sigma}_{0} = 0$:
  
Der gesuchte Amplitudenkoeffizient ist somit $a_{12} = \underline{–1}$.
+
*$\rm HHLL$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $+ + + \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{1} = 3)$,
 +
*$\rm LHLL$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $– + 0 \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{2} = 3)$,
 +
*$\rm LHHL$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $– – + \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{3} = 2)$,
 +
*$\rm HLHL$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $+ – – \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{4} = 1)$.
  
'''(3)'''&nbsp; Aus der Farbgebung der vorgegebenen Codetabelle kann das folgende Markovdiagramm ermittelt werden. Daraus kann man die gesuchten Übergangswahrscheinlichkeiten ablesen:
+
Thus,&nbsp; the amplitude coefficient we are looking for is&nbsp; $a_{12} \ \underline{= -\hspace{-0.05cm}1}$.
[[File:P_ID1341__Dig_A_2_6c.png|right|frame|Markovdiagramm für den MMS43-Code]]
 
${\Pr}(\Sigma_{l+1} = 0 | \Sigma_{l} = 0) = 6/16 = 0.375,$
 
$ {\Pr}(\Sigma_{l+1} = 2 | \Sigma_{l} = 0)= 3/16 = 0.1875,$
 
$ {\Pr}(\Sigma_{l+1} = 0 | \Sigma_{l} = 2) = 0.$
 
  
  
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'''(3)'''&nbsp; From the coloring of the code table,&nbsp; the Markov diagram can be obtained.&nbsp;
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*From it,&nbsp; one can read the transition probabilities we are looking for:
  
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:$$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) = 6/16 \ \underline{= 0.375},$$
 +
:$$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 2\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) = 0)= 3/16 \ \underline{= 0.1875},$$
 +
:$$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 2)  \ \underline{= 0}.$$
  
  
 +
'''(4)'''&nbsp; <u>Statements 2 and 3</u>&nbsp; are correct:
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*Statement 1 is false,&nbsp; recognizable by the asymmetries in the Markov diagram.
  
 
+
*On the other hand,&nbsp; there are symmetries with respect to the states&nbsp; "$0$"&nbsp; and&nbsp; "$3$"&nbsp; as well as between&nbsp; "$1$"&nbsp; and&nbsp; "$2$".
 
+
 
+
*In the following calculation,&nbsp; instead of&nbsp; $ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 0)$&nbsp; we write $ {\rm Pr}(0)$&nbsp; in a simplified way.
 
+
 
+
*Taking advantage of the property&nbsp; ${\Pr}(3) = {\Pr}(0)$&nbsp; and&nbsp; ${\Pr}(2) = {\Pr}(1)$,&nbsp; we obtain from the Markov diagram:
 
 
'''(4)'''&nbsp; Die erste Aussage ist falsch, was man an den Asymmetrien im Markovdiagramm erkennt. Dagegen gibt es Symmetrien bezüglich der Zustände „$0$” und „$3$” sowie zwischen „$1$” und „$2$. In der folgenden Berechnung schreiben wir anstelle von ${\Pr}(\Sigma_{l} = 0$ vereinfachend ${\Pr}(0)$. Unter Ausnutzung der Eigenschaft ${\Pr}(3) = {\Pr}(0)$ und ${\Pr}(2) = {\Pr}(1)$ ergeben sich aus dem Markovdiagramm folgende Gleichungen:
 
 
:$${\rm Pr}(0)= {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) +{4}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+ {1}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.15cm} \Rightarrow \hspace{0.15cm}{9}/{16} \cdot {\rm Pr}(0)= {4}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)$$
 
:$${\rm Pr}(0)= {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) +{4}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+ {1}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.15cm} \Rightarrow \hspace{0.15cm}{9}/{16} \cdot {\rm Pr}(0)= {4}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)$$
Aus der weiteren Bedingung ${\Pr}(0) + {\Pr}(1) = 1/2$ folgt weiter:
+
*From the further condition&nbsp; ${\Pr}(0) + {\Pr}(1) = 1/2$&nbsp; it follows further:
 
:$${\rm Pr}(0)= {\rm Pr}(3)= {9}/{26}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm Pr}(1)= {\rm Pr}(2)= {4}/{26}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Pr}(0)= {\rm Pr}(3)= {9}/{26}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm Pr}(1)= {\rm Pr}(2)= {4}/{26}\hspace{0.05cm}.$$
Diese Berechnung basiert auf der „Summe der ankommenden Pfeile im Zustand $0$. Man könnte auch Gleichungen für die drei anderen Zustände angeben, die aber alle zum gleichen Ergebnis führen:
+
:This calculation is based on the&nbsp; "sum of incoming arrows in state&nbsp; $0$".  
 +
 
 +
One could also give equations for the other three states,&nbsp; but they all give the same result:
 
:$${\rm Pr}(1)  = \ {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) + {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+ {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{3}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm},$$
 
:$${\rm Pr}(1)  = \ {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) + {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+ {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{3}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ {\rm Pr}(2) = \ {3}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) +{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm},$$  
 
:$$ {\rm Pr}(2) = \ {3}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) +{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm},$$  
 
:$${\rm Pr}(3) = \ {1}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) + {4}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Pr}(3) = \ {1}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) + {4}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm}.$$
Richtig sind also die <u>Aussagen 2 und 3</u>.
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[[Category:Aufgaben zu Digitalsignalübertragung|^2.3 Blockweise 4B3T-Codierung^]]
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[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^2.3 Blockwise 4B3T Coding^]]

Latest revision as of 16:56, 24 October 2022


Code table of the MMS43 code

For ISDN data transmission,  the  MMS43 code  ("Modified Monitored Sum 4B3T")  is used in Germany and Belgium on the so-called  $\rm {U_{K0}}$ interface,  which describes the transmission path between the exchange and home.  This is a 4B3T code with four code tables,  which are used for coding according to the running digital sum  (after  $l$ blocks):

$${\it \Sigma}_l = \sum_{\nu = 1}^{3 \hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.05cm} l}\hspace{0.02cm} a_\nu.$$

 ${\it \Sigma}_{0} = 0$  is used for initialization.

The colorings in the table mean:

  • If the running digital sum does not change  $({\it \Sigma}_{l+1} = {\it \Sigma}_{l})$,  a field is grayed out.
  • An increase  $({\it \Sigma}_{l+1} > {\it \Sigma}_{l})$  is highlighted in red,  a decrease  $({\it \Sigma}_{l+1} < {\it \Sigma}_{l})$  in blue.
  • The more intense the coloring,  the larger the change.


Notes:

  • The binary symbols are denoted by  $\rm L$  ("Low")  and  $\rm H$  ("High")  in this learning tutorial.  Often you can find the binary symbols  $\rm L$  and  $\rm 0$  $($instead of  $\rm H)$  in the literature.  Sometimes,  however,  $\rm L$  corresponds to our  $\rm H$  and  $\rm 0$  to   $\rm L$.
  • To avoid such confusion and to prevent the  $\rm 0$  from appearing in both alphabets  (binary and ternary)  - in addition with different meanings - we have used the nomenclature which admittedly takes some getting used to.  We are well aware that our nomenclature will also confuse some readers.


Questions

1

Why is a 4B3T code used for ISDN instead of the redundancy-free binary code?

4B3T is always better than the redundancy-free binary code.
The transmitted signal should be DC signal free because of  $H_{\rm K}(f=0) = 0$. 
A smaller baud rate allows longer cable length.

2

Code the binary sequence  $\rm HHLL\hspace{0.08cm} LHLL\hspace{0.08cm} LHHL\hspace{0.08cm} HLHL$  $($with  ${\it \Sigma}_{0} = 0)$ .
What is the amplitude coefficient of the third ternary symbol of the fourth block?

$a_{12} \ = \ $

3

Determine the Markov diagram for the transition from  ${\it \Sigma}_{l}$  to  ${\it \Sigma}_{l+1}$.  What are the transition probabilities?

$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) \ = \ $

$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 2\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) \ = \ $

$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 2) \ = \ $

4

What properties follow from the Markov diagram?

Equal probabilities:   ${\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 0) = \text{...} = {\rm Pr}(\Sigma_{l} = 3)$.
  ${\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 0) = {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 3)$   and   ${\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 1) = {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 2)$  are valid.
The extreme values  $({\it \Sigma}_{l} = 0$  and  ${\it \Sigma}_{l} = 3)$  occur less frequently than the inner values  $({\it \Sigma}_{l} = 1$  and  ${\it \Sigma}_{l} = 2)$.


Solution

(1)  Statements 2 and 3  are correct:

  • The first statement,  on the other hand,  is not true:  For example,  the AWGN ("Additive White Gaussian Noise")  channel with a 4B3T code results in a much larger symbol error probability due to the ternary decision compared to the redundancy-free binary code. 
  • The essential reason for the use of a redundant transmission code is rather that no DC signal component can be transmitted via a  "telephone channel".
  • The  $25 \%$  smaller baud rate  $(1/T)$  of the 4B3T code compared to the redundancy-free binary code also accommodates the transmission characteristics of symmetrical copper lines  (strong increase in attenuation with frequency). 
  • For a given line attenuation,  a greater length can be bridged with the 4B3T code than with a redundancy-free binary signal.


Markov diagram for the MMS43 code

(2)  The 4B3T coding results with the initial value ${\it\Sigma}_{0} = 0$:

  • $\rm HHLL$   ⇒   $+ + + \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{1} = 3)$,
  • $\rm LHLL$   ⇒   $– + 0 \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{2} = 3)$,
  • $\rm LHHL$   ⇒   $– – + \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{3} = 2)$,
  • $\rm HLHL$   ⇒   $+ – – \hspace{0.2cm}({\it\Sigma}_{4} = 1)$.

Thus,  the amplitude coefficient we are looking for is  $a_{12} \ \underline{= -\hspace{-0.05cm}1}$.


(3)  From the coloring of the code table,  the Markov diagram can be obtained. 

  • From it,  one can read the transition probabilities we are looking for:
$$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) = 6/16 \ \underline{= 0.375},$$
$$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 2\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 0) = 0)= 3/16 \ \underline{= 0.1875},$$
$$ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l+1} = 0\hspace{0.05cm} |\hspace{0.05cm}{\it \Sigma}_{l} = 2) \ \underline{= 0}.$$


(4)  Statements 2 and 3  are correct:

  • Statement 1 is false,  recognizable by the asymmetries in the Markov diagram.
  • On the other hand,  there are symmetries with respect to the states  "$0$"  and  "$3$"  as well as between  "$1$"  and  "$2$".
  • In the following calculation,  instead of  $ {\rm Pr}({\it \Sigma}_{l} = 0)$  we write $ {\rm Pr}(0)$  in a simplified way.
  • Taking advantage of the property  ${\Pr}(3) = {\Pr}(0)$  and  ${\Pr}(2) = {\Pr}(1)$,  we obtain from the Markov diagram:
$${\rm Pr}(0)= {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) +{4}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+ {1}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.15cm} \Rightarrow \hspace{0.15cm}{9}/{16} \cdot {\rm Pr}(0)= {4}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)$$
  • From the further condition  ${\Pr}(0) + {\Pr}(1) = 1/2$  it follows further:
$${\rm Pr}(0)= {\rm Pr}(3)= {9}/{26}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm Pr}(1)= {\rm Pr}(2)= {4}/{26}\hspace{0.05cm}.$$
This calculation is based on the  "sum of incoming arrows in state  $0$".

One could also give equations for the other three states,  but they all give the same result:

$${\rm Pr}(1) = \ {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) + {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+ {6}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{3}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm},$$
$$ {\rm Pr}(2) = \ {3}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) +{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(1)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm},$$
$${\rm Pr}(3) = \ {1}/{16} \cdot {\rm Pr}(0) + {4}/{16} \cdot {\rm Pr}(2)+{6}/{16} \cdot {\rm Pr}(3)\hspace{0.05cm}.$$