Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.09: Basics of the Viterbi Algorithm"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Decodierung von Faltungscodes}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Decoding_of_Convolutional_Codes}}
  
[[File:P_ID2659__KC_A_3_8.png|right|frame|Zu analysierendes Trellis]]
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[[File:P_ID2659__KC_A_3_8.png|right|frame|Trellis to be analyzed]]
Die Grafik zeigt ein Trellisdiagramm und definiert gleichzeitig die Fehlergrößen ${\it \Gamma}_i(S_0)$ und ${\it \Gamma}_i(S_1)$ zu den Zeitpunkten $i = 0$ bis $i = 5$. Aus diesem Trellis können zum Beispiel abgelesen werden:
+
The graph shows a trellis diagram and simultaneously defines the cumulative error values  $($"metrics"$)$   ${\it \Gamma}_i(S_0)$  and  ${\it \Gamma}_i(S_1)$  at times  $i = 0$  to  $i = 5$.  
* die Coderate $R$,
 
* das Gedächtnis $m$,
 
* die freie Distanz $d_{\rm F}$,
 
* die Informationssequenzlänge $L$,
 
* die Sequenzlänge $L'$ inklusive der Terminierung.
 
  
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From this trellis can be read,  for example:
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* the code rate  $R$,
  
In der Aufgabe ist weiter zu klären:
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* the memory  $m$,
* die Bedeutung des Endwertes ${\it \Gamma}_5(S_0)$,
 
* Auswirkungen von einem bzw. zwei Übertragungsfehlern.
 
  
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* the free distance  $d_{\rm F}$,
  
''Hinweise:''
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* the information sequence length  $L$,
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Kanalcodierung/Decodierung_von_Faltungscodes| Decodierung von Faltungscodes]].
 
* Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
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* the sequence length  $L\hspace{0.05cm}'$  including the termination.
  
  
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In the exercise it is further necessary to clarify:
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* the meaning of the final error value  ${\it \Gamma}_5(S_0)$,
  
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* effects of one and two transmission errors,  respectively.
  
===Fragebogen===
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<u>Hint:</u>&nbsp; This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Decoding_of_Convolutional_Codes| "Decoding of Convolutional Codes"]].
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===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der folgenden Aussagen werden durch das Trellis bestätigt?
+
{Which of the following statements are confirmed by the trellis?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es handelt sich um einen Rate&ndash;1/2&ndash;Faltungscode.
+
+ It is a rate-1/2 convolutional code.
- Das Gedächtnis des Codes ist $m = 2$.
+
- The memory of the code is&nbsp; $m = 2$.
+ Der Faltungscode ist terminiert.
+
+ The convolutional code is terminated.
- Die Länge der Informationssequenz ist $L = 5$.
+
- The length of the information sequence is&nbsp; $L = 5$.
  
{Geben Sie die freie Distanz $d_{\rm F}$ des Faltungscodes an.
+
{Specify the free distance&nbsp; $d_{\rm F}$&nbsp; of the convolutional code.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$d_{\rm F} \ = \ ${ 3 3% }  
 
$d_{\rm F} \ = \ ${ 3 3% }  
  
{Welche Aussagen erlaubt der Endwert ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$ der Fehlergröße?
+
{What statements does the final value&nbsp; ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$&nbsp; of the metric allow?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es ist kein Übertragungsfehler aufgetreten.
+
- No transmission error has occurred.
- Das Decodierergebnis $\underline{\upsilon}$ ist mit Sicherheit richtig (gleich $\underline{u}$).
+
- The decoding result &nbsp; $\underline{v}$ &nbsp; is certainly correct&nbsp; $($equal&nbsp; $\underline{u})$.
+ Das Decodierergebnis minimiert die Wahrscheinlichkeit ${\rm Pr}(\underline{\upsilon} &ne; \underline{u}$).
+
+ The decoding result minimizes the probability &nbsp; ${\rm Pr}(\underline{v} &ne; \underline{u})$.
  
{Welche Aussagen treffen <u>bei einem einzigen</u> Übertragungsfehler zu?
+
{Which statements are true&nbsp; <u>in the case of a single</u>&nbsp; transmission error?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Fehlergrößenendwert ist ${\it \Gamma}_5(S_0) = 1$.
+
+ The final metric is&nbsp; ${\it \Gamma}_5(S_0) = 1$.
+ Das Decodierergebnis $\underline{\upsilon}$ ist mit Sicherheit richtig (gleich $\underline{u}$).
+
+ The decoding result&nbsp; $\underline{v}$&nbsp; is certainly correct&nbsp; $($equal&nbsp; $\underline{u})$.
+ Das Decodierergebnis minimiert die Wahrscheinlichkeit ${\rm Pr}(\underline{\upsilon} &ne; \underline{u}$).
+
+ The decoding result minimizes the probability &nbsp; ${\rm Pr}(\underline{v} &ne; \underline{u})$.
  
{Welche Aussagen treffen <u>bei zwei</u> Übertragungsfehlern zu?
+
{Which statements are true&nbsp; <u>in the case of two</u>&nbsp; transmission errors?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Der Fehlergrößenendwert ist ${\it \Gamma}_5(S_0) = 2$.
+
- The final metric is&nbsp; ${\it \Gamma}_5(S_0) = 2$.
- Das Decodierergebnis $\underline{\upsilon}$ ist mit Sicherheit richtig (gleich $\underline{u}$).
+
- The decoding result&nbsp; $\underline{v}$&nbsp; is certainly correct&nbsp; $($equal&nbsp; $\underline{u})$.
- Das Decodierergebnis $\underline{\upsilon}$ ist mit Sicherheit falsch (ungleich $\underline{u}$).
+
- The decoding result&nbsp; $\underline{v}$&nbsp; is certainly false&nbsp; $($unequal&nbsp; $\underline{u})$.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>. Es gibt hier $2^{k \cdot m} = 2$ Zustände. Daraus folgt $k = 1$ und $m = 1$. Pro Codierschritt werden $n = 2$ Codebits ausgegeben &nbsp;&#8658;&nbsp; $R = 1/2$. Die Informationssequenzlänge ist $L = 4$. Erst durch ein (da $m = 1$) zusätzliches Terminierungsbit kommt man zur Gesamtlänge $L' = 5$.
+
'''(1)'''&nbsp; Correct are the&nbsp; <u>solutions 1 and 3</u>:
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*There are &nbsp; $2^{k \cdot m} = 2$ &nbsp; states here.&nbsp; It follows that&nbsp; $k = 1$&nbsp; and&nbsp; $m = 1$.
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 +
*Per coding step,&nbsp; $n = 2$&nbsp; code bits are output &nbsp; &#8658; &nbsp; $R = 1/2$.
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 +
*The information sequence length is&nbsp; $L = 4$.
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 +
*Only by one&nbsp; $($since&nbsp; $m = 1)$&nbsp; additional termination bit one arrives at the total length&nbsp; $L' = 5$.
  
  
'''(2)'''&nbsp; Die freie Distanz $d_{\rm F}$ ist definiert als die Anzahl der Codebits, in denen sich zwei Sequenzen $\underline{x}$ und $\underline{x'}$ unterscheiden. Als Bezugssequenz wählen wir die Nullsequenz:
+
 
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'''(2)'''&nbsp; The free distance&nbsp; $d_{\rm F}$&nbsp; is defined as the number of code bits in which two sequences&nbsp; $\underline{x}$&nbsp; and&nbsp; $\underline{x'}$&nbsp; differ.&nbsp;
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*We choose the zero sequence as the reference sequence:
 
:$$\underline{x}\hspace{0.03cm}' = \underline{0} = \big (00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big ) \hspace{0.05cm},$$
 
:$$\underline{x}\hspace{0.03cm}' = \underline{0} = \big (00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big ) \hspace{0.05cm},$$
  
ausgedrückt mit der Zustandsabfolge: $S_0 &#8594; S_0 &#8594; S_0 &#8594; S_0 &#8594; \ ... \ $ Eine der Folgen $\underline{x} &ne; \underline{0}$, die sich von $\underline{0}$ nur in der minimalen Anzahl an Codebits unterscheidet, folgt dem Pfad $S_0 &#8594; S_1 &#8594; S_0 &#8594; S_0 &#8594; \ ... \$ :
+
:expressed with the sequence of states: &nbsp; $S_0 &#8594; S_0 &#8594; S_0 &#8594; S_0 &#8594; \ \text{...} \ $  
 +
*One of the sequences&nbsp; $\underline{x} &ne; \underline{0}$,&nbsp; which differs from &nbsp; $\underline{0}$ &nbsp; only in the minimum number of code bits,&nbsp; follows the path&nbsp; $S_0 &#8594; S_1 &#8594; S_0 &#8594; S_0 &#8594; \text{...} \ $:
 
:$$\underline{x} = \big (11\hspace{0.05cm}, 01\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big )  
 
:$$\underline{x} = \big (11\hspace{0.05cm}, 01\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big )  
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm F}\hspace{0.1cm}\underline{ = 3}
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm F}\hspace{0.1cm}\underline{ = 3}
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'''(3)'''&nbsp; Wird die Nullsequenz gesendet und diese auch empfangen, so kann die Viterbi&ndash;Decodierung durch das nachfolgende Trellis veranschaulicht werden. Der Endwert der Fehlergröße ist ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$, und der Viterbi&ndash;Decoder entscheidet mit Sicherheit richtig: $\underline{z} = \underline{x} &nbsp;&#8658;&nbsp; \underline{\upsilon} = \underline{u}$.
+
[[File:P_ID2660__KC_A_3_9c.png|right|frame|Trellis without error&nbsp; (above)&nbsp; and with three transmission errors&nbsp; (below)]]
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[[File:P_ID2661__KC_A_3_9e.png|right|frame|Trellis with two transmission errors]]
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'''(3)'''&nbsp; Only&nbsp; <u>proposition 3</u>&nbsp; is correct here,&nbsp; because the event&nbsp; "No transmission error"&nbsp; is much more likely than three errors at exactly specified positions.&nbsp; Consider the graph:
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*If the zero sequence is sent and this is also received,&nbsp; the Viterbi decoding can be illustrated by the upper trellis.
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*The final value of the metric is&nbsp; ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$,&nbsp; and the Viterbi decoder decides correctly with certainty: &nbsp; $\underline{z} = \underline{x} &nbsp;&#8658;&nbsp; \underline{v} = \underline{u}$.
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*For the lower trellis,&nbsp; we also assume&nbsp; $\underline{u} = (0, \, 0, \, 0, \, 0 \, 0) &nbsp; &#8658; &nbsp; \underline{x} = (00, \, 00, \, 00, \, 00, \, 00)$.  
  
[[File:P_ID2660__KC_A_3_9c.png|center|frame|Trellis ohne Fehler/mit 3 Fehlern]]
+
*However,&nbsp; $\underline{y} = (00, \, 00, \, 00, \, 11, \, 01)$&nbsp; is received now.&nbsp;
  
Für das untere Trellis gehen wir ebenfalls von $\underline{u} = (0, \, 0, \, 0, \, 0, \, 0) &nbsp;&#8658;&nbsp; \underline{x} = (00, \, 00, \, 00, \, 00, \, 00)$ aus. Empfangen wird aber nun $\underline{y} = (00, \, 00, \, 00, \, 11, \, 01)$. Trotzdem gilt ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$. Das Beispiel belegt, dass die beiden ersten Aussagen falsch sind. Richtig ist hier nur der <u>Lösungsvorschlag 3</u>, da das Ereignis &bdquo;Kein Übertragungsfehler&rdquo; sehr viel wahrscheinlicher ist als drei Fehler an genau vorgegebenen Positionen.
+
*Nevertheless,&nbsp; ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$&nbsp; holds.&nbsp; The example proves that the first two statements are false.  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind <u>alle Antworten</u>. Wenn man sicher weiß, dass nur ein Übertragungsfehler aufgetreten ist, funktioniert bei einem Faltungscode mit der freien Distanz $d_{\rm F} = 3$ der Viterbi&ndash;Algorithmus perfekt, egal, an welcher Position der Fehler aufgetreten ist.
+
'''(4)'''&nbsp; Correct are <u>all answers</u>:&nbsp; If it is known for sure that only one transmission error occurred,&nbsp; for a convolutional code with free distance&nbsp; $d_{\rm F} = 3$&nbsp; the Viterbi algorithm works perfectly,&nbsp; no matter at which position the error occurred.
  
  
'''(5)'''&nbsp; Keiner der Lösungsvorschläge ist richtig, wie aus den nachfolgenden Beispielen zu erkennen ist.
+
'''(5)'''&nbsp;<u> None of the proposed solutions</u> is correct, as can be seen from the second graphic.
  
[[File:P_ID2661__KC_A_3_9e.png|center|frame|Trellis mit 2 Fehlern]]
 
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu  Kanalcodierung|^3.4 Decodierung von Faltungscodes^]]
+
[[Category:Channel Coding: Exercises|^3.4 Decoding of Convolutional Codes^]]

Latest revision as of 14:08, 18 November 2022

Trellis to be analyzed

The graph shows a trellis diagram and simultaneously defines the cumulative error values  $($"metrics"$)$   ${\it \Gamma}_i(S_0)$  and  ${\it \Gamma}_i(S_1)$  at times  $i = 0$  to  $i = 5$.

From this trellis can be read,  for example:

  • the code rate  $R$,
  • the memory  $m$,
  • the free distance  $d_{\rm F}$,
  • the information sequence length  $L$,
  • the sequence length  $L\hspace{0.05cm}'$  including the termination.


In the exercise it is further necessary to clarify:

  • the meaning of the final error value  ${\it \Gamma}_5(S_0)$,
  • effects of one and two transmission errors,  respectively.



Hint:  This exercise belongs to the chapter  "Decoding of Convolutional Codes".





Questions

1

Which of the following statements are confirmed by the trellis?

It is a rate-1/2 convolutional code.
The memory of the code is  $m = 2$.
The convolutional code is terminated.
The length of the information sequence is  $L = 5$.

2

Specify the free distance  $d_{\rm F}$  of the convolutional code.

$d_{\rm F} \ = \ $

3

What statements does the final value  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$  of the metric allow?

No transmission error has occurred.
The decoding result   $\underline{v}$   is certainly correct  $($equal  $\underline{u})$.
The decoding result minimizes the probability   ${\rm Pr}(\underline{v} ≠ \underline{u})$.

4

Which statements are true  in the case of a single  transmission error?

The final metric is  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 1$.
The decoding result  $\underline{v}$  is certainly correct  $($equal  $\underline{u})$.
The decoding result minimizes the probability   ${\rm Pr}(\underline{v} ≠ \underline{u})$.

5

Which statements are true  in the case of two  transmission errors?

The final metric is  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 2$.
The decoding result  $\underline{v}$  is certainly correct  $($equal  $\underline{u})$.
The decoding result  $\underline{v}$  is certainly false  $($unequal  $\underline{u})$.


Solution

(1)  Correct are the  solutions 1 and 3:

  • There are   $2^{k \cdot m} = 2$   states here.  It follows that  $k = 1$  and  $m = 1$.
  • Per coding step,  $n = 2$  code bits are output   ⇒   $R = 1/2$.
  • The information sequence length is  $L = 4$.
  • Only by one  $($since  $m = 1)$  additional termination bit one arrives at the total length  $L' = 5$.


(2)  The free distance  $d_{\rm F}$  is defined as the number of code bits in which two sequences  $\underline{x}$  and  $\underline{x'}$  differ. 

  • We choose the zero sequence as the reference sequence:
$$\underline{x}\hspace{0.03cm}' = \underline{0} = \big (00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big ) \hspace{0.05cm},$$
expressed with the sequence of states:   $S_0 → S_0 → S_0 → S_0 → \ \text{...} \ $
  • One of the sequences  $\underline{x} ≠ \underline{0}$,  which differs from   $\underline{0}$   only in the minimum number of code bits,  follows the path  $S_0 → S_1 → S_0 → S_0 → \text{...} \ $:
$$\underline{x} = \big (11\hspace{0.05cm}, 01\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, 00\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.1cm} \big ) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} d_{\rm F}\hspace{0.1cm}\underline{ = 3} \hspace{0.05cm}.$$


Trellis without error  (above)  and with three transmission errors  (below)
Trellis with two transmission errors

(3)  Only  proposition 3  is correct here,  because the event  "No transmission error"  is much more likely than three errors at exactly specified positions.  Consider the graph:

  • If the zero sequence is sent and this is also received,  the Viterbi decoding can be illustrated by the upper trellis.
  • The final value of the metric is  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$,  and the Viterbi decoder decides correctly with certainty:   $\underline{z} = \underline{x}  ⇒  \underline{v} = \underline{u}$.
  • For the lower trellis,  we also assume  $\underline{u} = (0, \, 0, \, 0, \, 0 \, 0)   ⇒   \underline{x} = (00, \, 00, \, 00, \, 00, \, 00)$.
  • However,  $\underline{y} = (00, \, 00, \, 00, \, 11, \, 01)$  is received now. 
  • Nevertheless,  ${\it \Gamma}_5(S_0) = 0$  holds.  The example proves that the first two statements are false.


(4)  Correct are all answers:  If it is known for sure that only one transmission error occurred,  for a convolutional code with free distance  $d_{\rm F} = 3$  the Viterbi algorithm works perfectly,  no matter at which position the error occurred.


(5)  None of the proposed solutions is correct, as can be seen from the second graphic.