Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.15: Block Error Probability with AWGN"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Fehlerwahrscheinlichkeit und Anwendungsgebiete}}
+
{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application}}
  
[[File:P_ID2571__KC_A_2_15neu.png|right|frame|Unvollständige Ergebnistabelle]]
+
[[File:P_ID2571__KC_A_2_15neu.png|right|frame|Incomplete table of results]]
Am Beispiel des  $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$  mit den Parametern
+
Using the example of  $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$  with parameters
* $n = 7$  (Anzahl der Codesymbole),
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* $n = 7$  $($number of code symbols$)$,
* $k =3$  (Anzahl der Informationssymbole),
 
* $t = 2$  (Korrekturfähigkeit)
 
  
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* $k =3$  $($number of information symbols$)$,
  
soll die Berechnung der Blockfehlerwahrscheinlichkeit beim  [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete#Blockfehlerwahrscheinlichkeit_f.C3.BCr_RSC_und_BDD|Bounded Distance Decoding]]  (BDD) gezeigt werden. Die entsprechende Gleichung lautet:
+
* $t = 2$  $($correction capability$)$.
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) =
+
 
 +
 
 +
the calculation of the block error probability in  [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application#Block_error_probability_for_RSC_and_BDD|"Bounded Distance Decoding"]]  $\rm (BDD)$  shall be shown.  The corresponding equation is:
 +
:$${\rm Pr(block\:error)}  = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) =
 
\sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm}.$$
 
\sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm}.$$
  
Die Berechnung erfolgt für den  [[Channel_Coding/Signal_classification#AWGN.E2.80.93Kanal_bei_bin.C3.A4rem_Eingang|AWGN–Kanal]], der durch den Parameter  $E_{\rm B}/N_0$  gekennzeichnet ist.
+
⇒   The calculation is performed for the  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables#Exceedance_probability|"AWGN channel"
 +
]]  characterized by the parameter  $E_{\rm B}/N_0$:
  
*Der Quotient  $E_{\rm B}/{N_0}$  lässt sich über die Beziehung
+
*The quotient  $E_{\rm B}/{N_0}$  can be expressed by the relation
 
:$$\varepsilon = {\rm Q} \big (\sqrt{{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}/{N_0}} \big ) $$  
 
:$$\varepsilon = {\rm Q} \big (\sqrt{{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}/{N_0}} \big ) $$  
in das  [[Channel_Coding/Signal_classification#Binary_Symmetric_Channel_.E2.80.93_BSC|BSC–Modell]]  überführen, wobei  $R$  die Coderate bezeichnet  $($hier:  $R = 3/7)$  und  ${\rm Q}(x)$  das  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaußverteilte_Zufallsgrößen#.C3.9Cberschreitungswahrscheinlichkeit|komplementäre Gaußsche Fehlerintegral]]  angibt.  
+
:into the  [[Channel_Coding/Channel_Models_and_Decision_Structures#Binary_Symmetric_Channel_.E2.80. 93_BSC|"BSC model"]]  where  $R$  denotes the code rate  $($here:  $R = 3/7)$  and  ${\rm Q}(x)$  indicates the  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables#Exceedance_probability|"complementary Gaussian error integral"]].
*Da aber beim betrachteten Code die Symbole aus  $\rm GF(2^3)$  entstammen, muss das BSC–Modell mit Parameter  $\varepsilon$  ebenfalls noch an die Aufgabenstellung adaptiert werden.  
+
 
*Für die Verfälschungwahrscheinlichkeit des  [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete#Blockfehlerwahrscheinlichkeit_f.C3.BCr_RSC_und_BDD|$m$–BSC–Modells]]  gilt, wobei hier  $m = 3$  zu setzen ist (drei Bit pro Codesymbol):
+
*But since in the considered code the symbols come from  $\rm GF(2^3)$,  the BSC model with parameter  $\varepsilon$  must also still be adapted to the task.
 +
 +
*For the falsification probability of the  [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application#Block_error_probability_for_RSC_and_BDD|"''m''– BSC"  model]]  applies:   
 
:$$\varepsilon_{\rm S} = 1 - (1 - \varepsilon)^m  
 
:$$\varepsilon_{\rm S} = 1 - (1 - \varepsilon)^m  
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
 +
:Here it is to be set   $m = 3$  $($three bits per code symbol$)$.
  
  
Für einige  $E_{\rm B}/N_0$–Werte sind die Ergebnisse in obiger Tabelle eingetragen. Die beiden gelb hinterlegten Zeilen werden hier kurz erläutert:
+
⇒   For some  $E_{\rm B}/N_0$ values the results are entered in the table above.  The two rows with yellow background are briefly explained here:
* Für  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 4 \ \rm dB$  ergibt sich  $\varepsilon \approx {\rm Q}(1.47) \approx 0.071$  und  $\varepsilon_{\rm S} \approx 0.2$. Die Blockfehlerwahrscheinlichkeit kann hier am einfachsten über das Komplement berechnet werden:
+
* For  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 4 \ \rm dB$  we get  $\varepsilon \approx {\rm Q}(1.47) \approx 0.071$  and  $\varepsilon_{\rm S} \approx 0.2$.   The block error probability here can most easily be calculated using the complement:
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  = 1 - \left [ {7 \choose 0} \cdot 0.8^7 + {7 \choose 1} \cdot 0.2 \cdot 0.8^6 + {7 \choose 2} \cdot 0.2^2 \cdot 0.8^5\right ]  
+
:$${\rm Pr(block\:error)}  = 1 - \left [ {7 \choose 0} \cdot 0.8^7 + {7 \choose 1} \cdot 0.2 \cdot 0.8^6 + {7 \choose 2} \cdot 0.2^2 \cdot 0.8^5\right ]  
 
\approx 0.148  \hspace{0.05cm}.$$
 
\approx 0.148  \hspace{0.05cm}.$$
* Für  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 12 \ \rm dB$  erhält man  $\varepsilon \approx 1.2 \cdot 10^{-4}$  und  $\varepsilon_{\rm S} \approx 3.5 \cdot 10^{-4}$. Mit dieser sehr kleinen Verfälschungswahrscheinlichkeit dominiert der  $f = 3$–Term, und man erhält:
+
 
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  \approx  {7 \choose 3} \cdot (3.5 \cdot 10^{-4})^3 \cdot (1- 3.5 \cdot 10^{-4})^4  
+
* For  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 12 \ \rm dB$  one gets  $\varepsilon \approx 1.2 \cdot 10^{-4}$  and  $\varepsilon_{\rm S} \approx 3.5 \cdot 10^{-4}$.  With this very small falsification probability,  the  $f = 3$  term dominates,  and we obtain:
 +
:$${\rm Pr(block\:error)}  \approx  {7 \choose 3} \cdot (3.5 \cdot 10^{-4})^3 \cdot (1- 3.5 \cdot 10^{-4})^4  
 
\approx 1.63 \cdot 10^{-9}  \hspace{0.05cm}.$$
 
\approx 1.63 \cdot 10^{-9}  \hspace{0.05cm}.$$
  
*Sie sollen für die rot hinterlegten Zeilen  $(10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 5 \ \rm dB, \ 8 \ dB$,  $10 \ \rm dB)$  die Blockfehlerwahrscheinlichkeiten berechnen.
+
⇒   You are to calculate the block error probabilities for the rows highlighted in red   $(10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 5 \ \rm dB, \ 8 \rm dB$,  $10 \ \rm dB)$.
*Die blau hinterlegten Zeilen zeigen einige Ergebnisse der  [[Aufgaben:Aufgabe_2.15Z:_Nochmals_RS-Blockfehlerwahrscheinlichkeit|Aufgabe 2.15Z]]. Dort wird  ${\rm Pr}(\underline{v} ≠ \underline{u})$  für  $\varepsilon_{\rm S} = 10\%,  \ 1\%$  $0.1\%$ berechnet.  
+
:*The rows with blue background show some results of  [[Aufgaben:Exercise_2.15Z:_Block_Error_Probability_once_more|"Exercise 2.15Z"]].  There  ${\rm Pr}(\underline{v} ≠ \underline{u})$  is calculated for  $\varepsilon_{\rm S} = 10\%,  \ 1\%$  $0.1\%$.  
*In den Teilaufgaben '''(4)''' und '''(5)''' sollen Sie den Zusammenhang zwischen der Größe  $\varepsilon_{\rm S}$  und dem AWGN–Parameter  $E_{\rm B}/N_0$  herstellen und somit die obige Tabelle vervollständigen.
+
:*In subtasks '''(4)''' and '''(5)''' you are to establish the relationship between the quantity  $\varepsilon_{\rm S}$  and the AWGN parameter  $E_{\rm B}/N_0$  thus completing the above table.
 
 
 
 
  
  
Line 41: Line 46:
  
  
 +
<u>Hints:</u>
 +
* The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application| "Error Probability and Application Areas"]].
  
''Hinweise:''
+
* We refer you here to the two interactive HTML5/JavaScript applets&nbsp;
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete| Fehlerwahrscheinlichkeit und Anwendungsgebiete]].
+
:*[[Applets:Complementary_Gaussian_Error_Functions|"Complementary Gaussian error functions"]],&nbsp; and&nbsp;  
* Wir verweisen Sie hier auf die beiden  interaktive Applets&nbsp;
+
:*[[Applets:Binomial_and_Poisson_Distribution_(Applet)|"Binomial and Poisson Distribution"]].
::[[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]&nbsp; und&nbsp;  
 
::[[Applets:Binomial-_und_Poissonverteilung_(Applet)|Binomial- und Poissonverteilung]].
 
  
  
Line 52: Line 57:
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie groß ist die Blockfehlerwahrscheinlichkeit für&nbsp;  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \hspace{0.15cm}\underline{= 5 \ \rm dB}$?
+
{What is the block error probability for&nbsp;  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \hspace{0.15cm}\underline{= 5 \ \rm dB}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr(Blockfehler)} \ = \ ${ 6.66 3% } $\ \cdot 10^{-2}$
+
${\rm Pr(block\:error)} \ = \ ${ 6.66 3% } $\ \cdot 10^{-2}$
  
{Wie groß ist die Blockfehlerwahrscheinlichkeit für&nbsp; $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm dB}$?
+
{What is the block error probability for&nbsp; $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm dB}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr(Blockfehler)} \ = \ ${ 8.63 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
+
${\rm Pr(block\:error)} \ = \ ${ 8.63 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
  
{Wie groß ist die Blockfehlerwahrscheinlichkeit für&nbsp; $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}\hspace{0.15cm}\underline{ = 10 \ \rm dB}$?
+
{What is the block error probability for&nbsp; $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}\hspace{0.15cm}\underline{ = 10 \ \rm dB}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr(Blockfehler)} \ = \ ${ 4.3 3% } $\ \cdot 10^{-6}$
+
${\rm Pr(block\:error)} \ = \ ${ 4.3 3% } $\ \cdot 10^{-6}$
  
{Wie hängt&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.1$&nbsp; mit&nbsp; $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}$&nbsp; zusammen? &nbsp; ''Hinweis:'' &nbsp;Verwenden Sie das angegebene Applet zur Berechnung von&nbsp; ${\rm Q}(x)$.
+
{How is&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.1$&nbsp; related to&nbsp; $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}$&nbsp;? &nbsp; <u>Note:</u> &nbsp;Use the given applet to calculate&nbsp; ${\rm Q}(x)$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\varepsilon_{\rm S} = 10^{-1} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ ${ 5.87 3% } $\ \rm dB$
 
$\varepsilon_{\rm S} = 10^{-1} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ ${ 5.87 3% } $\ \rm dB$
  
{Ermitteln Sie auch die&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&ndash;Werte&nbsp; $($in&nbsp; $\rm dB)$&nbsp; für&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.01$&nbsp; und&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.001$. Vervollständigen Sie die Tabelle.
+
{Find also the&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$ values&nbsp; $($in&nbsp; $\rm dB)$&nbsp; for&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.01$&nbsp; and&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.001$. Complete the table.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\varepsilon_{\rm S} = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $ { 9.32 3% } $\ \rm dB$
 
$\varepsilon_{\rm S} = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $ { 9.32 3% } $\ \rm dB$
Line 76: Line 81:
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus der Tabelle auf der Angabenseite kann der BSC&ndash;Parameter $\varepsilon = 0.0505$ abgelesen werden.  
+
'''(1)'''&nbsp; From the table on the information page,&nbsp;  the BSC parameter&nbsp; $\varepsilon = 0.0505$&nbsp; can be read.  
*Damit erhält man für die Symbolverfälschungswahrscheinlichkeit $\varepsilon_{\rm S}$ mit $m = 3$:
+
*This gives&nbsp; $\varepsilon_{\rm S}$&nbsp; for the symbol error probability with&nbsp; $m = 3$:
 
:$$1 - \varepsilon_{\rm S} = (1 - 0.0505)^3 \approx 0.856  
 
:$$1 - \varepsilon_{\rm S} = (1 - 0.0505)^3 \approx 0.856  
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow  \hspace{0.3cm}
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow  \hspace{0.3cm}
Line 85: Line 90:
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
  
*Der schnellste Weg zur Berechnung der Blockfehlerwahrscheinlichkeit führt hier über die Formel
+
*The fastest way to calculate the block error probability is here to use the formula
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - {\rm Pr}(f=0) -  {\rm Pr}(f=1) - {\rm Pr}(f=2) = 1 - 1 \cdot 0.856^7 -  
+
:$${\rm Pr(block\:error)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - {\rm Pr}(f=0) -  {\rm Pr}(f=1) - {\rm Pr}(f=2) = 1 - 1 \cdot 0.856^7 -  
 
7 \cdot 0.144^1 \cdot 0.856^6 -  21 \cdot 0.144^2 \cdot 0.856^5$$
 
7 \cdot 0.144^1 \cdot 0.856^6 -  21 \cdot 0.144^2 \cdot 0.856^5$$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Pr(Blockfehler)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) =1 - 0.3368 - 0.3965 - 0.2001 \hspace{0.15cm} \underline{=0.0666}  
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Pr(block\:error)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) =1 - 0.3368 - 0.3965 - 0.2001 \hspace{0.15cm} \underline{=0.0666}  
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Nach gleichem Rechengang wie in Teilaufgabe '''(1)''' ergibt sich mit $\varepsilon_{\rm S} \approx 0.03 \ \Rightarrow \ 1 - \varepsilon_{\rm S} = 0.97$:
+
'''(2)'''&nbsp; Following the same calculation procedure as in subtask&nbsp; '''(1)''',&nbsp; we obtain with&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} \approx 0.03 \ \Rightarrow \ 1 - \varepsilon_{\rm S} = 0.97$:
:$${\rm Pr(Blockfehler)}   
+
:$${\rm Pr(block\:error)}   
 
\hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 1 \cdot 0.97^7 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}  
 
\hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 1 \cdot 0.97^7 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}  
 
7 \cdot 0.03^1 \cdot 0.97^6 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}  21 \cdot 0.03^2 \cdot 0.97^5 =1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.8080 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.1749\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.0162= 1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.9991  = 9 \cdot 10^{-4}  
 
7 \cdot 0.03^1 \cdot 0.97^6 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}  21 \cdot 0.03^2 \cdot 0.97^5 =1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.8080 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.1749\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.0162= 1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.9991  = 9 \cdot 10^{-4}  
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
  
*Man sieht, dass hier die Differenz zwischen zwei fast gleich großen Zahlen gebildet werden muss, so dass das Ergebnis mit einem Fehler behaftet sein könnte.  
+
*You can see that here the difference between two numbers of almost the same size must be formed,&nbsp; so that the result could be affected by an error.  
*Deshalb berechnen wir noch folgende Größen:
+
 
 +
*Therefore we still calculate the following quantities:
 
:$${\rm Pr}(f=3) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}  
 
:$${\rm Pr}(f=3) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}  
 
{7 \choose 3} \cdot \varepsilon_{\rm S}^3 \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^4 = 35 \cdot 0.03^3 \cdot 0.97^4 = 8.366 \cdot 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$
 
{7 \choose 3} \cdot \varepsilon_{\rm S}^3 \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^4 = 35 \cdot 0.03^3 \cdot 0.97^4 = 8.366 \cdot 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$
Line 106: Line 112:
 
:$${\rm Pr}(f=5) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}  
 
:$${\rm Pr}(f=5) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}  
 
{7 \choose 5} \cdot \varepsilon_{\rm S}^5 \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^2 = 21 \cdot 0.03^5 \cdot 0.97^2 = 0.005 \cdot 10^{-4}$$
 
{7 \choose 5} \cdot \varepsilon_{\rm S}^5 \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^2 = 21 \cdot 0.03^5 \cdot 0.97^2 = 0.005 \cdot 10^{-4}$$
:$$\Rightarrow  \hspace{0.3cm} {\rm Pr(Blockfehler)} = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u})  \approx {\rm Pr}(f=3) +  {\rm Pr}(f=4) + {\rm Pr}(f=5)  \hspace{0.15cm} \underline{=8.63 \cdot 10^{-4}} \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\Rightarrow  \hspace{0.3cm} {\rm Pr(block\:error)} = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u})  \approx {\rm Pr}(f=3) +  {\rm Pr}(f=4) + {\rm Pr}(f=5)  \hspace{0.15cm} \underline{=8.63 \cdot 10^{-4}} \hspace{0.05cm}.$$
  
*Auf die Terme für $f = 6$ und $f = 7$ kann hier verzichtet werden. Sie liefern keinen relevanten Beitrag.
+
*The terms for&nbsp; $f = 6$&nbsp; and&nbsp; $f = 7$&nbsp; can be omitted here.&nbsp; They do not provide a relevant contribution.
  
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Hier ist bereits $\varepsilon_{\rm S} = 0.005 \ \Rightarrow \ 1 - \varepsilon_{\rm S} = 0.995$ in der Tabelle vorgegeben.  
+
'''(3)'''&nbsp; Here&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.005 \ \Rightarrow \ 1 - \varepsilon_{\rm S} = 0.995$&nbsp; is already given in the table.  
*Der (weitaus) dominierende Term bei der Berechnung der Blockfehlerwahrscheinlichkeit ist ${\rm Pr}(f = 3)$:
+
*The&nbsp; (by far)&nbsp; dominant term in the calculation of the block error probability is&nbsp; ${\rm Pr}(f = 3)$:
:$${\rm Pr(Blockfehler)} = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u})  \approx {\rm Pr}(f=3) = {7 \choose 3} \cdot 0.005^3 \cdot 0.995^4  
+
:$${\rm Pr(block\:error)} = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u})  \approx {\rm Pr}(f=3) = {7 \choose 3} \cdot 0.005^3 \cdot 0.995^4  
 
\hspace{0.15cm} \underline{\approx 4.3 \cdot 10^{-6}} \hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.15cm} \underline{\approx 4.3 \cdot 10^{-6}} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Für den BSC&ndash;Parameter $\varepsilon$ gilt mit $\varepsilon_{\rm S} = 0.1$:
+
'''(4)'''&nbsp; For the BSC parameter&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; holds with&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 0.1$:
 
:$$\varepsilon = 1 -(1 - \varepsilon_{\rm S})^{1/3} = 1 - 0.9^{1/3} \approx 0.0345  
 
:$$\varepsilon = 1 -(1 - \varepsilon_{\rm S})^{1/3} = 1 - 0.9^{1/3} \approx 0.0345  
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
  
*Der Zusammenhang zwischen $\varepsilon$ und $E_{\rm B}/N_0$ lautet:
+
*The relation between&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; and&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; is:
 
:$$\varepsilon = {\rm Q}(x)\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} x = \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\varepsilon = {\rm Q}(x)\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} x = \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Die Inverse $x = {\rm Q}^{-1}(0.0345)$ ergibt sich mit dem Applet  [[Applets:QFunction|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]] zu $x = 1.82$.  
+
*The inverse&nbsp; $x = {\rm Q}^{-1}(0.0345)$&nbsp; is obtained with the applet&nbsp; [[Applets:QFunction|"Complementary Gaussian Error Functions"]]&nbsp; to&nbsp; $x = 1.82$.&nbsp; This further gives:
*Damit erhält man weiter:
 
 
:$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{1.82^2}{2R \cdot 3/7} \approx 3.864  
 
:$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{1.82^2}{2R \cdot 3/7} \approx 3.864  
 
\hspace{0.3cm}  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}
 
\hspace{0.3cm}  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}
Line 134: Line 139:
  
  
'''(5)'''&nbsp; Nach gleicher Rechnung erhält man
+
'''(5)'''&nbsp; After the same calculation one obtains
* für $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-2} \ \Rightarrow \ \varepsilon \approx 0.33 \cdot 10^{-2} \ \Rightarrow \ x = {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 2.71$
+
* for&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-2} \ \Rightarrow \ \varepsilon \approx 0.33 \cdot 10^{-2} \ \Rightarrow \ x = {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 2.71$
 
:$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{2.71^2}{2R \cdot 3/7} \approx 8.568  
 
:$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{2.71^2}{2R \cdot 3/7} \approx 8.568  
 
\hspace{0.3cm}  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}
 
\hspace{0.3cm}  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}
Line 141: Line 146:
 
\hspace{0.15cm} \underline{\approx 9.32 \,\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}, $$
 
\hspace{0.15cm} \underline{\approx 9.32 \,\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}, $$
  
* für $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-3} \ \Rightarrow \ \varepsilon \approx 0.33 \cdot 10^{-3} \ \Rightarrow \ x = {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.4$:
+
* for $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-3} \ \Rightarrow \ \varepsilon \approx 0.33 \cdot 10^{-3} \ \Rightarrow \ x = {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.4$:
 
:$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{3.4^2}{2R \cdot 3/7} \approx 13.487  
 
:$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{3.4^2}{2R \cdot 3/7} \approx 13.487  
 
\hspace{0.3cm}  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}
 
\hspace{0.3cm}  \Rightarrow  \hspace{0.3cm}
Line 147: Line 152:
 
\hspace{0.15cm} \underline{\approx 11.3 \,\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}. $$
 
\hspace{0.15cm} \underline{\approx 11.3 \,\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}. $$
  
[[File:P_ID2572__KC_A_2_15e_neu.png|right|frame|Ergebnisse zur $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$–Decodierung]]
+
[[File:EN_KC_A_2_15e.ng.png|right|frame|Results for $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$ decoding]]
<br><br><br><br><br><br><br><br><br><br>
+
 
Die Grafik zeigt den Verlauf der Blockfehlerwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}$ sowie die vollständig ausgefüllte Ergebnistabelle.  
+
The graph shows
 +
*the course of the block error probability as function of $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}$,
 +
 
 +
* and the completely filled result table.  
  
Man erkennt das deutlich ungünstigere (asymptotische) Verhalten dieses kurzen (grünen) Codes $\rm RSC \, (7, \, 5, \, 3)_8$ gegenüber dem (roten) Vergleichscode $\rm RSC \, (255, \, 223, \, 33)_8$:
 
  
 +
One can see the clearly less favorable&nbsp; (asymptotic)&nbsp; behavior of the&nbsp; (green)&nbsp; code $\rm RSC \, (7, \, 5, \, 3)_8$ compared to the&nbsp; (red)&nbsp; comparison code $\rm RSC \, (255, \, 223, \, 33)_8$:
  
*Für Abszissenwerte kleiner als $10 \ \rm dB$ ergibt sich sogar ein schlechteres Ergebnis als ohne Codierung.  
+
# For abscissa values smaller than&nbsp; $10 \ \rm dB$&nbsp; the result is even worse than without coding.  
*Deshalb soll hier nochmals darauf hingewiesen werden, dass dieser $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$ wenig praktische Bedeutung hat.  
+
# It should be pointed out again that the&nbsp; $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$&nbsp; has only little practical meaning.  
*Er wurde für diese Aufgabe nur deshalb ausgewählt, um mit vertretbarem Aufwand die Berechnung der Blockfehlerwahrscheinlichkeit bei ''Bounded Distance Decoding'' (BDD) demonstrieren zu können.
+
# It was chosen for this exercise only to be able to demonstrate with reasonable effort the calculation of the block error probability for&nbsp; "Bounded Distance Decoding"&nbsp; $\rm (BDD)$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
[[Category:Channel Coding: Exercises|^2.6 RSC&ndash;Fehlerwahrscheinlichkeit^]]
+
[[Category:Channel Coding: Exercises|^2.6 Block Error Probability of RS Codes^]]

Latest revision as of 17:12, 13 March 2023

Incomplete table of results

Using the example of  $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$  with parameters

  • $n = 7$  $($number of code symbols$)$,
  • $k =3$  $($number of information symbols$)$,
  • $t = 2$  $($correction capability$)$.


the calculation of the block error probability in  "Bounded Distance Decoding"  $\rm (BDD)$  shall be shown.  The corresponding equation is:

$${\rm Pr(block\:error)} = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) = \sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm}.$$

⇒   The calculation is performed for the  "AWGN channel"   characterized by the parameter  $E_{\rm B}/N_0$:

  • The quotient  $E_{\rm B}/{N_0}$  can be expressed by the relation
$$\varepsilon = {\rm Q} \big (\sqrt{{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}/{N_0}} \big ) $$
into the  "BSC model"  where  $R$  denotes the code rate  $($here:  $R = 3/7)$  and  ${\rm Q}(x)$  indicates the  "complementary Gaussian error integral".
  • But since in the considered code the symbols come from  $\rm GF(2^3)$,  the BSC model with parameter  $\varepsilon$  must also still be adapted to the task.
$$\varepsilon_{\rm S} = 1 - (1 - \varepsilon)^m \hspace{0.05cm}.$$
Here it is to be set  $m = 3$  $($three bits per code symbol$)$.


⇒   For some  $E_{\rm B}/N_0$ values the results are entered in the table above.  The two rows with yellow background are briefly explained here:

  • For  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 4 \ \rm dB$  we get  $\varepsilon \approx {\rm Q}(1.47) \approx 0.071$  and  $\varepsilon_{\rm S} \approx 0.2$.   The block error probability here can most easily be calculated using the complement:
$${\rm Pr(block\:error)} = 1 - \left [ {7 \choose 0} \cdot 0.8^7 + {7 \choose 1} \cdot 0.2 \cdot 0.8^6 + {7 \choose 2} \cdot 0.2^2 \cdot 0.8^5\right ] \approx 0.148 \hspace{0.05cm}.$$
  • For  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 12 \ \rm dB$  one gets  $\varepsilon \approx 1.2 \cdot 10^{-4}$  and  $\varepsilon_{\rm S} \approx 3.5 \cdot 10^{-4}$.  With this very small falsification probability,  the  $f = 3$  term dominates,  and we obtain:
$${\rm Pr(block\:error)} \approx {7 \choose 3} \cdot (3.5 \cdot 10^{-4})^3 \cdot (1- 3.5 \cdot 10^{-4})^4 \approx 1.63 \cdot 10^{-9} \hspace{0.05cm}.$$

⇒   You are to calculate the block error probabilities for the rows highlighted in red   $(10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} = 5 \ \rm dB, \ 8 \rm dB$,  $10 \ \rm dB)$.

  • The rows with blue background show some results of  "Exercise 2.15Z".  There  ${\rm Pr}(\underline{v} ≠ \underline{u})$  is calculated for  $\varepsilon_{\rm S} = 10\%,  \ 1\%$  $0.1\%$.
  • In subtasks (4) and (5) you are to establish the relationship between the quantity  $\varepsilon_{\rm S}$  and the AWGN parameter  $E_{\rm B}/N_0$  thus completing the above table.



Hints:

  • We refer you here to the two interactive HTML5/JavaScript applets 



Questions

1

What is the block error probability for  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \hspace{0.15cm}\underline{= 5 \ \rm dB}$?

${\rm Pr(block\:error)} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-2}$

2

What is the block error probability for  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \hspace{0.15cm}\underline{= 8 \ \rm dB}$?

${\rm Pr(block\:error)} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-4}$

3

What is the block error probability for  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}\hspace{0.15cm}\underline{ = 10 \ \rm dB}$?

${\rm Pr(block\:error)} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-6}$

4

How is  $\varepsilon_{\rm S} = 0.1$  related to  $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}$ ?   Note:  Use the given applet to calculate  ${\rm Q}(x)$.

$\varepsilon_{\rm S} = 10^{-1} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $

$\ \rm dB$

5

Find also the  $E_{\rm B}/N_0$ values  $($in  $\rm dB)$  for  $\varepsilon_{\rm S} = 0.01$  and  $\varepsilon_{\rm S} = 0.001$. Complete the table.

$\varepsilon_{\rm S} = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $

$\ \rm dB$
$\varepsilon_{\rm S} = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $

$\ \rm dB$


Solution

(1)  From the table on the information page,  the BSC parameter  $\varepsilon = 0.0505$  can be read.

  • This gives  $\varepsilon_{\rm S}$  for the symbol error probability with  $m = 3$:
$$1 - \varepsilon_{\rm S} = (1 - 0.0505)^3 \approx 0.856 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \varepsilon_{\rm S} \approx 0.144 \hspace{0.05cm}.$$
  • The fastest way to calculate the block error probability is here to use the formula
$${\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - {\rm Pr}(f=0) - {\rm Pr}(f=1) - {\rm Pr}(f=2) = 1 - 1 \cdot 0.856^7 - 7 \cdot 0.144^1 \cdot 0.856^6 - 21 \cdot 0.144^2 \cdot 0.856^5$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) =1 - 0.3368 - 0.3965 - 0.2001 \hspace{0.15cm} \underline{=0.0666} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Following the same calculation procedure as in subtask  (1),  we obtain with  $\varepsilon_{\rm S} \approx 0.03 \ \Rightarrow \ 1 - \varepsilon_{\rm S} = 0.97$:

$${\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 1 \cdot 0.97^7 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 7 \cdot 0.03^1 \cdot 0.97^6 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 21 \cdot 0.03^2 \cdot 0.97^5 =1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.8080 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.1749\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.0162= 1 \hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm} 0.9991 = 9 \cdot 10^{-4} \hspace{0.05cm}.$$
  • You can see that here the difference between two numbers of almost the same size must be formed,  so that the result could be affected by an error.
  • Therefore we still calculate the following quantities:
$${\rm Pr}(f=3) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} {7 \choose 3} \cdot \varepsilon_{\rm S}^3 \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^4 = 35 \cdot 0.03^3 \cdot 0.97^4 = 8.366 \cdot 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$
$${\rm Pr}(f=4) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} {7 \choose 4} \cdot \varepsilon_{\rm S}^4 \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^3 = 35 \cdot 0.03^4 \cdot 0.97^3 = 0.259 \cdot 10^{-4}\hspace{0.05cm},$$
$${\rm Pr}(f=5) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} {7 \choose 5} \cdot \varepsilon_{\rm S}^5 \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^2 = 21 \cdot 0.03^5 \cdot 0.97^2 = 0.005 \cdot 10^{-4}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Pr(block\:error)} = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) \approx {\rm Pr}(f=3) + {\rm Pr}(f=4) + {\rm Pr}(f=5) \hspace{0.15cm} \underline{=8.63 \cdot 10^{-4}} \hspace{0.05cm}.$$
  • The terms for  $f = 6$  and  $f = 7$  can be omitted here.  They do not provide a relevant contribution.



(3)  Here  $\varepsilon_{\rm S} = 0.005 \ \Rightarrow \ 1 - \varepsilon_{\rm S} = 0.995$  is already given in the table.

  • The  (by far)  dominant term in the calculation of the block error probability is  ${\rm Pr}(f = 3)$:
$${\rm Pr(block\:error)} = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) \approx {\rm Pr}(f=3) = {7 \choose 3} \cdot 0.005^3 \cdot 0.995^4 \hspace{0.15cm} \underline{\approx 4.3 \cdot 10^{-6}} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  For the BSC parameter  $\varepsilon$  holds with  $\varepsilon_{\rm S} = 0.1$:

$$\varepsilon = 1 -(1 - \varepsilon_{\rm S})^{1/3} = 1 - 0.9^{1/3} \approx 0.0345 \hspace{0.05cm}.$$
  • The relation between  $\varepsilon$  and  $E_{\rm B}/N_0$  is:
$$\varepsilon = {\rm Q}(x)\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} x = \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0}\hspace{0.05cm}.$$
$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{1.82^2}{2R \cdot 3/7} \approx 3.864 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}(E_{\rm B}/N_0) \hspace{0.15cm} \underline{\approx 5.87 \,\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}. $$


(5)  After the same calculation one obtains

  • for  $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-2} \ \Rightarrow \ \varepsilon \approx 0.33 \cdot 10^{-2} \ \Rightarrow \ x = {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 2.71$
$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{2.71^2}{2R \cdot 3/7} \approx 8.568 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}(E_{\rm B}/N_0) \hspace{0.15cm} \underline{\approx 9.32 \,\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}, $$
  • for $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-3} \ \Rightarrow \ \varepsilon \approx 0.33 \cdot 10^{-3} \ \Rightarrow \ x = {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.4$:
$$E_{\rm B}/N_0 = \frac{x^2}{2R} = \frac{3.4^2}{2R \cdot 3/7} \approx 13.487 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm}(E_{\rm B}/N_0) \hspace{0.15cm} \underline{\approx 11.3 \,\, {\rm dB}} \hspace{0.05cm}. $$
Results for $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$ decoding

The graph shows

  • the course of the block error probability as function of $10 \cdot \lg {E_{\rm B}/N_0}$,
  • and the completely filled result table.


One can see the clearly less favorable  (asymptotic)  behavior of the  (green)  code $\rm RSC \, (7, \, 5, \, 3)_8$ compared to the  (red)  comparison code $\rm RSC \, (255, \, 223, \, 33)_8$:

  1. For abscissa values smaller than  $10 \ \rm dB$  the result is even worse than without coding.
  2. It should be pointed out again that the  $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$  has only little practical meaning.
  3. It was chosen for this exercise only to be able to demonstrate with reasonable effort the calculation of the block error probability for  "Bounded Distance Decoding"  $\rm (BDD)$.