Aufgaben:Exercise 2.4: Dual Code and Gray Code: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Redundanzfreie Codierung
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[[File:P_ID1325__Dig_A_2_4.png|right|frame|Quaternärsignale mit Dual– und Graycodierung]]
[[File:P_ID1325__Dig_A_2_4.png|right|frame|Quaternary signals with dual and gray coding]]
Die beiden dargestellten Signale  $s_{1}(t)$  und  $s_{2}(t)$  sind zwei unterschiedliche Realisierungen eines redundanzfreien quaternären Sendesignals, die beide vom blau gezeichneten Quellensignal  $q(t)$  abgeleitet wurden.
The two shown signals  $s_{1}(t)$  and  $s_{2}(t)$  are two different realizations of a redundancy-free quaternary transmit signal, both derived from the blue drawn source signal  $q(t)$.   


Bei einem der Sendesignale wurde der so genannte '''Dualcode''' mit der Zuordnung
For one of the transmitted signals, the so-called '''dual code''' with mapping
:$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm}  
:$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm}  
\mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$
\mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$
verwendet, beim anderen eine bestimmte Form eines '''Graycodes'''. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Binärdarstellung benachbarter Amplitudenwerte immer nur in einem einzigen Bit unterscheiden.
was used, for the other one a certain form of a '''gray code'''. This is characterized by the fact that the binary representation of adjacent amplitude values always differ only in a single bit.


Bei der Lösung der Aufgabe soll von folgenden Voraussetzungen ausgegangen werden:
The solution of the exercise should be based on the following assumptions:
*Die Amplitudenstufen liegen bei  $±3\, \rm V$ und $±1 \, \rm V$.  
*The amplitude levels are  $±3\, \rm V$ and $±1 \, \rm V$.  
*Die Entscheiderschwellen liegen in der Mitte zwischen zwei benachbarten Amplitudenwerten, also bei  $–2\, \rm V$, $0\, \rm V$  und  $+2\, \rm V$.
*The decision thresholds lie in the middle between two adjacent amplitude values, i.e. at  $–2\, \rm V$, $0\, \rm V$  and  $+2\, \rm V$.
*Der Rauscheffektivwert  $\sigma_{d}$  ist so zu wählen, dass die Verfälschungswahrscheinlichkeit vom äußeren Symbol  $(+s_0)$  zum nächstgelegenen Symbol  $(+s_{0}/3)$  genau  $p = 1\%$ beträgt.
*The noise rms value  $\sigma_{d}$  is to be chosen so that the distortion probability from the outer symbol  $(+s_0)$  to the nearest symbol  $(+s_{0}/3)$  is exactly  $p = 1\%$.
*Verfälschungen zu nicht benachbarten Symbolen können ausgeschlossen werden; bei Gaußschen Störungen ist diese Vereinfachung in der Praxis stets erlaubt.
*Distortions to non-adjacent symbols can be excluded; in the case of Gaussian perturbations, this simplification is always allowed in practice.






Man unterscheidet grundsätzlich zwischen
One distinguishes in principle between
*der  ''Symbolfehlerwahrscheinlichkeit''  $p_{\rm S}$  (bezogen auf das Quaternärsignal) und
*the  ''symbol error probability''  $p_{\rm S}$  (related to the quaternary signal) and
*der  ''Bitfehlerwahrscheinlichkeit''  $p_{B}$  (bezogen auf das binäre Quellensignal).
*the  ''bit error probability''  $p_{B}$  (related to the binary source signal).




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''Hinweise:''  
''Notes:''  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel   [[Digital_Signal_Transmission/Grundlagen_der_codierten_Übertragung|Grundlagen der codierten Übertragung]].
*The exercise is part of the chapter   [[Digital_Signal_Transmission/Grundlagen_der_codierten_Übertragung|Basics of Coded Transmission]].
*Bezug genommen wird auch auf das Kapitel  [[Digital_Signal_Transmission/Redundanzfreie_Codierung|Redundanzfreie Codierung]].
*Reference is also made to the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Redundanzfreie_Codierung|Redundancy-Free Coding]].
   
   
*Zur numerischen Auswertung der Q–Funktion können Sie das interaktive Applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]  benutzen.
*For numerical evaluation of the Q–function you can use the interactive applet  [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Complementary Gaussian Error Functions]]  benutzen.




===Fragebogen===
===Questions===


<quiz display=simple>
<quiz display=simple>


{Welches der Signale &nbsp;$s_{1}(t)$&nbsp; bzw. &nbsp;$s_{2}(t)$&nbsp; verwendet eine '''Graycodierung'''?
{Which of the signals &nbsp;$s_{1}(t)$&nbsp; or &nbsp;$s_{2}(t)$&nbsp; uses a '''gray coding'''?
|type="()"}
|type="()"}
+$s_{1}(t)$&nbsp; verwendet eine Graycodierung.
+$s_{1}(t)$&nbsp; uses a gray coding.
-$s_{2}(t)$&nbsp; verwendet eine Graycodierung.
-$s_{2}(t)$&nbsp; uses a gray coding.


{Bestimmen Sie den Rauscheffektivwert aus der angegebenen Bedingung.
{Determine the noise rms value from the given condition.
|type="{}"}
|type="{}"}
$\sigma_{d} \ = \ $ { 0.43 3% } $\ \rm V$
$\sigma_{d} \ = \ $ { 0.43 3% } $\ \rm V$


{Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem '''Graycode'''?
{What is the symbol error probability using the '''gray code'''?
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$


{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Graycode?
{What is the bit error probability with the gray code?
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \%$
$p_{\rm B} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \%$


{Welche Symbolfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem '''Dualcode'''?
{What is the symbol error probability with the '''dual code'''?
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$
$p_{\rm S} \ = \ $ { 1.5 3% } $\ \%$


{Welche Bitfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich mit dem Dualcode?
{What is the bit error probability with the dual code?
|type="{}"}
|type="{}"}
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \%$
$p_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \%$
Line 67: Line 67:
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Im Signal $s_{2}(t)$ erkennt man die Realisierung des vorne angegebenen Dualcodes. Dagegen wurde beim Signal $s_{2}(t)$ ein Graycode $\Rightarrow$  <u>Lösungsvorschlag 1</u> mit folgender Zuordnung verwendet:
'''(1)'''&nbsp; In the signal $s_{2}(t)$ one recognizes the realization of the dual code indicated at the beginning. On the other hand, in the signal $s_{2}(t)$ a gray code $\Rightarrow$  <u>solution 1</u> with the following mapping was used:
:$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$
:$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$




'''(2)'''&nbsp; Die Wahrscheinlichkeit $p$, dass der Amplitudenwert $3 \, \rm V$ aufgrund des gaußverteilten Rauschens mit der Streuung $\sigma_{d}$ die benachbarte Entscheiderschwelle $2\,  \rm V$ unterschreitet, soll $1\,  \%$ betragen. Daraus folgt:
'''(2)'''&nbsp; Let the probability $p$ that the amplitude value $3 \, \rm V$ falls below the adjacent decision threshold $2\,  \rm V$ due to the Gaussian distributed noise with standard deviation $\sigma_{d}$ be $1\,  \%$. It follows that:
:$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$
:$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$




'''(3)'''&nbsp;  Die beiden äußeren Symbole werden jeweils mit der Wahrscheinlichkeit $p$ verfälscht, die beiden inneren mit der doppelten Wahrscheinlichkeit $(2p)$. Durch Mittelung unter Berücksichtigung gleicher Symbolauftrittswahrscheinlichkeiten erhält man
'''(3)'''&nbsp;  The two outer symbols are each distorted with probability $p$, the two inner symbols with double probability $(2p)$. By averaging considering equal symbol occurrence probabilities, we obtain
:$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
:$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$




'''(4)'''&nbsp; Jeder Symbolfehler führt genau zu einem Bitfehler. Da jedoch jedes Quaternärsymbol genau zwei Binärsymbole beinhaltet, ergibt sich für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit:
'''(4)'''&nbsp; Each symbol error results in exactly one bit error. However, since each quaternary symbol contains exactly two binary symbols, the bit error probability is obtained:
:$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
:$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$




'''(5)'''&nbsp; Bei der Berechnung der Symbolfehlerwahrscheinlichkeit $p_{\rm S}$ wird das verwendete Mapping nicht berücksichtigt. Wie in der Teilaufgabe '''(3)''' erhält man $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.
'''(5)'''&nbsp; When calculating the symbol error probability $p_{\rm S}$, the mapping used is not taken into account. As in subtask '''(3)''', we obtain $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.




'''(6)'''&nbsp; Die beiden äußeren Symbole werden mit $p$ verfälscht und führen auch beim Dualcode jeweils nur zu einem Bitfehler.
'''(6)'''&nbsp; The two outer symbols are distorted with $p$ and lead to only one bit error each even with dual code.
* Die inneren Symbole werden mit $2p$ verfälscht und führen nun im Mittel zu $1.5$ Bitfehlern.  
* The inner symbols are distorted with $2p$ and now lead to $1.5$ bit errors on average.
*Unter Berücksichtigung des Faktors $2$ im Nenner siehe Teilaufgabe '''(2)''' – erhält man somit für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit des Dualcodes:
*Taking into account the factor $2$ in the denominator see subtask '''(2)''' – we thus obtain for the bit error probability of the dual code:
:$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$
:$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$



Revision as of 14:31, 19 April 2022

Quaternary signals with dual and gray coding

The two shown signals  $s_{1}(t)$  and  $s_{2}(t)$  are two different realizations of a redundancy-free quaternary transmit signal, both derived from the blue drawn source signal  $q(t)$. 

For one of the transmitted signals, the so-called dual code with mapping

$$\mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -s_0/3,\hspace{0.35cm}

\mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +s_0$$ was used, for the other one a certain form of a gray code. This is characterized by the fact that the binary representation of adjacent amplitude values always differ only in a single bit.

The solution of the exercise should be based on the following assumptions:

  • The amplitude levels are  $±3\, \rm V$ and $±1 \, \rm V$.
  • The decision thresholds lie in the middle between two adjacent amplitude values, i.e. at  $–2\, \rm V$, $0\, \rm V$  and  $+2\, \rm V$.
  • The noise rms value  $\sigma_{d}$  is to be chosen so that the distortion probability from the outer symbol  $(+s_0)$  to the nearest symbol  $(+s_{0}/3)$  is exactly  $p = 1\%$.
  • Distortions to non-adjacent symbols can be excluded; in the case of Gaussian perturbations, this simplification is always allowed in practice.


One distinguishes in principle between

  • the  symbol error probability  $p_{\rm S}$  (related to the quaternary signal) and
  • the  bit error probability  $p_{B}$  (related to the binary source signal).




Notes:


Questions

1 Which of the signals  $s_{1}(t)$  or  $s_{2}(t)$  uses a gray coding?

$s_{1}(t)$  uses a gray coding.
$s_{2}(t)$  uses a gray coding.

2 Determine the noise rms value from the given condition.

$\sigma_{d} \ = \ $ $\ \rm V$

3 What is the symbol error probability using the gray code?

$p_{\rm S} \ = \ $ $\ \%$

4 What is the bit error probability with the gray code?

$p_{\rm B} \ = \ $ $\ \%$

5 What is the symbol error probability with the dual code?

$p_{\rm S} \ = \ $ $\ \%$

6 What is the bit error probability with the dual code?

$p_{\rm B} \ = \ $ $\ \%$


Solution

(1)  In the signal $s_{2}(t)$ one recognizes the realization of the dual code indicated at the beginning. On the other hand, in the signal $s_{2}(t)$ a gray code $\Rightarrow$ solution 1 with the following mapping was used:

$$\mathbf{HH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1, \hspace{0.35cm} \mathbf{HL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} -1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LL}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1/3, \hspace{0.35cm} \mathbf{LH}\hspace{0.1cm}\Leftrightarrow \hspace{0.1cm} +1 \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Let the probability $p$ that the amplitude value $3 \, \rm V$ falls below the adjacent decision threshold $2\, \rm V$ due to the Gaussian distributed noise with standard deviation $\sigma_{d}$ be $1\, \%$. It follows that:

$$ p = {\rm Q} \left ( \frac{3\,{\rm V} - 2\,{\rm V}} { \sigma_d}\right ) = 1 \%\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} {1\,{\rm V} }/ { \sigma_d} \approx 2.33 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} { \sigma_d}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.43\,{\rm V}}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  The two outer symbols are each distorted with probability $p$, the two inner symbols with double probability $(2p)$. By averaging considering equal symbol occurrence probabilities, we obtain

$$p_{\rm S} = 1.5 \cdot p \hspace{0.15cm}\underline { = 1.5 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  Each symbol error results in exactly one bit error. However, since each quaternary symbol contains exactly two binary symbols, the bit error probability is obtained:

$$p_{\rm B} = {p_{\rm S}}/ { 2}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.75 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  When calculating the symbol error probability $p_{\rm S}$, the mapping used is not taken into account. As in subtask (3), we obtain $p_{\rm S} \hspace{0.15cm}\underline{ = 1.5 \, \%}$.


(6)  The two outer symbols are distorted with $p$ and lead to only one bit error each even with dual code.

  • The inner symbols are distorted with $2p$ and now lead to $1.5$ bit errors on average.
  • Taking into account the factor $2$ in the denominator – see subtask (2) – we thus obtain for the bit error probability of the dual code:
$$p_{\rm B} = \frac{1} { 4} \cdot \frac{p + 2p \cdot 1.5 + 2p \cdot 1.5 + p} { 2} = p \hspace{0.15cm}\underline { = 1 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$