Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 5.3: AWGN and BSC Model"

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[[File:P_ID1831__Dig_A_5_3.png|right|frame|AWGN–Kanal und BSC–Modell]]
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[[File:P_ID1831__Dig_A_5_3.png|right|frame|AWGN channel and BSC model]]
Die Grafik zeigt oben das analoge Kanalmodell eines digitalen Übertragungssystems, wobei das additive Rauschsignal  $n(t)$  mit der (zweiseitigen) Rauschleistungsdichte  $N_0/2$  wirksam ist. Es handelt sich um AWGN–Rauschen. Die Varianz des Rauschanteils vor dem Entscheider (nach dem Matched–Filter) ist dann
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The graphic above shows the analog channel model of a digital transmission system, where the additive noise signal  $n(t)$  with the (two-sided) noise power density  $N_0/2$  is effective. This is AWGN noise. The variance of the noise component before the decision (after the matched filter) is then
 
:$$\sigma^2 = \frac{N_0}{2T} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\sigma^2 = \frac{N_0}{2T} \hspace{0.05cm}.$$
  
Weiter soll gelten:
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Further, let hold:
* Es treten keine Impulsinterferenzen auf. Wurde das Symbol  $q_{\nu} = \mathbf{H}$  gesendet, so ist der Nutzanteil des Detektionssignal gleich  $+s_0$, bei  $q_{\nu} = \mathbf{L}$  dagegen  $-s_0$.
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* No intersymbol interference occurs. If the symbol  $q_{\nu} = \mathbf{H}$  was sent, the useful component of the detection signal is equal to  $+s_0$, while for  $q_{\nu} = \mathbf{L}$,  it is equal to  $-s_0$.
* Der Schwellenwertentscheider berücksichtigt eine Schwellendrift, das heißt, die Schwelle&nbsp; $E$&nbsp; kann durchaus vom Optimalwert&nbsp; $E = 0$&nbsp; abweichen. Die <i>Entscheidungsregel</i> lautet:
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* The threshold decision takes into account a threshold drift, that is, the threshold&nbsp; $E$&nbsp; may well deviate from the optimal value&nbsp; $E = 0$.&nbsp; The <i>decision rule</i> is:
 
:$$\upsilon_\nu =
 
:$$\upsilon_\nu =
 
  \left\{ \begin{array}{c} \mathbf{H} \\
 
  \left\{ \begin{array}{c} \mathbf{H} \\
 
  \mathbf{L} \end{array} \right.\quad
 
  \mathbf{L} \end{array} \right.\quad
\begin{array}{*{1}c} {\rm falls}\hspace{0.15cm}d (\nu \cdot T) > E  \hspace{0.05cm},
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\begin{array}{*{1}c} {\rm if}\hspace{0.15cm}d (\nu \cdot T) > E  \hspace{0.05cm},
\\  {\rm falls} \hspace{0.15cm} d (\nu \cdot T) \le E\hspace{0.05cm}.\\ \end{array}$$
+
\\  {\rm if} \hspace{0.15cm} d (\nu \cdot T) \le E\hspace{0.05cm}.\\ \end{array}$$
* Mit dem Schwellenwert&nbsp; $E = 0$&nbsp; ergibt sich die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit zu
+
* With the threshold value&nbsp; $E = 0$,&nbsp; the mean error probability is given by
 
:$$p_{\rm M} = {\rm Q} \left ( {s_0}/{\sigma} \right ) = 0.01\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_{\rm M} = {\rm Q} \left ( {s_0}/{\sigma} \right ) = 0.01\hspace{0.05cm}.$$
  
Die untere Grafik zeigt ein digitales Kanalmodell, das durch die vier Übergangswahrscheinlichkeiten&nbsp; $p_1,&nbsp; p_2,&nbsp; p_3$&nbsp; und&nbsp; $p_4$&nbsp; charakterisiert ist. Dieses soll an das analoge Kanalmodell angepasst werden.
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The bottom graph shows a digital channel model characterized by the four transition probabilities&nbsp; $p_1,&nbsp; p_2,&nbsp; p_3$&nbsp; and&nbsp; $p_4$.&nbsp; This is to be fitted to the analog channel model.
  
  
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''Hinweise:''
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''Notes:''
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Binary_Symmetric_Channel_(BSC)| Binary Symmetric Channel (BSC)]].  
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* The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Binary_Symmetric_Channel_(BSC)| "Binary Symmetric Channel (BSC)"]].  
* Zahlenwerte der Q&ndash;Funktion können mit dem interaktiven Applet&nbsp; [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]]&nbsp; ermittelt werden.
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* Numerical values of the Q&ndash;function can be determined with the interactive applet&nbsp; [[Applets:Complementary_Gaussian_Error_Functions|"Complementary Gaussian Error Functions"]].&nbsp;  
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
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{Welcher Quotient&nbsp; $s_0/\sigma$&nbsp; liegt dieser Aufgabe zugrunde?
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{Which quotient&nbsp; $s_0/\sigma$&nbsp; is the basis of this exercise?
 
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$s_0/\sigma\ = \ ${ 2.32 3% }
 
$s_0/\sigma\ = \ ${ 2.32 3% }
  
{Für die Schwelle gelte&nbsp; $E = 0$. Ist das vorliegende digitale Übertragungssystem durch das BSC&ndash;Modell beschreibbar, unter der Voraussetzung, dass
+
{For the threshold, let&nbsp; $E = 0$. Is the digital transmission system at hand describable by the BSC model, assuming that
 
|type="[]"}
 
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+ die Quellensymbole&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; und&nbsp; $\mathbf{H}$&nbsp; gleichwahrscheinlich sind,
+
+ the source symbols&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; and&nbsp; $\mathbf{H}$&nbsp; are equally probable,
+ das Quellensymbol&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; deutlich häufiger auftritt als $\mathbf{H}$?
+
+ the source symbol&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; occurs significantly more frequently than $\mathbf{H}$?
  
{Berechnen Sie die Übergangswahrscheinlichkeiten für&nbsp; $E = +s_0/4$.
+
{Calculate the transition probabilities for&nbsp; $E = +s_0/4$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$p_1 \ = \ $ { 0.959 3% }
 
$p_1 \ = \ $ { 0.959 3% }
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$p_4 \ = \ $ { 0.998 3% }
 
$p_4 \ = \ $ { 0.998 3% }
  
{Nun gelte&nbsp; $E = +s_0/4$. Ist das vorliegende digitale Übertragungssystem durch das BSC&ndash;Modell beschreibbar, unter der Voraussetzung, dass
+
{Now let&nbsp; $E = +s_0/4$. Is the present digital transmission system describable by the BSC model under the condition that
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- die Quellensymbole&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; und&nbsp; $\mathbf{H}$&nbsp; gleichwahrscheinlich sind,
+
- the source symbols&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; and&nbsp; $\mathbf{H}$&nbsp; are equally probable,
- das Quellensymbol&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; deutlich häufiger auftritt als&nbsp; $\mathbf{H}$?
+
- the source symbol&nbsp; $\mathbf{L}$&nbsp; occurs significantly more frequently than&nbsp; $\mathbf{H}$?
  
{Es gelte&nbsp; $p_{\rm L} = {\rm Pr}(q_{\nu} = \mathbf{L})$&nbsp; und&nbsp; $p_{\rm H} = {\rm Pr}(q_{\nu} = \mathbf{H})$. Welche der folgenden Aussagen sind dann für die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit&nbsp; $p_{\rm M}$&nbsp; zutreffend?
+
{Let&nbsp; $p_{\rm L} = {\rm Pr}(q_{\nu} = \mathbf{L})$&nbsp; and&nbsp; $p_{\rm H} = {\rm Pr}(q_{\nu} = \mathbf{H})$. Which of the following statements is then true for the mean error probability&nbsp; $p_{\rm M}$?&nbsp;  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $p_{\rm M}$&nbsp; ist beim BSC&ndash;Modell &nbsp;$($gültig für &nbsp;$E = 0)$&nbsp; unabhängig von&nbsp; $p_{\rm L}$&nbsp; und &nbsp;$p_{\rm H}$.
+
+ $p_{\rm M}$&nbsp; in the BSC model &nbsp;$($valid for &nbsp;$E = 0)$&nbsp; is independent of&nbsp; $p_{\rm L}$&nbsp; and &nbsp;$p_{\rm H}$.
- $p_{\rm M}$&nbsp; ist beim BSC&ndash;Modell &nbsp;$($gültig für &nbsp;$E = 0)$&nbsp; für&nbsp; $p_{\rm L} = p_{\rm H}$&nbsp; am kleinsten.
+
- $p_{\rm M}$&nbsp; in the BSC model &nbsp;$($valid for &nbsp;$E = 0)$&nbsp; is smallest for&nbsp; $p_{\rm L} = p_{\rm H}$.&nbsp;  
+ Für&nbsp; $p_{\rm L} = 0.9$,&nbsp; $p_{\rm H} = 0.1$&nbsp; und&nbsp; $E = +s_0/4$&nbsp; ist&nbsp; $p_{\rm M} < 1\%$.
+
+ For&nbsp; $p_{\rm L} = 0.9$,&nbsp; $p_{\rm H} = 0.1$&nbsp; and&nbsp; $E = +s_0/4$&nbsp; is&nbsp; $p_{\rm M} < 1\%$.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit beträgt $p_{\rm M} = {\rm Q}(s_0/\sigma) = 0.01$.  
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'''(1)'''&nbsp; The average error probability is $p_{\rm M} = {\rm Q}(s_0/\sigma) = 0.01$.  
*Daraus folgt für den Quotienten aus Detektionsnutzabtastwert und Detektionsstöreffektivwert:
+
*From this it follows for the quotient of the detection useful sample value and the detection noise rms value:
 
:$${s_0}/{\sigma}= {\rm Q}^{-1} \left ( 0.01 \right ) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 2.32}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$${s_0}/{\sigma}= {\rm Q}^{-1} \left ( 0.01 \right ) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 2.32}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Mit $E = 0$ ergibt sich für die Wahrscheinlichkeiten des vorgegebenen digitalen Kanalmodells:
+
'''(2)'''&nbsp; With $E = 0$, the probabilities of the given digital channel model are given by:
 
:$$p_2 = p_3 = p = 0.01 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}p_1 = p_4 = 1-p = 0.99\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$p_2 = p_3 = p = 0.01 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}p_1 = p_4 = 1-p = 0.99\hspace{0.05cm}.$$
  

Revision as of 13:55, 26 August 2022

AWGN channel and BSC model

The graphic above shows the analog channel model of a digital transmission system, where the additive noise signal  $n(t)$  with the (two-sided) noise power density  $N_0/2$  is effective. This is AWGN noise. The variance of the noise component before the decision (after the matched filter) is then

$$\sigma^2 = \frac{N_0}{2T} \hspace{0.05cm}.$$

Further, let hold:

  • No intersymbol interference occurs. If the symbol  $q_{\nu} = \mathbf{H}$  was sent, the useful component of the detection signal is equal to  $+s_0$, while for  $q_{\nu} = \mathbf{L}$,  it is equal to  $-s_0$.
  • The threshold decision takes into account a threshold drift, that is, the threshold  $E$  may well deviate from the optimal value  $E = 0$.  The decision rule is:
$$\upsilon_\nu = \left\{ \begin{array}{c} \mathbf{H} \\ \mathbf{L} \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm if}\hspace{0.15cm}d (\nu \cdot T) > E \hspace{0.05cm}, \\ {\rm if} \hspace{0.15cm} d (\nu \cdot T) \le E\hspace{0.05cm}.\\ \end{array}$$
  • With the threshold value  $E = 0$,  the mean error probability is given by
$$p_{\rm M} = {\rm Q} \left ( {s_0}/{\sigma} \right ) = 0.01\hspace{0.05cm}.$$

The bottom graph shows a digital channel model characterized by the four transition probabilities  $p_1,  p_2,  p_3$  and  $p_4$.  This is to be fitted to the analog channel model.




Notes:



Questions

1

Which quotient  $s_0/\sigma$  is the basis of this exercise?

$s_0/\sigma\ = \ $

2

For the threshold, let  $E = 0$. Is the digital transmission system at hand describable by the BSC model, assuming that

the source symbols  $\mathbf{L}$  and  $\mathbf{H}$  are equally probable,
the source symbol  $\mathbf{L}$  occurs significantly more frequently than $\mathbf{H}$?

3

Calculate the transition probabilities for  $E = +s_0/4$.

$p_1 \ = \ $

$p_2 \ = \ $

$p_3 \ = \ $

$p_4 \ = \ $

4

Now let  $E = +s_0/4$. Is the present digital transmission system describable by the BSC model under the condition that

the source symbols  $\mathbf{L}$  and  $\mathbf{H}$  are equally probable,
the source symbol  $\mathbf{L}$  occurs significantly more frequently than  $\mathbf{H}$?

5

Let  $p_{\rm L} = {\rm Pr}(q_{\nu} = \mathbf{L})$  and  $p_{\rm H} = {\rm Pr}(q_{\nu} = \mathbf{H})$. Which of the following statements is then true for the mean error probability  $p_{\rm M}$? 

$p_{\rm M}$  in the BSC model  $($valid for  $E = 0)$  is independent of  $p_{\rm L}$  and  $p_{\rm H}$.
$p_{\rm M}$  in the BSC model  $($valid for  $E = 0)$  is smallest for  $p_{\rm L} = p_{\rm H}$. 
For  $p_{\rm L} = 0.9$,  $p_{\rm H} = 0.1$  and  $E = +s_0/4$  is  $p_{\rm M} < 1\%$.


Solution

(1)  The average error probability is $p_{\rm M} = {\rm Q}(s_0/\sigma) = 0.01$.

  • From this it follows for the quotient of the detection useful sample value and the detection noise rms value:
$${s_0}/{\sigma}= {\rm Q}^{-1} \left ( 0.01 \right ) \hspace{0.15cm}\underline {\approx 2.32}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  With $E = 0$, the probabilities of the given digital channel model are given by:

$$p_2 = p_3 = p = 0.01 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}p_1 = p_4 = 1-p = 0.99\hspace{0.05cm}.$$
  • Ein Vergleich mit dem Theorieteil zeigt, dass dieses Kanalmodell dem BSC–Modell entspricht, und zwar unabhängig von der Statistik der Quellensymbole.
  • Richtig sind also beide Lösungsvorschläge.


(3)  Die Übergangswahrscheinlichkeit $p_2$ beschreibt nun den Fall, dass die Enscheiderschwelle $E = 0.25 \cdot s_0$ fälschlicherweise unterschritten wurde.

  • Dann ist $v_{\nu} = \mathbf{L}$, obwohl $q_{\nu} = \mathbf{H}$ gesendet wurde. Der Abstand von der Schwelle beträgt somit nur $0.75 \cdot s_0$ und es gilt:
$$p_{\rm 2} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}{\rm Q} \left ( \frac{0.75 \cdot s_0}{\sigma} \right ) = {\rm Q} \left ( 0.75 \cdot 2.32 \right ) = {\rm Q} \left ( 1.74 \right )\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.041}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} p_{\rm 1} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm}1 - p_{\rm 2} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.959}\hspace{0.05cm}.$$
  • In ähnlicher Weise können die Übergangswahrscheinlichkeiten $p_3$ und $p_4$ berechnet werden, wobei nun vom Schwellenabstand $1.25 \cdot s_0$ auszugehen ist:
$$p_{\rm 3} = {\rm Q} \left ( 1.25 \cdot 2.32 \right ) = {\rm Q} \left ( 2.90 \right )\hspace{0.15cm}\underline {\approx 0.002}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} p_{\rm 4} = 1 - p_{\rm 3}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.998}\hspace{0.05cm}.$$


(4)  Keiner der beiden Lösungsvorschläge trifft zu:

  • Mit der Entscheiderschwelle $E ≠ 0$ ist das BSC–Modell unabhängig von der Symbolstatistik nicht anwendbar,
  • da die Symmetrieeigenschaft des Kanals (das Kennzeichen "S" in "BSC") nicht gegeben ist.


(5)  Die Aussagen 1 und 3 treffen zu, nicht aber die Aussage 2:

  • Beim BSC–Modell ist $p_{\rm M} = 1\%$ unabhängig von den Symbolwahrscheinlichkeiten $p_{\rm L}$ und $p_{\rm H}$.
  • Dagegen gilt für $p_{\rm L} = 0.9$, $p_{\rm H} = 0.1$ sowie $E = +s_0/4$:
$$p_{\rm M} = 0.9 \cdot p_{\rm 3} + 0.1 \cdot p_{\rm 2}= 0.9 \cdot 0.2\% + 0.1 \cdot 4.1\% \approx 0.59\% \hspace{0.05cm}.$$
  • Das Minimum ergibt sich für $p_{\rm L} = 0.93$ und $p_{\rm H} = 0.07$ zu $p_{\rm M} \approx 0.45\%$.