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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 5.5: Error Sequence and Error Distance Sequence"

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{{quiz-Header|Buchseite=Digitalsignalübertragung/Binary Symmetric Channel (BSC)}}
+
{{quiz-Header|Buchseite=Digital_Signal_Transmission/Binary_Symmetric_Channel_(BSC)}}
  
[[File:P_ID1834__Dig_A_5_5.png|right|frame|Fehlerfolge (oben, blau) und Fehlerabstandsfolge (unten, rot)]]
+
[[File:P_ID1834__Dig_A_5_5.png|right|frame|Error sequence (top, blue) and error distance sequence (bottom, red)]]
Eine jede Fehlerfolge  〈e_{\nu}〉  kann man auch als die Folge  〈a_n〉  der Fehlerabstände angeben. Ist die mittlere Fehlerwahrscheinlichkeit nicht zu groß, dann ergibt sich so ein geringerer Speicherbedarf als bei Speicherung der Fehlerfolge. Für den Vergleich in dieser Aufgabe soll von den folgenden Voraussetzungen ausgegangen werden:
+
Any error sequence  〈e_{\nu}〉  can also be specified as the sequence  〈a_n〉  of error distances. If the average error probability is not too large, then this results in a lower memory requirement than if the error sequence is stored. For the comparison in this exercise, the following assumptions are to be made:
* Abgespeichert werden soll jeweils eine Fehlerfolge der Länge  N=106  Elementen.
+
* A error sequence of length  N=106  elements is to be stored in each case.
* Für die Speicherung von  〈e_{\nu}〉  soll die speichereffizienteste Methode (ein Bit pro Fehler) verwendet werden.
+
* The most memory-efficient method (one bit per error) is to be used for storing  〈e_{\nu}〉.   
* Jeder Fehlerabstand wird durch 4 Byte (32 Bit) dargestellt.
+
* Each error distance is represented by 4 bytes (32 bits).
  
  
Ist das zugrundeliegende Kanalmodell erneuernd wie zum Beispiel das BSC–Modell, so können zur Generierung der Fehlerfolge  〈e_{\nu}〉  auf einem Digitalrechner zwei unterschiedliche Methoden angewandt werden:
+
If the underlying channel model is renewing, such as the BSC model, two different methods can be used to generate the error sequence  〈e_{\nu}〉  on a digital computer:
* die symbolweise Erzeugung der Fehler, beim BSC–Modell gemäß den Wahrscheinlichkeiten  p  (Fehler) und  1p  (kein Fehler),
+
* the symbol-wise generation of the errors, in the BSC model according to the probabilities  p  (error) and  1p  (no error),
* die Erzeugung der Fehlerabstände, beim BSC–Modell entsprechend der  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Binomialverteilung| Binomialverteilung]].
+
* the generation of the error distances, in the BSC model according to the  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Binomial_Distribution| "binomial distribution"]].
  
  
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''Hinweise:''
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''Notes:''
* Die Aufgabe gehört zum Themengebiet des Kapitels  [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/Binary_Symmetric_Channel_(BSC)| Binary Symmetric Channel (BSC)]].  
+
* The exercise belongs to the topic of the chapter  [[Digital_Signal_Transmission/Binary_Symmetric_Channel_(BSC)| "Binary Symmetric Channel (BSC)"]].  
* Bei den folgenden Fragen gibt  Ge  die erforderliche Dateigröße (in Byte) zur Abspeicherung der Fehlerfolge  〈e_{\nu}〉  und  Ga  (ebenfalls in Byte) die Dateigröße bei Abspeicherung der Fehlerabstandsfolge  〈a_n〉 an.
+
* In the following questions,  Ge  indicates the required file size (in bytes) for storing the error sequence  〈e_{\nu}〉  and  Ga  indicates (also in bytes) the file size when storing the error distance sequence  〈a_n〉. 
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wieviel Speicherplatz (in Byte) wird benötigt, wenn man eine Fehlerfolge der Länge&nbsp;  N=106&nbsp; direkt abspeichert?
+
{How much storage space (in bytes) is required when saving an error sequence of length&nbsp;  N=106&nbsp; directly?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Ge = { 125 3% }  kByte
 
Ge = { 125 3% }  kByte
  
{Wie groß wird die Dateigröße in etwa bei Speicherung der Fehlerabstände? Es gelte&nbsp; pM=103.
+
{What is the approximate size of the file when storing the error distances? Let&nbsp; pM=103.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Ga = { 4 3% }  kByte
 
Ga = { 4 3% }  kByte
  
{Wie groß wird die Datei bei Speicherung der Fehlerabstände mit&nbsp; pM=0.5?
+
{How large will the file be when storing the error distances with&nbsp; pM=0.5?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
Ga = { 2000 3% }  kByte
 
Ga = { 2000 3% }  kByte
  
{Geben Sie die Grenze&nbsp; pM, max&nbsp; der BSC&ndash;Fehlerwahrscheinlichkeit an, bei der die Speicherung als Fehlerabstandsfolge sinnvoll ist.
+
{Specify the limit&nbsp; pM, max&nbsp; of the BSC error probability at which storage as an error distance sequence is reasonable.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
pM, max = { 3.125 3% }  %
 
pM, max = { 3.125 3% }  %
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Pro Element eν der Fehlerfolge benötigt man genau ein $\rm Bit$.  
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'''(1)'''&nbsp; For each element eν of the error sequence exactly one $\rm bit$ is needed.
*Die Multiplikation mit N ergibt $10^6 \ \rm Bit$ entsprechend Ge =125 kByte_.  
+
*Multiplication by N results in $10^6 \ \rm bits$ corresponding to Ge =125 kByte_.  
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Mit N=106 und p_{\rm M} = 10^{&ndash;3} sind ca. 1000 Fehlerabstände abzuspeichern, jeder einzelne mit $4 \ \rm Byte&nbsp; &#8658; &nbsp;G_a \ \underline {= 4  \rm kByte}$.  
+
'''(2)'''&nbsp; With N=106 and p_{\rm M} = 10^{&ndash;3}, about 1000 error distances are to be stored, each one with $4 \ \rm bytes&nbsp; &#8658; &nbsp;G_a \ \underline {= 4  \rm kByte}$.  
*Im Gegensatz zur Speicherung der Fehlerfolge wird dieser Wert leicht variieren, da in einer Fehlerfolge der (begrenzten) Länge N=106 nicht immer exakt 1000 Fehler auftreten werden.
+
*In contrast to the storage of the error sequence, this value will vary slightly, since in an error sequence of the (limited) length N=106 not always exactly 1000 errors will occur.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Nun werden im Mittel 0.5106 Fehler auftreten &nbsp; &#8658; &nbsp; Ga =2000 KByte_.  
+
'''(3)'''&nbsp; Now, on average, 0.5106 errors will occur &nbsp; &#8658; &nbsp; Ga =2000 KByte_.  
*Daraus ist ersichtlich, dass die Speicherung der Fehlerabstände nur sinnvoll ist, wenn die (mittlere) Fehlerwahrscheinlichkeit nicht zu groß ist.
+
*From this it can be seen that storing the error distances only makes sense if the (average) error probability is not too large.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Aus den Erklärungen zu den oberen Teilaufgaben folgt:
+
'''(4)'''&nbsp; From the explanations of the upper subtasks it follows:
 
:$$N \cdot p_{\rm M} \cdot 4 < {N}/{8} \Rightarrow
 
:$$N \cdot p_{\rm M} \cdot 4 < {N}/{8} \Rightarrow
 
\hspace{0.3cm}p_{\rm M, \hspace{0.05cm}max} = {1}/{32} \hspace{0.15cm}\underline {=
 
\hspace{0.3cm}p_{\rm M, \hspace{0.05cm}max} = {1}/{32} \hspace{0.15cm}\underline {=
 
3.125\%}\hspace{0.05cm}.$$
 
3.125\%}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Dieses Ergebnis ist unabhängig von der Folgenlänge N.
+
*This result is independent of the sequence length N.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
 
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^5.2 Binary Symmetric Channel^]]
 
[[Category:Digital Signal Transmission: Exercises|^5.2 Binary Symmetric Channel^]]

Revision as of 20:46, 27 August 2022

Error sequence (top, blue) and error distance sequence (bottom, red)

Any error sequence  eν  can also be specified as the sequence  an  of error distances. If the average error probability is not too large, then this results in a lower memory requirement than if the error sequence is stored. For the comparison in this exercise, the following assumptions are to be made:

  • A error sequence of length  N=106  elements is to be stored in each case.
  • The most memory-efficient method (one bit per error) is to be used for storing  eν
  • Each error distance is represented by 4 bytes (32 bits).


If the underlying channel model is renewing, such as the BSC model, two different methods can be used to generate the error sequence  eν  on a digital computer:

  • the symbol-wise generation of the errors, in the BSC model according to the probabilities  p  (error) and  1p  (no error),
  • the generation of the error distances, in the BSC model according to the  "binomial distribution".




Notes:

  • The exercise belongs to the topic of the chapter  "Binary Symmetric Channel (BSC)".
  • In the following questions,  Ge  indicates the required file size (in bytes) for storing the error sequence  eν  and  Ga  indicates (also in bytes) the file size when storing the error distance sequence  an



Questions

1

How much storage space (in bytes) is required when saving an error sequence of length  N=106  directly?

Ge = 

 kByte

2

What is the approximate size of the file when storing the error distances? Let  pM=103.

Ga = 

 kByte

3

How large will the file be when storing the error distances with  pM=0.5?

Ga = 

 kByte

4

Specify the limit  pM, max  of the BSC error probability at which storage as an error distance sequence is reasonable.

pM, max = 

 %


Solution

(1)  For each element eν of the error sequence exactly one bit is needed.

  • Multiplication by N results in 106 bits corresponding to Ge =125 kByte_.


(2)  With N=106 and p_{\rm M} = 10^{–3}, about 1000 error distances are to be stored, each one with 4 \ \rm bytes   ⇒   G_a \ \underline {= 4 \rm kByte}.

  • In contrast to the storage of the error sequence, this value will vary slightly, since in an error sequence of the (limited) length N = 10^6 not always exactly 1000 errors will occur.


(3)  Now, on average, 0.5 \cdot 10^6 errors will occur   ⇒   G_a \ \underline {= 2000 \ \rm KByte}.

  • From this it can be seen that storing the error distances only makes sense if the (average) error probability is not too large.


(4)  From the explanations of the upper subtasks it follows:

N \cdot p_{\rm M} \cdot 4 < {N}/{8} \Rightarrow \hspace{0.3cm}p_{\rm M, \hspace{0.05cm}max} = {1}/{32} \hspace{0.15cm}\underline {= 3.125\%}\hspace{0.05cm}.
  • This result is independent of the sequence length N.