Exercise 4.8: Numerical Analysis of the AWGN Channel Capacity

Für die Kanalkapazität C des AWGN–Kanals als obere Schranke für die Coderate R bei Digitalsignalübertragung gibt es zwei verschiedene Gleichungen :

Kanalkapazität C in Abhängigkeit von E_S/N₀: $$C( E_{\rm S}/{N_0}) = \frac{1}{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { 2 \cdot E_{\rm S}}{N_0}) .$$ Hierbei sind folgende Abkürzungen verwendet:

E_S: die Energie pro Symbol des Digitalsignals,
N₀: die AWGN–Rauschleistungsdichte.

Kanalkapazität C in Abhängigkeit von E_B/N₀: $$C( E_{\rm B}/{N_0}) = \frac{1}{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { 2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}) .$$

Berücksichtigt ist der Zusammenhang E_S = R · E_B, wobei R die Coderate der bestmöglichen Kanalcodierung angibt. Eine fehlerfreie Übertragung (unter Berücksichtigung dieses optimalen Codes) ist für das gegebene E_B/N₀ möglich, so lange R ≤ C gilt ⇒ Kanalcodierungstheorem von Shannon.'

Durch die Tabelle vorgegeben ist der Kurvenverlauf C(E_S/N₀). Im Mittelpunkt dieser Aufgabe steht die numerische Auswertung der zweiten Gleichung.

Hinweis

Die Aufgabe gehört zum Themengebiet von Kapitel 4.3.

Fragebogen

	R = 1/2 · log₂ (1 + 2 · R · E_B/N₀),
	2²^R = 1 + 2 · R · E_B/N₀,
	E_B/N₀ = (2²^R –1)/(2R).

$Min [EB/N0]$ =

$Min[10 · lg (EB/N0)]$ =

$10 · lg (EB/N0) = 0 dB: C$ =

$R = 1: Min [EB/N0]$ =

	Berechnung der Kanalkapazität C für das vorgegebene E_B/N₀.
	Berechnung des erforderlichen E_B/N₀ für das vorgegebene C.

Musterlösung

Solution

(1) Ausgehend von der Gleichung $$C = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + { 2 \cdot E_{\rm S}}/{N_0}) $$ erhält man mit C = R und E_S = R · E_B die Gleichung gemäß Lösungsvorschlag 1: $$R = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + { 2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}/{N_0})\hspace{0.05cm}. $$ Bringt man den Faktor 1/2 auf die linke Seite der Gleichung und bildet die Potenz zur Basis 2, so erhält man den Lösungsvorschlag 2: $$2^{2R} = 1 + 2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/{N_0}\hspace{0.05cm}. $$ Löst man diese Gleichung nach E_B/N₀ auf, so ergibt sich $$E_{\rm B}/{N_0} = \frac{2^{2R} - 1} { 2 R} \hspace{0.05cm}. $$ Das bedeutet: Alle Lösungsvorschläge sind richtig.

(2) Über einen Kanal mit der Kanalkapazität C ist eine fehlerfreie Übertragung möglich, solange die Coderate R ≤ C ist. Die absolute Grenze ergibt sich im Grenzfall C = R = 0. Oder präziser ausgedrückt: für ein beliebig kleines positives ε: C = R = ε mit ε → 0.

Mit dem Ergebnis der Teilaufgabe (a) lautet die Bestimmungsgleichung: $${\rm Min}\hspace{0.1cm}[E_{\rm B}/{N_0}] = \lim\limits_{R \hspace{0.05cm}\rightarrow \hspace{0.05cm}0}\frac{2^{2R} - 1} { 2 R} \hspace{0.05cm}. $$ Da hier der Quotient im Grenzübergang R → 0 das Ergebnis „0 geteilt durch 0” liefert, ist hier die l'Hospitalsche Regel anzuwenden: Man differenziert Zähler und Nenner, bildet den Quotienten und setzt schließlich R = 0 ein. Mit x = 2R lautet das Ergebnis: $${\rm Min}\hspace{0.1cm}[E_{\rm B}/{N_0}] = \lim\limits_{x \hspace{0.05cm}\rightarrow \hspace{0.05cm}0}\frac{2^{x} - 1} { x} = \frac{{\rm ln}\hspace{0.1cm} (2) \cdot 2^{x} } { 1} \hspace{0.05cm}\bigg |_{x=0} = {\rm ln}\hspace{0.1cm} (2) \hspace{0.15cm}\underline{= 0.693} \hspace{0.05cm}.$$

(3) In logarithmierter Form erhält man: $${\rm Min}\hspace{0.1cm}[10\cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(E_{\rm B}/{N_0})] = 10\cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(0.693) \hspace{0.15cm}\underline{= -1.59\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}. $$

(4) Der Abszissenwert lautet somit in nichtlogarithmierter Form: E_B/N₀ = 1. Daraus folgt mit C = R: $$\frac{2^{2C} - 1} { 2 C} \stackrel{!}{=} 1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}\underline{C = 0.5} \hspace{0.05cm}. $$

(5) Für R = 1 ist E_B = E_S. Deshalb gilt: $$ C(E_{\rm B}/{N_0}) = 1 \hspace{0.3cm}\Longleftrightarrow \hspace{0.3cm} C(E_{\rm S}/{N_0}) = 1 \hspace{0.05cm}.$$ Aus der Tabelle auf der Angabenseite ist abzulesen: $$ C(E_{\rm S}/{N_0}) = 1 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} E_{\rm S}/{N_0} = 1.5 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} \underline{E_{\rm B}/{N_0} = 1.5}\hspace{0.05cm}.$$ Der dazugehörige dB–Wert ist 10 · lg (E_B/N₀) = 1.76 dB.

Zum gleichen Ergebnis kommt man mit R = 1 über die Gleichung $$E_{\rm B}/{N_0} = \frac{2^{2R} - 1} { 2 \cdot R} = \frac{4 - 1} { 2 } = 1.5 \hspace{0.05cm}.$$ (6) Richtig ist der Lösungsvorschlag 2, wie an einem Beispiel gezeigt werden soll.

Gesucht ist die Kanalkapazität C für 10 · lg (E_B/N₀) = 15 dB ⇒ E_B/N₀ = 31.62. Dann gilt entsprechend dem Lösungsvorschlag 1 mit x = 2C:

$$31.62 = \frac{2^{x} - 1} { x} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 31.62 \cdot x = 2^{x} - 1 \hspace{0.05cm}. $$

Die Lösung x = 7.986 ⇒ C = 3.993 (bit/use) kann nur grafisch oder iterativ gefunden werden.

Gesucht ist der notwendige Abszissenwert 10 · lg (E_B/N₀) für die Kapazität C = 4 bit/Symbol:

$$E_{\rm B}/{N_0} = \frac{2^{2C} - 1} { 2 \cdot C} = \frac{2^8 - 1} { 8 } = 31.875 \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10\cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(E_{\rm B}/{N_0}) = 15.03\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$

Die Grafik zeigt die AWGN–Kanalkapazität C in „bit/Kanalzugriff” oder auch „bit/Symbol” abhängig von

10 · lg (E_S/N₀) ⇒ rote Kurve und rote Zahlen;
diese

geben die Kanalkapazität C für das vorgegebene 10 · lg (E_S/N₀) an.

10 · lg (E_B/N₀) ⇒ grüne Kurve und und grüne Zahlen;
diese geben das erforderliche 10 · lg (E_B/N₀) für die vorgegebene Kanalkapazität C an.

Der Schnittpunkt der beiden Kurven liegt bei 1.76 dB.