Exercise 3.3: Code Sequence Calculation via U(D) and G(D)
Nebenstehend ist für den betrachteten Faltungscode der linke obere Ausschnitt der Generatormatrix $\mathbf{G}$ dargestellt. Daraus sollen unter der Randbedingung $m ≤ 2$ die Teilmatrizen $\mathbf{G}_l$ extrahiert werden, womit dann die Übertragungsfunktionsmatrix entsprechend folgender Gleichung zusammengestellt werden kann:
- $${\boldsymbol{\rm G}}(D) = \sum_{l = 0}^{m} {\boldsymbol{\rm G}}_l \cdot D\hspace{0.03cm}^l = {\boldsymbol{\rm G}}_0 + {\boldsymbol{\rm G}}_1 \cdot D + \ \text{...} \ \hspace{0.05cm}+ {\boldsymbol{\rm G}}_m \cdot D\hspace{0.03cm}^m \hspace{0.02cm}.$$
Gesucht werden die $n$ Codesequenzen $\underline{x}^{(1)}, \ \underline{x}^{(2)}, \hspace{0.05cm} \text{...} \hspace{0.05cm} , \ \underline{x}^{(n)}$, wobei von folgender Informationssequenz auszugehen ist:
- $$\underline{u} = (0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} \text{...} \hspace{0.05cm}\hspace{0.05cm}) $$
Diese Sequenz ist dabei in $k$ Teilsequenzen $\underline{u}^{(1)}, \ \underline{u}^{(2)}, \hspace{0.05cm} \text{...} \hspace{0.05cm} , \ \underline{u}^{(k)}$ aufzuspalten.
- Aus deren $D$–Transformierten
- $${U}^{(1)}(D) \hspace{0.15cm}\bullet\!\!-\!\!\!-^{\hspace{-0.25cm}D}\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm} \underline{u}^{(1)},\hspace{0.25cm} ...\hspace{0.25cm},\hspace{0.05cm} {U}^{(k)}(D) \hspace{0.15cm}\bullet\!\!-\!\!\!-^{\hspace{-0.25cm}D}\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm} \underline{u}^{(k)} $$
- wird der Vektor $\underline{U}(D) = (U^{(1)}(D), \hspace{0.05cm} \text{...} \hspace{0.05cm} , \ U^{(k)}(D))$ gebildet.
- Dann gilt für den Codesequenzvektor in $D$–Darstellung:
- $$\underline{X}(D) = \left (\hspace{0.05cm} {X}^{(1)}(D)\hspace{0.05cm}, \hspace{0.05cm} \text{...} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.05cm} {X}^{(k)}(D)\hspace{0.05cm}\right ) = \underline{U}(D) \cdot {\boldsymbol{\rm G}}(D)\hspace{0.05cm}.$$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Algebraische und polynomische Beschreibung.
- Der hier zugrunde liegende Codierer ist identisch mit dem von Aufgabe 3.2.
- Nachdem auch $\underline{u}$ gleich bleibt, muss sich hier die gleiche Codesequenz $\underline{x}$ ergeben wie in Aufgabe 3.2, siehe Musterlösung.
- Die Lösungswege beider Aufgaben unterscheiden sich allerdings grundlegend.
Fragebogen
Musterlösung
- $${ \boldsymbol{\rm G}}=\begin{pmatrix} { \boldsymbol{\rm G}}_0 & { \boldsymbol{\rm G}}_1 & { \boldsymbol{\rm G}}_2 & \cdots & { \boldsymbol{\rm G}}_m & & & \\ & { \boldsymbol{\rm G}}_0 & { \boldsymbol{\rm G}}_1 & { \boldsymbol{\rm G}}_2 & \cdots & { \boldsymbol{\rm G}}_m & &\\ & & { \boldsymbol{\rm G}}_0 & { \boldsymbol{\rm G}}_1 & { \boldsymbol{\rm G}}_2 & \cdots & { \boldsymbol{\rm G}}_m &\\ & & & \ddots & \ddots & & & \ddots \end{pmatrix}\hspace{0.05cm}.$$
Aus der Grafik auf der Angabenseite lassen sich die $k × n$–Teilmatrizen ermitteln:
- $${ \boldsymbol{\rm G}}_0=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} { \boldsymbol{\rm G}}_1=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} { \boldsymbol{\rm G}}_2=\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm}. $$
Die Codeparameter lauten somit: $\underline{n = 4}$, $\underline{k = 3}$, $\underline{m = 2}$.
Hinweise:
- Der dargestellte Teil von $\mathbf{G}$ hätte für $m > 2$ das gleiche Aussehen wie für $m = 2$.
- Deshalb war die Zusatzangabe $m ≤ 2$ erforderlich.
(2) Alle Lösungsvorschläge sind richtig. Entsprechend dem Angabenblatt gilt
- $${\boldsymbol{\rm G}}(D) = {\boldsymbol{\rm G}}_0 + {\boldsymbol{\rm G}}_1 \cdot D + {\boldsymbol{\rm G}}_2 \cdot D^2 = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1+D & 1+D & 1 \\ 0 & D & 1+D^2 & 1+D^2 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm}.$$
(3) Nach Aufteilung der Informationssequenz
- $$\underline{u} = (0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm}, ... \hspace{0.05cm})$$
- auf die drei Teilsequenzen $\underline{u}^{(1)}$, $\underline{u}^{(2)}$ und $\underline{u}^{(3)}$ und anschließender $D$–Transformation erhält man
- $$\underline{u}^{(1)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} (\hspace{0.05cm}0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm}) \quad \circ\!\!-\!\!\!-^{\hspace{-0.25cm}D}\!\!\!-\!\!\bullet\quad {U}^{(1)}(D) = D + D^2 \hspace{0.05cm},$$
- $$\underline{u}^{(2)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} (\hspace{0.05cm}1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm}) \quad \circ\!\!-\!\!\!-^{\hspace{-0.25cm}D}\!\!\!-\!\!\bullet\quad {U}^{(2)}(D) = 1+D \hspace{0.05cm},$$
- $$\underline{u}^{(3)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} (\hspace{0.05cm}1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm}) \quad \circ\!\!-\!\!\!-^{\hspace{-0.25cm}D}\!\!\!-\!\!\bullet\quad {U}^{(3)}(D) = 1 + D^2 \hspace{0.05cm}.$$
Richtig ist demnach nur der Lösungsvorschlag 2.
(4) In der ersten Spalte von $\mathbf{G}(D)$ steht nur eine Eins in Zeile 1, die zwei anderen Matrixelemente sind Null.
- Es handelt sich um einen systematischen Code ⇒ $\underline{x}^{(1)} = \underline{u}^{(1)} = (0, \, 1, \, 1)$.
- Richtig ist ⇒ Lösungsvorschlag 1.
(5) Die $D$–Transformierte $X^{(2)}(D)$ ergibt sich als das Vektorprodukt
- aus der $D$–Transformierten der Informationssequenz ⇒ $\underline{U}(D) = (U^{(1)}(D), \, U^{(2)}(D), \, U^{(3)}(D))$
- und der zweiten Spalte von $\mathbf{G}(D)$:
- $$X^{(2)}(D) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} ( D + D^2) \cdot 1 + ( 1+D) \cdot ( 1+D) +( 1+D^2) \cdot D\hspace{0.03cm}=D + D^2 +1 +D +D + D^2 +D + D^3 = 1+D^3 \hspace{0.05cm}.$$
Richtig ist der Lösungsvorschlag 2: $\underline{x}^{(2)} = (1, \, 0, \, 0)$. Da wir uns nur für die drei ersten Bit interessieren, ist der Beitrag $D^3$ nicht relevant.
(6) Analog zur Teilaufgabe (5) erhält man hier:
- $$X^{(3)}(D) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} ( D + D^2) \cdot 0 + ( 1+D) \cdot ( 1+D) +( 1+D^2) \cdot ( 1+D^2)=1 + D + D + D^2 +1 + D^2 + D^2 + D^4 = D^2 + D^4 \hspace{0.05cm}.$$
- Daraus ergibt sich $\underline{x}^{(3)} = (0, \, 0, \, 1)$ ⇒ Lösungsvorschlag 3.
- Das gleiche Ergebnis erhält man auch für $\underline{x}^{(4)}$.
- Nach Zusammenfügen aller $n = 4$ Teilsequenzen erhält man (natürlich) das gleiche Ergebnis wie in der Aufgabe 3.2:
- $$\underline{x} = (0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm}, \hspace{0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm} 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.05cm}\text{ ...} \hspace{0.05cm})\hspace{0.05cm}.$$
