Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.8: Numerical Analysis of the AWGN Channel Capacity"

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Hierbei sind folgende Abkürzungen verwendet:
 
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* $E_{\rm S}$ bezeichnet die (mittlere) Energie pro Symbol des Digitalsignals,
 
* $E_{\rm S}$ bezeichnet die (mittlere) Energie pro Symbol des Digitalsignals,
:* $N_0$ gibt die AWGN–Rauschleistungsdichte an.
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* $N_0$ gibt die AWGN–Rauschleistungsdichte an.
  
  
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*Zu berücksichtigen ist der Zusammenhang $E_{\rm S} = R \cdot E_{\rm B}$, wobei $R$ die Coderate der bestmöglichen Kanalcodierung angibt.  
 
*Zu berücksichtigen ist der Zusammenhang $E_{\rm S} = R \cdot E_{\rm B}$, wobei $R$ die Coderate der bestmöglichen Kanalcodierung angibt.  
 
*Eine fehlerfreie Übertragung (unter Berücksichtigung dieses optimalen Codes) ist für das gegebene $E_{\rm B}/N_0$ möglich, so lange $R \le C$ gilt  ⇒   [[Informationstheorie/Anwendung_auf_die_Digitalsignalübertragung#Definition_und_Bedeutung_der_Kanalkapazit.C3.A4t|Kanalcodierungstheorem von Shannon]].  
 
*Eine fehlerfreie Übertragung (unter Berücksichtigung dieses optimalen Codes) ist für das gegebene $E_{\rm B}/N_0$ möglich, so lange $R \le C$ gilt  ⇒   [[Informationstheorie/Anwendung_auf_die_Digitalsignalübertragung#Definition_und_Bedeutung_der_Kanalkapazit.C3.A4t|Kanalcodierungstheorem von Shannon]].  
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Durch die Tabelle vorgegeben ist der Kurvenverlauf der Kanalkapazität in Abhängigkeit von $E_{\rm S}/N_0$. Im Mittelpunkt dieser Aufgabe steht die numerische Auswertung der zweiten Gleichung.
 
Durch die Tabelle vorgegeben ist der Kurvenverlauf der Kanalkapazität in Abhängigkeit von $E_{\rm S}/N_0$. Im Mittelpunkt dieser Aufgabe steht die numerische Auswertung der zweiten Gleichung.
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*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang|AWGN–Kanalkapazität bei wertkontinuierlichem Eingang]].
 
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertkontinuierlichem_Eingang|AWGN–Kanalkapazität bei wertkontinuierlichem Eingang]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang#Die_Kanalkapazit.C3.A4t_.7FUNIQ-MathJax74-QINU.7F_als_Funktion_von_.7FUNIQ-MathJax75-QINU.7F|Die_Kanalkapazität als Funktion von <i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>]] sowie  
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*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang#Die_Kanalkapazit.C3.A4t_.7FUNIQ-MathJax74-QINU.7F_als_Funktion_von_.7FUNIQ-MathJax75-QINU.7F|Die Kanalkapazität <i>C</i> als Funktion von <i>E</i><sub>S</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>]] sowie [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang#Die_Kanalkapazit.C3.A4t_.7FUNIQ-MathJax112-QINU.7F_als_Funktion_von_.7FUNIQ-MathJax113-QINU.7F|Die Kanalkapazität <i>C</i> als Funktion von <i>E</i><sub>B</sub>/<i>N</i><sub>0</sub>]]
 
*Da die Ergebnisse in &bdquo;bit&rdquo; angegeben werden sollen, wird in den Gleichungen  &bdquo;log&rdquo; &nbsp;&#8658;&nbsp; &bdquo;log<sub>2</sub>&rdquo; verwendet.  
 
*Da die Ergebnisse in &bdquo;bit&rdquo; angegeben werden sollen, wird in den Gleichungen  &bdquo;log&rdquo; &nbsp;&#8658;&nbsp; &bdquo;log<sub>2</sub>&rdquo; verwendet.  
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
  
'''Hinweis'''
 
 
:* Die Aufgabe gehört zum Themengebiet von [[Informationstheorie/AWGN–Kanalkapazität_bei_wertdiskretem_Eingang|'''Kapitel 4.3.''']]
 
  
  

Revision as of 11:03, 14 June 2017

Kapazität C für gegebenes ES/N0

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 der Energie pro Symbol:

$$C( E_{\rm S}/{N_0}) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { 2 \cdot E_{\rm S}}{N_0}) .$$

Hierbei sind folgende Abkürzungen verwendet:

  • $E_{\rm S}$ bezeichnet die (mittlere) Energie pro Symbol des Digitalsignals,
  • $N_0$ gibt die AWGN–Rauschleistungsdichte an.


Kanalkapazität C in Abhängigkeit der Energie pro Bit:

$$C( E_{\rm B}/{N_0}) = {1}/{2} \cdot {\rm log}_2 \hspace{0.1cm} ( 1 + \frac { 2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}) .$$
  • Zu berücksichtigen ist der Zusammenhang $E_{\rm S} = R \cdot E_{\rm B}$, wobei $R$ die Coderate der bestmöglichen Kanalcodierung angibt.
  • Eine fehlerfreie Übertragung (unter Berücksichtigung dieses optimalen Codes) ist für das gegebene $E_{\rm B}/N_0$ möglich, so lange $R \le C$ gilt  ⇒  Kanalcodierungstheorem von Shannon.


Durch die Tabelle vorgegeben ist der Kurvenverlauf der Kanalkapazität in Abhängigkeit von $E_{\rm S}/N_0$. Im Mittelpunkt dieser Aufgabe steht die numerische Auswertung der zweiten Gleichung.


Hinweise:


Fragebogen

1

Welche Gleichungen beschreiben den Zusammenhang zwischen EB/N0 und der Rate R beim AWGN–Kanal exakt?

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

2

Geben Sie den kleinstmöglichen Wert für EB/N0 an, mit dem man über den AWGN–Kanal noch fehlerfrei übertragen kann.

$Min [EB/N0]$ =

3

Welche Ergebnis erhält man in dB?

$Min[10 · lg (EB/N0)]$ =

4

Geben Sie die AWGN–Kanalkapazität für 10 · lg (EB/N0) = 0 dB an.

$10 · lg (EB/N0) = 0 dB: C$ =

5

Geben Sie das erforderliche EB/N0 für fehlerfreie Übertragung mit R = 1 an. Hinweis: Die Lösung findet man in der Tabelle auf der Angabenseite.

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

6

Wie kann ein Punkt der C(EB/N0)–Kurve einfacher ermittelt werden?

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


Musterlösung

(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 ES = R · EB 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 EB/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 RC 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: EB/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 EB = ES. 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 (EB/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 (EB/N0) = 15 dB  ⇒  EB/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 (EB/N0) für die Kapazität C = 4 bit/Symbol:

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

P ID2940 Inf T 4 3 S4.png

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

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

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

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

Der Schnittpunkt der beiden Kurven liegt bei 1.76 dB.