Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.12: Hard Decision vs. Soft Decision"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Decodierung linearer Blockcodes}}
 
{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Decodierung linearer Blockcodes}}
  
[[File:P_ID2408__KC_A_1_12.png|right|frame|Blockfehlerrate des $(7, \, 4, \, 3)$–Codes bei Hard Decision und Soft Decision]]
+
[[File:EN_KC_A_1_12.png|right|frame|Block error rate of the&nbsp; $\rm HC(7, \, 4, \, 3)$&nbsp; for <br>"Hard Decision" and "Soft Decision"]]
  
Die Abbildung zeigt die Blockfehlerwahrscheinlichkeit für den [[Kanalcodierung/Allgemeine_Beschreibung_linearer_Blockcodes#Einige_Eigenschaften_des_.287.2C_4.2C_3.29.E2.80.93Hamming.E2.80.93Codes|$(7, \, 4, \, 3)$–Hamming–Code]], wobei für den Empfänger zwei Varianten berücksichtigt sind:
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The figure shows the block error probability for the&nbsp; [[Channel_Coding/General_Description_of_Linear_Block_Codes#Some_properties_of_the_.287.2C_4.2C_3.29_Hamming_code|"$(7, \, 4, \, 3)$ Hamming code"]],&nbsp; where two variants are considered for the receiver:
  
*Bei Maximum–Likelihood–Detektion mit harten Entscheidungen (''Hard Decision,'' HD), die im vorliegenden Fall (perfekter Code) auch durch Syndromdecodierung realisiert werden kann, ergibt sich die rote Kurve (mit Kreismarkierung).
+
*Maximum likelihood decoding with hard decisions&nbsp; $($"Hard Decision", &nbsp;$\rm HD)$,&nbsp; which in the present case&nbsp; $($perfect code$)$&nbsp; can also be realized by syndrome decoding,&nbsp; yields the red curve&nbsp; $($with circle marker$)$.
  
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*The channel can be replaced by the BSC model in a simplified way for&nbsp; "Hard Decision".&nbsp; The relationship between the BSC parameter&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; and the AWGN quotient&nbsp; $E_{\rm B}/N_{0}$&nbsp; $($used in the graph$)$ is given as follows:
  
*Der Kanal kann bei &bdquo;Hard Decision&rdquo; vereinfacht durch das BSC–Modell ersetzt werden. Der Zusammenhang zwischen dem BSC–Parameter $\varepsilon$ und dem AWGN–Quotienten $E_{\rm B}/N_{0}$ (in der Grafik verwendet) ist wie folgt gegeben:
+
:$$\varepsilon = {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0} \right ) \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
:Here&nbsp; ${\rm Q}(x)$&nbsp;  denotes the&nbsp; "complementary Gaussian error function"&nbsp; and&nbsp; $R$&nbsp; the code rate.
  
:$$\varepsilon = {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0} \right ) \hspace{0.05cm}.$$
+
*The green curve&nbsp; $($with crosses$)$ shows the block error probability for soft decisions&nbsp; $($"Soft Decision", &nbsp;$\rm SD)$.&nbsp; This curve cannot be given in closed-mathematical form.&nbsp; The curve drawn in the graph is an upper bound given in&nbsp; [Fri96]:
  
:Hier bezeichnet ${\rm Q}(x)$ die ''komplementäre Gaußsche Fehlerfunktion'' und $R$ die Coderate.
+
:$$ {\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ \le \ \hspace{-0.15cm} 7 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{ 3 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right )+7 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{ 4 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right ) + {\rm Q}\left ( \sqrt{ 7 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right ) \hspace{0.05cm}.$$
  
 +
:#The respective first factor in the arguments of the&nbsp; $\rm Q$&ndash;function indicates Hamming distances &nbsp; &rArr; &nbsp; $i = 3, \, 4, \, 7$.
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:#The prefactors take into account&nbsp; "multiplicities"&nbsp; $W_{3} = W_{4} = 7$&nbsp; and&nbsp; $W_{7} = 1$. &nbsp;
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:#$R = 4/7$&nbsp; describes the code rate.
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:#For&nbsp; $10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} > 8  \ \rm dB$&nbsp; &rArr; &nbsp; $\rm Pr(block\:error) < 10^{–5}$.
  
*Die grüne Kurve (mit Kreuzen) zeigt die Blockfehlerwahrscheinlichkeit bei „weichen” Entscheidungen (''Soft Decision'', SD). Dieser Funktionsverlauf lässt sich nicht in geschlossen–mathematischer Form angeben. Die in der Grafik eingezeichnete Kurve ist eine in [Fri96] angegebene obere Schranke:
 
  
:$$ {\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{-0.15cm}\ \le \ \hspace{-0.15cm} 7 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{ 3 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right )+7 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{ 4 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right ) + {\rm Q}\left ( \sqrt{ 7 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right ) \hspace{0.05cm}.$$
 
  
:*Der jeweils erste Faktor im Argument der$\rm Q$–Funktion gibt die möglichen Hamming–Distanzen an: &nbsp; $i = 3, \, 4$ und $7$.
 
:*Die Vorfaktoren berücksichtigen die Vielfachheiten $W_{3} = W_{4} = 7$ und $W_{7} = 1$, und $R = 4/7$ beschreibt die Coderate.
 
:*Für $10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} > 8  \ \rm dB$ ist $\rm Pr(Blockfehler) < 10^{–5}$.
 
  
  
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Hints:
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* This exercise refers to the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Decoding_of_Linear_Block_Codes|"Decoding of Linear Block Codes"]].
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* The above cited bibliography&nbsp; [Fri96]&nbsp; refers to the book <br>"Friedrichs, B.: Kanalcodierung - Grundlagen und Anwendungen in modernen Kommunikationssystemen. Berlin - Heidelberg: Springer, 1996".
  
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*For numerical results,&nbsp; use our calculation applet&nbsp; [[Applets:Complementary_Gaussian_Error_Functions|"Complementary Gaussian Error Functions"]].
  
''Hinweise:''  
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*For the subtasks&nbsp; '''(1)'''&nbsp; to&nbsp; '''(4)''',&nbsp; "Hard Decision" is always assumed.
* Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel [[Kanalcodierung/Decodierung_linearer_Blockcodes|Decodierung linearer Blockcodes]].
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* Die oben zitierte Literaturstelle [Fri96] verweist auf das Buch &bdquo;Friedrichs, B.: Kanalcodierung – Grundlagen und Anwendungen in modernen Kommunikations- systemen. Berlin – Heidelberg: Springer, 1996&rdquo;.
 
* Verwenden Sie für numerische Ergebnisse das Berechnungsmodul  [[Applets:QFunction|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]].
 
*Für die Teilaufgaben (1) bis (4) wird stets von  ''Hard Decision'' ausgegangen.
 
* Sollte die Eingabe des Zahlenwertes &bdquo;0&rdquo; erforderlich sein, so geben Sie bitte &bdquo;0.&rdquo; ein.
 
  
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Blockfehlerwahrscheinlichkeit besitzt der $(7, \, 4, \, 3)$–Hamming–Code bei ''Hard Decision''?
+
{What is the block error probability of the&nbsp; $(7, \, 4, \, 3)$ Hamming code in&nbsp; "Hard Decision"?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\varepsilon = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(Blockfehler)} \ = \ $ { 2.03 3% } $\ \cdot 10^{-3} $
+
$\varepsilon = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(block\:error)} \ = \ $ { 2.03 3% } $\ \cdot 10^{-3} $
$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(Blockfehler)} \ = \ $ { 0.0209 3% } $\ \cdot 10^{-3} $
+
$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(block\:error)} \ = \ $ { 0.021 3% } $\ \cdot 10^{-3} $
  
{Wie kann man die Blockfehlerwahrscheinlichkeit eines Hamming–Codes annähern, ''Hard Decision''  vorausgesetzt?
+
{How can we approximate the block error probability of a Hamming code,&nbsp; assuming "Hard Decision"?
|type="[]"}
+
|type="()"}
+ ${\rm Pr(Blockfehler)} = n · (n–1)/2 · \varepsilon^2.$
+
+ ${\rm Pr(block\:error)} = n · (n–1)/2 · \varepsilon^2.$
- ${\rm Pr(Blockfehler)} = n ·  \varepsilon^2.$
+
- ${\rm Pr(block\:error)} = n ·  \varepsilon^2.$
- ${\rm Pr(Blockfehler)} = n  · \varepsilon^n.$
+
- ${\rm Pr(block\:error)} = n  · \varepsilon^n.$
  
{Welcher Hamming–Code besitzt die kleinste Blockfehlerwahrscheinlichkeit bei konstantem BSC–Parameter $\varepsilon$?
+
{Which Hamming code has the smallest block error probability with constant BSC parameter&nbsp; $\varepsilon$?
|type="[]"}
+
|type="()"}
+ der Hamming–Code $(3, \, 1, \, 3)$, identisch mit dem  ''Repetition Code'' $(3, \, 1, \, 3)$,
+
+ the Hamming code&nbsp; $(3, \, 1, \, 3)$,&nbsp; identical to the&nbsp; "repetition code"&nbsp; $\rm RC \ (3, \, 1, \, 3)$,
- der Hamming–Code $(7, \, 4, \, 3)$,
+
- the Hamming code&nbsp; $(7, \, 4, \, 3)$,
- der Hamming–Code $(15, \, 11, \, 3)$.
+
- the Hamming code&nbsp; $(15, \, 11, \, 3)$.
  
{Welcher numerische Zusammenhang besteht zwischen dem BSC–Parameter $\varepsilon$ und dem AWGN–Quotienten $E_{\rm B}/N_{0}$?
+
{What is the numerical relationship between the BSC parameter&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; and the AWGN quotient&nbsp; $E_{\rm B}/N_{0}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\varepsilon = 10^{-2}\text{:} \hspace{0.4cm} 10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $ { 6.77 3% } $\ \rm dB$
 
$\varepsilon = 10^{-2}\text{:} \hspace{0.4cm} 10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $ { 6.77 3% } $\ \rm dB$
 
$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $ { 9.22 3% } $\ \rm dB$
 
$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $ { 9.22 3% } $\ \rm dB$
  
{Welcher Gewinn (in dB) ist durch ''Soft Decision'' ('''SD''') zu erzielen, wenn die Blockfehlerwahrscheinlichkeit den Wert $10^{–5}$ nicht überschreiten soll?
+
{What is the gain&nbsp; $($in dB$)$&nbsp; to be achieved by&nbsp; "Soft Decision"&nbsp; if the block error probability is not to exceed&nbsp; $10^{-5}$ ?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$\ 10 · \lg \, {G_{\rm SD}} \ = \ $ { 1.52 3% } $ \ \rm dB$
 
$\ 10 · \lg \, {G_{\rm SD}} \ = \ $ { 1.52 3% } $ \ \rm dB$
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Jeder Hamming–Code ist perfekt und weist eine minimale Distanz von $d_{\rm min} = 3$ auf.  
+
'''(1)'''&nbsp; Every Hamming code is perfect and has the minimum distance&nbsp; $d_{\rm min} = 3$.  
*Deshalb kann ein Bitfehler im Codewort korrigiert werden, während zwei Bitfehler stets zu einer Fehlentscheidung des Codewortes führen  &nbsp; ⇒ &nbsp; Parameter $t = 1$.  
+
*Therefore,&nbsp; one bit error in the code word can be corrected,&nbsp; while two bit errors will always cause the code word to fail &nbsp; ⇒ &nbsp; parameter&nbsp; $t = 1$.  
*Damit ergibt sich für die Blockfehlerwahrscheinlichkeit:
+
*Thus,&nbsp; for the block error probability:
  
:$${\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - {\rm Pr(kein\hspace{0.15cm} Blockfehler)} - {\rm Pr(ein\hspace{0.15cm} Blockfehler)} = 1 - (1 - \varepsilon)^7 - 7 \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^6 \hspace{0.05cm}.$$
+
:$${\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - {\rm Pr(no\hspace{0.15cm} block\:error)} - {\rm Pr(one\hspace{0.15cm} block\:error)} = 1 - (1 - \varepsilon)^7 - 7 \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^6 \hspace{0.05cm}.$$
:$$\varepsilon = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm}{\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - 0.99^7 - 7 \cdot 0.01 \cdot 0.99^6= 1 - 0.932065 - 0.065904\hspace{0.15cm}\underline{\approx 2.03 \cdot 10^{-3}}\hspace{0.05cm},$$
+
:$$\varepsilon = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm}{\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - 0.99^7 - 7 \cdot 0.01 \cdot 0.99^6= 1 - 0.932065 - 0.065904\hspace{0.15cm}\underline{\approx 2.03 \cdot 10^{-3}}\hspace{0.05cm},$$
:$$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - 0.999^7 - 7 \cdot 0.001 \cdot 0.999^6= 1 - 0.993021 - 0.006958\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.0209 \cdot 10^{-3}}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - 0.999^7 - 7 \cdot 0.001 \cdot 0.999^6= 1 - 0.993021 - 0.006958\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.0209 \cdot 10^{-3}}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Ein jeder $(n, \, k, \, 3)$ Hamming–Code kann nur einen Bitfehler korrigieren. Damit gilt allgemein für den BSC–Kanal mit der Codewortlänge $n$:
+
'''(2)'''&nbsp; Each&nbsp; $(n, \, k, \, 3)$&nbsp; Hamming code can correct only one bit error.&nbsp; Thus,&nbsp; for the BSC channel,&nbsp; the general rule is with code word length&nbsp; $n$:
  
:$${\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - (1 - \varepsilon)^n - n \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^{n-1}=$$
+
:$${\rm Pr(block\:error)} = 1 - \text{Pr(no bit error)} - \text{Pr(one bit error)} = 1 - (1 - \varepsilon)^n - n \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^{n-1}.$$
:$$\hspace{2.875cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - \left [ 1 - {n \choose 1}\cdot \varepsilon + {n \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - \hspace{0.05cm}... \hspace{0.05cm} \right ] -$$
+
*After series expansion of &nbsp; "$(1 - \varepsilon)^n$" &nbsp; or of &nbsp; "$n \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^{n-1}$" &nbsp; we obtain from this:
:$$\hspace{3.1cm}\ . \ \hspace{0.18cm} - \left [ n \cdot \varepsilon \cdot \left ( 1 - {{n-1} \choose 1}\cdot \varepsilon + {{n-1} \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - \hspace{0.05cm}... \hspace{0.05cm}\right ) \right ] \hspace{0.05cm}.$$
+
:$${\rm Pr(block\:error)} = 1 - \left [ 1 - {n \choose 1}\cdot \varepsilon + {n \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm} \right ] -\left [ n \cdot \varepsilon \cdot \left ( 1 - {{n-1} \choose 1}\cdot \varepsilon + {{n-1} \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}\right ) \right ] \hspace{0.05cm}.$$
  
Bei Vernachlässigung aller Terme mit $\varepsilon^3, \ \varepsilon^4, \ ...$ erhält man:
+
*If we neglect all terms with&nbsp; $\varepsilon^3, \ \varepsilon^4, \ \text{...}$&nbsp; we finally get:
  
:$${\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} n \cdot \varepsilon - {n \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - n \cdot \varepsilon + n \cdot \varepsilon {{n-1} \choose 1}\cdot \varepsilon + \hspace{0.05cm}... \hspace{0.05cm} =$$
+
:$${\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} n \cdot \varepsilon - {n \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - n \cdot \varepsilon + n \cdot \varepsilon {{n-1} \choose 1}\cdot \varepsilon + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} = -n/2 \cdot (n-1)\cdot \varepsilon^2 + n \cdot (n-1)\cdot \varepsilon^2 = n \cdot (n-1)/2 \cdot \varepsilon^2 \hspace{0.05cm}.$$
:$$\hspace{2.875cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} -1/2 \cdot n \cdot (n-1)\cdot \varepsilon^2 + n \cdot (n-1)\cdot \varepsilon^2 = n \cdot (n-1)/2 \cdot \varepsilon^2 \hspace{0.05cm}.$$
 
  
⇒  Richtig ist <u>Lösungsvorschlag 1</u>. Für den $(7, \, 4, \, 3)$–Hamming–Code ergibt sich somit:
+
The correct solution is&nbsp; <u>suggestion 1</u>.
  
:$${\rm Pr(Blockfehler)} \le \left\{ \begin{array}{c} 2.1 \cdot 10^{-3}\\ 2.1 \cdot 10^{-5} \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} \varepsilon = 10^{-2} \\ {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} \varepsilon = 10^{-3} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$
+
For the&nbsp; $(7, \, 4, \, 3)$&nbsp; Hamming code,&nbsp; it follows:
  
Durch Vergleich mit dem Ergebnis der Teilaufgabe (1) erkennt man die Gültigkeit dieser Näherung. Diese ist um so besser, je kleiner die BSC–Verfälschungswahrscheinlichkeit $\varepsilon$ ist.
+
:$${\rm Pr(block\:error)} \le \left\{ \begin{array}{c} 2.03 \cdot 10^{-3}\\ 2.09 \cdot 10^{-5} \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm for}\hspace{0.15cm} \varepsilon = 10^{-2} \\ {\rm for}\hspace{0.15cm} \varepsilon = 10^{-3} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$
  
 +
*By comparison with the result of the subtask&nbsp; '''(1)'''&nbsp; one recognizes the validity of this approximation.&nbsp; The smaller the BSC falsification probability $\varepsilon$,&nbsp; the better it is.
  
'''(3)'''&nbsp; Die Ergebnisse der Teilaufgabe 2) lassen sich wie folgt zusammenfassen:
 
  
:$${\rm Pr(Blockfehler)} = \left\{ \begin{array}{l} 3 \cdot \varepsilon^2 \\ 21 \cdot \varepsilon^2\\ 105 \cdot \varepsilon^2\\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}l} {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} n = 3 \\ {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} n = 7 \\ {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} n = 15 \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
Richtig ist <u>Antwort 1</u>. Die geringste Blockfehlerwahrscheinlichkeit besitzt natürlich der Hamming–Code mit der geringsten Rate $R = 1/3$, also mit der größten relativen Redundanz.
+
'''(3)'''&nbsp; The results of subtask&nbsp; '''(2)'''&nbsp; can be summarized as follows:
  
'''(4)'''&nbsp;  Bei Hard Decision gilt mit der komplementären Gaußschen Fehlerfunktion ${\rm Q}(x)$:
+
:$${\rm Pr(block\:error)} = \left\{ \begin{array}{l} 3 \cdot \varepsilon^2 \\ 21 \cdot \varepsilon^2\\ 105 \cdot \varepsilon^2\\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}l} {\rm for}\hspace{0.15cm} n = 3 \\ {\rm for}\hspace{0.15cm} n = 7 \\ {\rm for}\hspace{0.15cm} n = 15 \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$
  
:$$\varepsilon = {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0} \right )\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} E_{\rm B}/N_0 = \frac{[{\rm Q}^{-1}(\varepsilon)]^2}{2R}$$
+
*Right is <u>answer 1</u>.&nbsp; Of course, the Hamming code with the lowest rate&nbsp; $R = 1/3$,&nbsp; i.e. with the greatest relative redundancy,&nbsp; has the lowest block error probability.
  
:$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}[{\rm Q}^{-1}(\varepsilon)] - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (2R) \hspace{0.05cm}.$$
 
  
Daraus erhält man mit $\varepsilon = 0.01 \ ⇒ \ {\rm Q}^{–1}(\varepsilon) = 2.33$:
+
'''(4)'''&nbsp;  At Hard Decision,&nbsp; with the complementary Gaussian error function&nbsp; ${\rm Q}(x)$:
 +
 
 +
:$$\varepsilon = {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0} \right )\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} E_{\rm B}/N_0 = \frac{[{\rm Q}^{-1}(\varepsilon)]^2}{2R}\hspace{0.3cm}
 +
\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}[{\rm Q}^{-1}(\varepsilon)] - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (2R) \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
*From this we obtain with&nbsp; $\varepsilon = 0.01 \ ⇒ \ {\rm Q}^{–1}(\varepsilon) = 2.33$:
  
 
:$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(2.33) - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (8/7) = 7.35\,{\rm dB} - 0.58\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 6.77\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(2.33) - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (8/7) = 7.35\,{\rm dB} - 0.58\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 6.77\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 +
* Analogously,&nbsp; for&nbsp; $\varepsilon = 0.001 \ ⇒ \ {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.09$:
  
In analoger Weise ergibt sich für $\varepsilon = 0.001 \ \ {\rm Q}^{–1}(\varepsilon) ≈ 3.09$.
+
:$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(3.09) - 0.58\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 9.22\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  
:$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(3.09) - 0.58\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 9.22\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
'''(5)'''&nbsp; Here we refer to the block error probability&nbsp; $10^{–5}$.
  
'''(5)'''&nbsp; Wir beziehen uns auf die Blockfehlerwahrscheinlichkeit $10^{–5}$. Nach dem Ergebnis der Teilaufgabe (2) darf dann die BSC–Verfälschungswahrscheinlichkeit nicht größer sein als
+
*According to the result of subtask&nbsp; '''(2)''',&nbsp; the BSC falsification probability must then not be greater than
  
:$$\varepsilon = \sqrt{\frac{10^{-5}}{21}} = 6.9 \cdot 10^{-4} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.2 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 9.52\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\varepsilon = \sqrt{{10^{-5}}/{21}} = 6.9 \cdot 10^{-4} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.2 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 9.52\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  
Mit ''Soft Decision'' genügen laut Angabe $8 \ {\rm dB} \ ⇒ \ 10 · \lg {G_{\rm SD}} \ \underline{= 1.52 \ {\rm dB}}$.
+
*For&nbsp; "Soft Decision"&nbsp; according to the specification graph:&nbsp; $10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 8\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}$ &nbsp; &rArr; &nbsp;  $10 · \lg {G_{\rm SD}} \ \underline{= 1.52 \ {\rm dB}}$.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu  Kanalcodierung|^1.5 Decodierung linearer Blockcodes
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[[Category:Channel Coding: Exercises|^1.5 Linear Block Code Decoding
  
  
 
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Latest revision as of 17:00, 30 September 2022

Block error rate of the  $\rm HC(7, \, 4, \, 3)$  for
"Hard Decision" and "Soft Decision"

The figure shows the block error probability for the  "$(7, \, 4, \, 3)$ Hamming code",  where two variants are considered for the receiver:

  • Maximum likelihood decoding with hard decisions  $($"Hard Decision",  $\rm HD)$,  which in the present case  $($perfect code$)$  can also be realized by syndrome decoding,  yields the red curve  $($with circle marker$)$.
  • The channel can be replaced by the BSC model in a simplified way for  "Hard Decision".  The relationship between the BSC parameter  $\varepsilon$  and the AWGN quotient  $E_{\rm B}/N_{0}$  $($used in the graph$)$ is given as follows:
$$\varepsilon = {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0} \right ) \hspace{0.05cm}.$$
Here  ${\rm Q}(x)$  denotes the  "complementary Gaussian error function"  and  $R$  the code rate.
  • The green curve  $($with crosses$)$ shows the block error probability for soft decisions  $($"Soft Decision",  $\rm SD)$.  This curve cannot be given in closed-mathematical form.  The curve drawn in the graph is an upper bound given in  [Fri96]:
$$ {\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ \le \ \hspace{-0.15cm} 7 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{ 3 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right )+7 \cdot {\rm Q}\left ( \sqrt{ 4 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right ) + {\rm Q}\left ( \sqrt{ 7 \cdot \frac{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}}{N_0}} \right ) \hspace{0.05cm}.$$
  1. The respective first factor in the arguments of the  $\rm Q$–function indicates Hamming distances   ⇒   $i = 3, \, 4, \, 7$.
  2. The prefactors take into account  "multiplicities"  $W_{3} = W_{4} = 7$  and  $W_{7} = 1$.  
  3. $R = 4/7$  describes the code rate.
  4. For  $10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} > 8 \ \rm dB$  ⇒   $\rm Pr(block\:error) < 10^{–5}$.



Hints:

  • The above cited bibliography  [Fri96]  refers to the book
    "Friedrichs, B.: Kanalcodierung - Grundlagen und Anwendungen in modernen Kommunikationssystemen. Berlin - Heidelberg: Springer, 1996".
  • For the subtasks  (1)  to  (4),  "Hard Decision" is always assumed.



Questions

1

What is the block error probability of the  $(7, \, 4, \, 3)$ Hamming code in  "Hard Decision"?

$\varepsilon = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(block\:error)} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-3} $
$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(block\:error)} \ = \ $

$\ \cdot 10^{-3} $

2

How can we approximate the block error probability of a Hamming code,  assuming "Hard Decision"?

${\rm Pr(block\:error)} = n · (n–1)/2 · \varepsilon^2.$
${\rm Pr(block\:error)} = n · \varepsilon^2.$
${\rm Pr(block\:error)} = n · \varepsilon^n.$

3

Which Hamming code has the smallest block error probability with constant BSC parameter  $\varepsilon$?

the Hamming code  $(3, \, 1, \, 3)$,  identical to the  "repetition code"  $\rm RC \ (3, \, 1, \, 3)$,
the Hamming code  $(7, \, 4, \, 3)$,
the Hamming code  $(15, \, 11, \, 3)$.

4

What is the numerical relationship between the BSC parameter  $\varepsilon$  and the AWGN quotient  $E_{\rm B}/N_{0}$?

$\varepsilon = 10^{-2}\text{:} \hspace{0.4cm} 10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $

$\ \rm dB$
$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} 10 · \lg {E_{\rm B}/N_0} \ = \ $

$\ \rm dB$

5

What is the gain  $($in dB$)$  to be achieved by  "Soft Decision"  if the block error probability is not to exceed  $10^{-5}$ ?

$\ 10 · \lg \, {G_{\rm SD}} \ = \ $

$ \ \rm dB$


Solution

(1)  Every Hamming code is perfect and has the minimum distance  $d_{\rm min} = 3$.

  • Therefore,  one bit error in the code word can be corrected,  while two bit errors will always cause the code word to fail   ⇒   parameter  $t = 1$.
  • Thus,  for the block error probability:
$${\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - {\rm Pr(no\hspace{0.15cm} block\:error)} - {\rm Pr(one\hspace{0.15cm} block\:error)} = 1 - (1 - \varepsilon)^7 - 7 \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^6 \hspace{0.05cm}.$$
$$\varepsilon = 10^{-2} \text{:} \hspace{0.4cm}{\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - 0.99^7 - 7 \cdot 0.01 \cdot 0.99^6= 1 - 0.932065 - 0.065904\hspace{0.15cm}\underline{\approx 2.03 \cdot 10^{-3}}\hspace{0.05cm},$$
$$\varepsilon = 10^{-3} \text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - 0.999^7 - 7 \cdot 0.001 \cdot 0.999^6= 1 - 0.993021 - 0.006958\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.0209 \cdot 10^{-3}}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Each  $(n, \, k, \, 3)$  Hamming code can correct only one bit error.  Thus,  for the BSC channel,  the general rule is with code word length  $n$:

$${\rm Pr(block\:error)} = 1 - \text{Pr(no bit error)} - \text{Pr(one bit error)} = 1 - (1 - \varepsilon)^n - n \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^{n-1}.$$
  • After series expansion of   "$(1 - \varepsilon)^n$"   or of   "$n \cdot \varepsilon \cdot (1 - \varepsilon)^{n-1}$"   we obtain from this:
$${\rm Pr(block\:error)} = 1 - \left [ 1 - {n \choose 1}\cdot \varepsilon + {n \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm} \right ] -\left [ n \cdot \varepsilon \cdot \left ( 1 - {{n-1} \choose 1}\cdot \varepsilon + {{n-1} \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}\right ) \right ] \hspace{0.05cm}.$$
  • If we neglect all terms with  $\varepsilon^3, \ \varepsilon^4, \ \text{...}$  we finally get:
$${\rm Pr(block\:error)} \hspace{-0.15cm}\ = \ \hspace{-0.15cm} n \cdot \varepsilon - {n \choose 2}\cdot \varepsilon^2 - n \cdot \varepsilon + n \cdot \varepsilon {{n-1} \choose 1}\cdot \varepsilon + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} = -n/2 \cdot (n-1)\cdot \varepsilon^2 + n \cdot (n-1)\cdot \varepsilon^2 = n \cdot (n-1)/2 \cdot \varepsilon^2 \hspace{0.05cm}.$$

The correct solution is  suggestion 1.

For the  $(7, \, 4, \, 3)$  Hamming code,  it follows:

$${\rm Pr(block\:error)} \le \left\{ \begin{array}{c} 2.03 \cdot 10^{-3}\\ 2.09 \cdot 10^{-5} \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm for}\hspace{0.15cm} \varepsilon = 10^{-2} \\ {\rm for}\hspace{0.15cm} \varepsilon = 10^{-3} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$
  • By comparison with the result of the subtask  (1)  one recognizes the validity of this approximation.  The smaller the BSC falsification probability $\varepsilon$,  the better it is.


(3)  The results of subtask  (2)  can be summarized as follows:

$${\rm Pr(block\:error)} = \left\{ \begin{array}{l} 3 \cdot \varepsilon^2 \\ 21 \cdot \varepsilon^2\\ 105 \cdot \varepsilon^2\\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}l} {\rm for}\hspace{0.15cm} n = 3 \\ {\rm for}\hspace{0.15cm} n = 7 \\ {\rm for}\hspace{0.15cm} n = 15 \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.$$
  • Right is answer 1.  Of course, the Hamming code with the lowest rate  $R = 1/3$,  i.e. with the greatest relative redundancy,  has the lowest block error probability.


(4)  At Hard Decision,  with the complementary Gaussian error function  ${\rm Q}(x)$:

$$\varepsilon = {\rm Q}\left ( \sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0} \right )\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} E_{\rm B}/N_0 = \frac{[{\rm Q}^{-1}(\varepsilon)]^2}{2R}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}[{\rm Q}^{-1}(\varepsilon)] - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (2R) \hspace{0.05cm}.$$
  • From this we obtain with  $\varepsilon = 0.01 \ ⇒ \ {\rm Q}^{–1}(\varepsilon) = 2.33$:
$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(2.33) - 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (8/7) = 7.35\,{\rm dB} - 0.58\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 6.77\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Analogously,  for  $\varepsilon = 0.001 \ ⇒ \ {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.09$:
$$10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(3.09) - 0.58\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 9.22\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm}.$$


(5)  Here we refer to the block error probability  $10^{–5}$.

  • According to the result of subtask  (2),  the BSC falsification probability must then not be greater than
$$\varepsilon = \sqrt{{10^{-5}}/{21}} = 6.9 \cdot 10^{-4} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Q}^{-1}(\varepsilon) = 3.2 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 9.52\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • For  "Soft Decision"  according to the specification graph:  $10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} E_{\rm B}/N_0 = 8\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}$   ⇒   $10 · \lg {G_{\rm SD}} \ \underline{= 1.52 \ {\rm dB}}$.