Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2Z: Three-dimensional Representation of Codes"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Zielsetzung_der_Kanalcodierung
+
{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Objective_of_Channel_Coding
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID2400__KC_Z_1_2.png|right|frame|Raum $\rm GF(2^3)$ und <br>Code der Länge $n = 3$]]
+
[[File:P_ID2400__KC_Z_1_2.png|right|frame|Space&nbsp; $\rm GF(2^3)$&nbsp; and&nbsp; <br>code of length&nbsp; $n = 3$]]
Codes zur Fehlererkennung bzw. Fehlererkorrektur lassen sich sehr anschaulich im&nbsp; $n$–dimensionalen Raum darstellen. Wir beschränken uns hier auf binäre Codes der Länge&nbsp; $n = 3$:
+
Codes for error detection or error correction can be represented very clearly in an&nbsp; $n$-dimensional space.&nbsp; We restrict ourselves here to binary codes of length&nbsp; $n = 3$:
:$$\underline{x} = (x_{1}, x_{2}, x_{3}) \hspace{0.1cm} \in \hspace{0.1cm}{\rm GF}(2^3) \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} x_i = \{0, 1 \}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} i = 1, 2, 3\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\underline{x} = (x_{1},\ x_{2},\ x_{3}) \hspace{0.1cm} \in \hspace{0.1cm}{\rm GF}(2^3) \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} x_i = \{0,\ 1 \}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} i = 1, 2, 3\hspace{0.05cm}.$$
  
Allgemein gilt bei der Blockcodierung:
+
In general,&nbsp; for block coding:
*Das Informationswort&nbsp; $\underline{u} = (u_{1}, u_{2}, \ \text{...} , \ u_{k})$&nbsp; wird eindeutig in das Codewort&nbsp; $\underline{x} =(x_{1}, x_{2}, \ \text{...} , \ , x_{n})$&nbsp; überführt.
+
*The information word&nbsp; $\underline{u} = (u_{1},\ u_{2}, \ \text{...} , \ u_{k})$&nbsp; is uniquely transformed into the code word&nbsp; $\underline{x} =(x_{1},\ x_{2}, \ \text{...} , \ , x_{n})$.
*Die Coderate beträgt&nbsp; $R = k/n$.
 
*Die Hamming–Distanz&nbsp; $d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')$&nbsp; zwischen zwei Codeworten&nbsp; $x ∈ \mathcal{C}$&nbsp; und&nbsp; $x\hspace{0.05cm}' ∈ \mathcal{C}$&nbsp; gibt die Anzahl der Bitpositionen an, in denen sich&nbsp; $x$&nbsp; und&nbsp; $x\hspace{0.05cm}'$&nbsp; unterscheiden.
 
*Die Minimaldistanz&nbsp; $d_{\rm min} = {\rm min}\big[d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')\big]$&nbsp; ist ein Maß für die Korrekturfähigkeit eines Codes.
 
*Es können&nbsp; $e =d_{\rm min} – 1$&nbsp; Fehler erkannt und&nbsp; $t =(d_{\rm min} – 1)/2$&nbsp; Fehler korrigiert werden.
 
*Die letzte Aussage gilt allerdings nur für ungerades&nbsp; $d_{\rm min}$.
 
  
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*The code rate is&nbsp; $R = k/n$.
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*The Hamming distance&nbsp; $d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')$&nbsp; between two code words&nbsp; $x ∈ \mathcal{C}$&nbsp; and&nbsp; $x\hspace{0.05cm}' ∈ \mathcal{C}$&nbsp; indicates the number of bit positions in which&nbsp; $x$&nbsp; and&nbsp; $x\hspace{0.05cm}'$&nbsp; differ.
 +
 +
*The minimum distance&nbsp; $d_{\rm min} = {\rm min}\big[d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')\big]$&nbsp; is a measure of the correctability of a code.
 +
 +
*It can detect&nbsp; $e =d_{\rm min} - 1$&nbsp; errors and can correct&nbsp; $t =(d_{\rm min} - 1)/2$&nbsp;  errors.
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*The last statement,&nbsp; however,&nbsp; is valid only for odd&nbsp; $d_{\rm min}$.
  
  
  
  
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Hints:
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*This exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Objective_of_Channel_Coding|"Objective of Channel Coding"]]
  
''Hinweise'':
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*In addition,&nbsp; some simple questions about the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Examples_of_Binary_Block_Codes|"Examples of binary block codes"]]&nbsp; are anticipated.
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Channel_Coding/Zielsetzung_der_Kanalcodierung|Zielsetzung der Kanalcodierung]].
 
*Zusätzlich werden einige einfache Fragen zum Kapitel&nbsp; [[Channel_Coding/Beispiele_binärer_Blockcodes|Beispiele binärer Blockcodes]]&nbsp; vorweg genommen.
 
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Welche Aussagen gelten, wenn alle Punkte in&nbsp; $\rm GF(2^3)$&nbsp; belegt sind?
+
{Which statements hold if all points in&nbsp; $\rm GF(2^3)$&nbsp; are occupied?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es gilt die Zuordnung&nbsp; $\underline{u} = (u_{1}, u_{2}, u_{3})$ &nbsp; → &nbsp; $\underline{x} = (x_{1}, x_{2},x_{3})$.
+
+ The assignment&nbsp; $\underline{u} = (u_{1},\ u_{2},\ u_{3})$ &nbsp; → &nbsp; $\underline{x} = (x_{1},\ x_{2},\ x_{3})$&nbsp; holds.
- Es gilt die Identität&nbsp; $\underline{x} = \underline{u}$.
+
- The identity&nbsp; $\underline{x} = \underline{u}$&nbsp; holds.
+ Die Coderate ist&nbsp; $R = 1$.
+
+ The code rate is&nbsp; $R = 1$.
-Die Minimaldistanz zwischen zwei Codeworten ist&nbsp; $d_{\rm min} = 2$.
+
-The minimum distance between two code words is&nbsp; $d_{\rm min} = 2$.
  
{Welche Aussagen gelten für einen (3, 2, 2)–Blockcode?
+
{Which statements are true for a&nbsp; $(3, 2, 2)$&nbsp; block code?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Code&nbsp; $\mathcal{C}_{1} = \{(0, 0, 0), (0, 1, 1), (1, 0, 1), (1, 1, 0)\}$&nbsp; ist möglich.
+
+ Code&nbsp; $\mathcal{C}_{1} = \{(0, 0, 0),\ (0, 1, 1),\ (1, 0, 1),\ (1, 1, 0)\}$&nbsp; is possible.
+ Code&nbsp; $\mathcal{C}_{2} = \{(0, 0, 1), (0, 1, 0), (1, 0, 0), (1, 1, 1)\}$&nbsp; ist möglich.
+
+ Code&nbsp; $\mathcal{C}_{2} = \{(0, 0, 1),\ (0, 1, 0),\ (1, 0, 0),\ (1, 1, 1)\}$&nbsp; is possible.
- Code&nbsp; $\mathcal{C}_{3} = \{(0, 0, 0), (0, 1, 1), (1, 0, 0), (1, 1, 1)\}$&nbsp; ist möglich.
+
- Code&nbsp; $\mathcal{C}_{3} = \{(0, 0, 0),\ (0, 1, 1),\ (1, 0, 0),\ (1, 1, 1)\}$&nbsp; is possible.
  
{Welche Eigenschaften zeigt der in Teilaufgabe '''(2)''' definierte Code&nbsp; $\mathcal{C}_{1}$?
+
{What properties does the code&nbsp; $\mathcal{C}_{1}$&nbsp; defined in subtask&nbsp; '''(2)'''&nbsp; show?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Ein Bitfehler lässt sich erkennen.
+
+ A bit error can be detected.
- Ein Bitfehler kann korrigiert werden.
+
- A bit error can be corrected.
  
{Welche Eigenschaften zeigt der Code&nbsp; $\mathcal{C}_{4}= \{(0, 0, 0), (1, 1, 1)\}$?
+
{What properties does the code&nbsp; $\mathcal{C}_{4}= \{(0, 0, 0),\ (1, 1, 1)\}$&nbsp;  show?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Die Coderate beträgt&nbsp; $R = 1/4$.
+
- The code rate is&nbsp; $R = 1/4$.
+ Die Coderate beträgt&nbsp; $R = 1/3$.
+
+ The code rate is&nbsp; $R = 1/3$.
+ Ein Bitfehler lässt sich erkennen.
+
+ A bit error can be detected.
+ Ein Bitfehler kann korrigiert werden.
+
+ A bit error can be corrected.
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 1 und 3</u>:  
+
'''(1)'''&nbsp; Correct&nbsp; <u>statements 1 and 3</u>:  
*Bei dieser Belegung werden $k = 3$ Informationsbits auf $n = 3$ Codebits abgebildet &nbsp; ⇒ &nbsp; $R = k/n = 1$.  
+
*In this assignment,&nbsp; $k = 3$&nbsp; information bits are mapped to&nbsp; $n = 3$&nbsp; code bits &nbsp; ⇒ &nbsp; $R = k/n = 1$.  
*Die Aussage $\underline{x} =   \underline{u} $ würde nur bei systematischer Codierung gelten.  
+
*The statement&nbsp; $\underline{x} = \underline{u} $&nbsp; would only hold in the case of systematic coding.  
*Prinzipiell möglich wäre zum Beispiel auch $(0, 0, 0)$ &nbsp; → &nbsp; $(0, 1, 1)$.  
+
*For example,&nbsp; in principle.&nbsp; $(0, 0, 0)$ &nbsp; → &nbsp; $(0, 1, 1)$&nbsp; would also be possible.  
*Die letzte Aussage ist mit Sicherheit falsch: Aus der Grafik erkennt man die Minimaldistanz $d_{\rm min} = 1$.
+
*The last statement is certainly false:&nbsp; From the graph one can see the minimum distance&nbsp; $d_{\rm min} = 1$.
  
  
[[File:P_ID2401__KC_Z_1_2b.png|right|frame|Zwei (3, 2, 2)–Blockcodes]]
+
[[File:P_ID2401__KC_Z_1_2b.png|right|frame|Two&nbsp; $(3, 2, 2)$&nbsp; block codes]]
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 1 und 3</u>:  
+
'''(2)'''&nbsp; Correct&nbsp; <u>statements 1 and 2</u>:  
*$\mathcal{C}_{1}$ und $\mathcal{C}_{2}$ beschreiben tatsächlich Codes mit der Rate $R = 2/3$ und der Minimaldistanz $d_{\rm min} = 2$.     
+
*$\mathcal{C}_{1}$&nbsp; and&nbsp; $\mathcal{C}_{2}$ actually&nbsp; describe codes with rate&nbsp; $R = 2/3$&nbsp; and minimum distance&nbsp; $d_{\rm min} = 2$.     
*In der Grafik markieren die grünen Punkte den Code $\mathcal{C}_{1}$ und die blauen Punkte den Code $\mathcal{C}_{2}$.  
+
*In the graph,&nbsp; the green dots mark the code&nbsp; $\mathcal{C}_{1}$&nbsp; and the blue dots mark the code&nbsp; $\mathcal{C}_{2}$.  
*Beim Code $\mathcal{C}_{3}$ – ebenfalls mit Rate $R = 2/3$ – ist die minimale Distanz zwischen zwei Codeworten $d_{\rm min} = 1$, zum Beispiel zwischen $(0, 0, 0)$ und $(1, 0, 0)$ oder zwischen $(0, 1, 1)$ und $(1, 1, 1)$.
+
*For the code&nbsp; $\mathcal{C}_{3}$&nbsp; &ndash; also with rate&nbsp; $R = 2/3$&nbsp; &ndash; the minimum distance between two code words is&nbsp; $d_{\rm min} = 1$,&nbsp; <br>for example between&nbsp; $(0, 0, 0)$&nbsp; and&nbsp; $(1, 0, 0)$&nbsp; or between&nbsp; $(0, 1, 1)$&nbsp; and&nbsp; $(1, 1, 1)$.
  
  
 
   
 
   
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist nur die <u>Aussage 1</u>:  
+
'''(3)'''&nbsp; Correct is only&nbsp; <u>statement 1</u>:  
*Mit der Minimaldistanz $d_{\rm min} = 2$ kann lediglich ein Bitfehler erkannt werden.  
+
*Only a bit error can be detected with the minimum distance&nbsp; $d_{\rm min} = 2$.  
*In der oberen Grafik kennzeichnen die grünen Punkte zulässige Codeworte von $\mathcal{C}_{1}$. Wird ein blauer Punkt empfangen, so weist dies auf einen Übertragungsfehler hin.  
+
*In the upper graph,&nbsp; the green dots indicate allowed code words of&nbsp; $\mathcal{C}_{1}$.&nbsp; <br>If a blue dot is received,&nbsp; this indicates a transmission error.  
*Eine Fehlerkorrektur ist mit $d_{\rm min} = 2$ dagegen nicht möglich.  
+
*On the other hand,&nbsp; error correction is not possible with&nbsp; $d_{\rm min} = 2$.  
*Der Code $\mathcal{C}_{1}$ entspricht dem [[Channel_Coding/Beispiele_binärer_Blockcodes#Single_Parity.E2.80.93check_Codes|Single Parity–check Code (3, 2, 2)]].
+
*The code&nbsp; $\mathcal{C}_{1}$&nbsp; corresponds to the&nbsp; [[Channel_Coding/Examples_of_Binary_Block_Codes#Single_Parity_Check_Codes|single parity-check code&nbsp; $(3, 2, 2)$]].
  
  
[[File:P_ID2402__KC_Z_1_2d.png|right|frame|(3, 1, 3)–Blockcode]]
+
[[File:P_ID2402__KC_Z_1_2d.png|right|frame|$(3, 1, 3)$&nbsp; block code]]
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Antworten 2, 3 und 4</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; Correct&nbsp; <u>answers 2, 3, and 4</u>:
*$C_{4}$ beschreibt den [[Channel_Coding/Beispiele_binärer_Blockcodes#Wiederholungscodes|(3, 1, 3)–Wiederholungscode]].  
+
*$C_{4}$&nbsp; describes the&nbsp; [[Channel_Coding/Examples_of_Binary_Block_Codes#Repetition_Codes|$(3, 1, 3)$ repetition code]].&nbsp; In this code,&nbsp; two of the total eight possible points are occupied,&nbsp; from which one could incorrectly conclude the code rate $R = 1/4$.  
*Bei diesem Code sind zwar zwei der insgesamt acht möglichen Punkte belegt, woraus man fälschlicherweise auf die Coderate $R = 1/4$ schließen könnte. Die Coderate berechnet sich aber gemäß $R = k/n = 1/3$.
+
*However,&nbsp; the code rate is calculated according to $R = k/n = 1/3$.
*Aus der unteren Grafik erkennt man, dass wegen $d_{\rm min} = 3$ nun auch ein Bitfehler korrigiert werden kann.  
+
*From the lower diagram one recognizes that because of&nbsp; $d_{\rm min} = 3$&nbsp; now also one bit error can be corrected.  
*Bei der Decodierung werden alle hellgrünen Punkte (mit schwarzer Umrahmung) in den grünen Punkt $(0, 0, 0)$ überführt und alle hellblauen in den blauen Punkt $(1, 1, 1)$.  
+
*During decoding,&nbsp; all light green points&nbsp; (with black outline)&nbsp; are transferred to the green point&nbsp; $(0, 0, 0)$&nbsp; and all light blue points are transferred to the blue point&nbsp; $(1, 1, 1)$.  
*Gleichzeitig können bis zu zwei Bitfehler erkannt werden (einer natürlich auch).
+
*Up to two bit errors can be detected at the same time&nbsp; (one of course).  
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Channel Coding: Exercises|^1.1 Zielsetzung der Kanalcodierung^]]
+
[[Category:Channel Coding: Exercises|^1.1 Objective of Channel Coding^]]

Latest revision as of 15:23, 6 June 2022

Space  $\rm GF(2^3)$  and 
code of length  $n = 3$

Codes for error detection or error correction can be represented very clearly in an  $n$-dimensional space.  We restrict ourselves here to binary codes of length  $n = 3$:

$$\underline{x} = (x_{1},\ x_{2},\ x_{3}) \hspace{0.1cm} \in \hspace{0.1cm}{\rm GF}(2^3) \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} x_i = \{0,\ 1 \}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} i = 1, 2, 3\hspace{0.05cm}.$$

In general,  for block coding:

  • The information word  $\underline{u} = (u_{1},\ u_{2}, \ \text{...} , \ u_{k})$  is uniquely transformed into the code word  $\underline{x} =(x_{1},\ x_{2}, \ \text{...} , \ , x_{n})$.
  • The code rate is  $R = k/n$.
  • The Hamming distance  $d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')$  between two code words  $x ∈ \mathcal{C}$  and  $x\hspace{0.05cm}' ∈ \mathcal{C}$  indicates the number of bit positions in which  $x$  and  $x\hspace{0.05cm}'$  differ.
  • The minimum distance  $d_{\rm min} = {\rm min}\big[d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')\big]$  is a measure of the correctability of a code.
  • It can detect  $e =d_{\rm min} - 1$  errors and can correct  $t =(d_{\rm min} - 1)/2$  errors.
  • The last statement,  however,  is valid only for odd  $d_{\rm min}$.



Hints:



Questions

1

Which statements hold if all points in  $\rm GF(2^3)$  are occupied?

The assignment  $\underline{u} = (u_{1},\ u_{2},\ u_{3})$   →   $\underline{x} = (x_{1},\ x_{2},\ x_{3})$  holds.
The identity  $\underline{x} = \underline{u}$  holds.
The code rate is  $R = 1$.
The minimum distance between two code words is  $d_{\rm min} = 2$.

2

Which statements are true for a  $(3, 2, 2)$  block code?

Code  $\mathcal{C}_{1} = \{(0, 0, 0),\ (0, 1, 1),\ (1, 0, 1),\ (1, 1, 0)\}$  is possible.
Code  $\mathcal{C}_{2} = \{(0, 0, 1),\ (0, 1, 0),\ (1, 0, 0),\ (1, 1, 1)\}$  is possible.
Code  $\mathcal{C}_{3} = \{(0, 0, 0),\ (0, 1, 1),\ (1, 0, 0),\ (1, 1, 1)\}$  is possible.

3

What properties does the code  $\mathcal{C}_{1}$  defined in subtask  (2)  show?

A bit error can be detected.
A bit error can be corrected.

4

What properties does the code  $\mathcal{C}_{4}= \{(0, 0, 0),\ (1, 1, 1)\}$  show?

The code rate is  $R = 1/4$.
The code rate is  $R = 1/3$.
A bit error can be detected.
A bit error can be corrected.


Solution

(1)  Correct  statements 1 and 3:

  • In this assignment,  $k = 3$  information bits are mapped to  $n = 3$  code bits   ⇒   $R = k/n = 1$.
  • The statement  $\underline{x} = \underline{u} $  would only hold in the case of systematic coding.
  • For example,  in principle.  $(0, 0, 0)$   →   $(0, 1, 1)$  would also be possible.
  • The last statement is certainly false:  From the graph one can see the minimum distance  $d_{\rm min} = 1$.


Two  $(3, 2, 2)$  block codes

(2)  Correct  statements 1 and 2:

  • $\mathcal{C}_{1}$  and  $\mathcal{C}_{2}$ actually  describe codes with rate  $R = 2/3$  and minimum distance  $d_{\rm min} = 2$.
  • In the graph,  the green dots mark the code  $\mathcal{C}_{1}$  and the blue dots mark the code  $\mathcal{C}_{2}$.
  • For the code  $\mathcal{C}_{3}$  – also with rate  $R = 2/3$  – the minimum distance between two code words is  $d_{\rm min} = 1$, 
    for example between  $(0, 0, 0)$  and  $(1, 0, 0)$  or between  $(0, 1, 1)$  and  $(1, 1, 1)$.


(3)  Correct is only  statement 1:

  • Only a bit error can be detected with the minimum distance  $d_{\rm min} = 2$.
  • In the upper graph,  the green dots indicate allowed code words of  $\mathcal{C}_{1}$. 
    If a blue dot is received,  this indicates a transmission error.
  • On the other hand,  error correction is not possible with  $d_{\rm min} = 2$.
  • The code  $\mathcal{C}_{1}$  corresponds to the  single parity-check code  $(3, 2, 2)$.


$(3, 1, 3)$  block code

(4)  Correct  answers 2, 3, and 4:

  • $C_{4}$  describes the  $(3, 1, 3)$ repetition code.  In this code,  two of the total eight possible points are occupied,  from which one could incorrectly conclude the code rate $R = 1/4$.
  • However,  the code rate is calculated according to $R = k/n = 1/3$.
  • From the lower diagram one recognizes that because of  $d_{\rm min} = 3$  now also one bit error can be corrected.
  • During decoding,  all light green points  (with black outline)  are transferred to the green point  $(0, 0, 0)$  and all light blue points are transferred to the blue point  $(1, 1, 1)$.
  • Up to two bit errors can be detected at the same time  (one of course).