Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.10Z: Code Rate and Minimum Distance"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Definition und Eigenschaften von Reed–Solomon–Codes}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Definition_and_Properties_of_Reed-Solomon_Codes}}
  
[[File:P_ID2526__KC_Z_2_10.png|right|frame|Die beiden Erfinder der Reed–Solomon–Codes]]
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[[File:P_ID2526__KC_Z_2_10.png|right|frame|The inventors of the Reed-Solomon codes]]
Die von [https://de.wikipedia.org/wiki/Irving_Stoy_Reed Irving Story Reed] und [https://de.wikipedia.org/wiki/Gustave_Solomon Gustav Solomon] Anfang der 1960er Jahre entwickelten Codes werden in diesem Tutorial wie folgt mit
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The codes developed by  [https://en.wikipedia.org/wiki/Irving_S._Reed Irving Stoy Reed]  and  [https://en.wikipedia.org/wiki/Gustave_Solomon Gustave Solomon]  in the early 1960s are referred to in this tutorial as follows:
${\rm RSC} \, (n, \, k, \, d_{\rm min}) _q.$ bezeichnet.
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:$${\rm RSC} \, (n, \, k, \, d_{\rm min}) _q.$
  
Die Codeparameter haben folgende Bedeutungen:
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The code parameters have the following meanings:
* $q = 2^m$ ist ein Hinweis auf die Größe des Galoisfeldes   ⇒   ${\rm GF}(q)$,
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* $q = 2^m$  is an indication of the  "size"  of the Galois field   ⇒   ${\rm GF}(q)$,
* $n = q - 1$ ist die Codelänge (Symbolanzahl eines Codewortes),
 
* $k$ gibt die Dimension an (Symbolanzahl eines Informationsblocks),
 
* $d_{\rm min}$ bezeichnet die minimale Distanz zwischen zwei Codeworten. Für die Reed–Solomon–Codes gilt $d_{\rm min} = n - k + 1$.
 
*Mit keinem anderen Code mit gleichem $k$ und  $k$ ergibt sich ein größerer Wert.
 
  
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* $n = q - 1$  is the  "code length"  $($symbol number of a code word$)$,
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* $k$  indicates the  "dimension"  $($symbol number of an information block$)$,
  
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* $d_{\rm min}$  denotes the  "minimum distance"  between two code words. 
  
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*For any Reed-Solomon code:
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:$$d_{\rm min} = n - k + 1.$$
  
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'''No other code with the same  $k$  and  $n$  yields a larger value'''.
  
''Hinweise:''
 
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Kanalcodierung/Definition_und_Eigenschaften_von_Reed%E2%80%93Solomon%E2%80%93Codes| Definition und Eigenschaften von Reed–Solomon–Codes]].
 
* Die für diese Aufgabe relevanten Informationen finden Sie am Ende des Theorieteils, nämlich auf der Seite [[Kanalcodierung/Definition_und_Eigenschaften_von_Reed%E2%80%93Solomon%E2%80%93Codes#Codebezeichnung_und_Coderate|Codebezeichnung und Coderate]].
 
* Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
 
  
  
  
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Hints:
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* The exercise belongs to the chapter  [[Channel_Coding/Definition_and_Properties_of_Reed-Solomon_Codes| "Definition and Properties of Reed–Solomon Codes"]].
  
===Fragebogen===
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* Information relevant to this exercise can be found on the  [[Channel_Coding/Definition_and_Properties_of_Reed-Solomon_Codes#Code_name_and_code_rate|"Code name and code rate"]] page.
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===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Geben Sie die Kenngrößen des ${\rm RSC} \, (255, \, 223, \, d_{\rm min})_q$ an.
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{Specify the characteristics of the &nbsp; ${\rm RSC} \, (255, \, 223, \, d_{\rm min})_q$.
 
|type="{}"}
 
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$q \hspace{0.2cm} = \ ${ 256 }
 
$q \hspace{0.2cm} = \ ${ 256 }
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$d_{\rm min} \ = \ ${ 33 }
 
$d_{\rm min} \ = \ ${ 33 }
  
{Geben Sie die Kenngrößen des $\rm RSC \, (2040, \, 1784, \, d_{\rm min})_2$ an.
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{Specify the characteristics of the &nbsp; $\rm RSC \, (2040, \, 1784, \, d_{\rm min})_2$&nbsp;.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$R \hspace{0.2cm} = \ ${ 0.8745 3% }
 
$R \hspace{0.2cm} = \ ${ 0.8745 3% }
 
$d_{\rm min} \ = \ ${ 33 }
 
$d_{\rm min} \ = \ ${ 33 }
  
{Wieviele Bitfehler $(N_3)$ darf ein Empfangswort $\underline{y}$ maximal aufweisen, damit es <u>mit Sicherheit richtig decodiert wird</u>?
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{How many bit errors&nbsp; $(N_3)$&nbsp; may a received word&nbsp; $\underline{y}$&nbsp; have at most,&nbsp; so that it is&nbsp; <u>certainly decoded correctly</u>?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N_{3} \ = \ $ { 16 }
 
$N_{3} \ = \ $ { 16 }
  
{Wieviele Bitfehler $(N_4)$ darf ein Empfangswort $\underline{y}$ im günstigsten Fall aufweisen, damit es noch <u>richtig decodiert werden könnte</u>?
+
{How many bit errors&nbsp; $(N_4)$&nbsp; may a received word&nbsp; $\underline{y}$&nbsp; have&nbsp; <u>in the best case</u>&nbsp; so that it could still be&nbsp; <u>correctly decoded</u>?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$N_{4} \ = \ $ { 128 }
 
$N_{4} \ = \ $ { 128 }
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus der Codelänge $n = 255$ folgt $q \ \underline{= 256}$. Die Coderate ergibt sich zu
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'''(1)'''&nbsp; From the code length&nbsp; $n = 255$&nbsp; follows&nbsp; $q \ \underline{= 256}$.  
:$$R = \frac{223}{255}
+
 
\hspace{0.15cm}\underline {=0.8745}\hspace{0.05cm}$$
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*The code rate is given by&nbsp; $R = {223}/{255} \hspace{0.15cm}\underline {=0.8745}\hspace{0.05cm}.$
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*The minimum distance is&nbsp; $d_{\rm min} = n - k +1 = 255 - 223 +1
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\hspace{0.15cm}\underline {=33}\hspace{0.05cm}.$
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*This allows:
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:* $e = d_{\rm min} - 1 \ \underline{= 32}$&nbsp; symbol errors can be detected, and
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:* $t = e/2$&nbsp; $($rounded down$)$.&nbsp; So&nbsp; $\underline{t = 16}$&nbsp; symbol errors can be corrected.
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'''(2)'''&nbsp; The code&nbsp; $\rm RSC \, (2040, \, 1784, \, d_{\rm min})_2$&nbsp; is the binary representation of the&nbsp; ${\rm RSC} \, (255, \, 223, \, d_{\rm min})_{256}$&nbsp; discussed in&nbsp; '''(1)'''&nbsp; 
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*with exactly the same code rate&nbsp; $R \ \underline{= 0.8745}$&nbsp; and
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*also the same minimum distance&nbsp; $d_{\rm min} \ \underline{= 33}$&nbsp; as this one.&nbsp;
  
Die minimale Distanz beträgt
 
:$$d_{\rm min} = n - k +1 = 255 - 223 +1
 
\hspace{0.15cm}\underline {=33}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
Damit können
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Here&nbsp; $8$&nbsp; bits&nbsp; (1 byte)&nbsp; are used per code symbol.
* $e = d_{\rm min} - 1 \ \underline{= 32}$ Symbolfehler erkannt werden,
 
* $t = e/2$ (abgerundet), also $\underline{t = 16}$ Symbolfehler korrigiert werden.
 
  
  
'''(2)'''&nbsp; Dieser Code ist die Binärrepräsentation des unter (1) behandelten ${\rm RSC} \, (255, \, 223, \, 33)_{256}$ mit genau der gleichen Coderate $R \ \underline{= 0.8745}$ und ebenfalls gleicher Minimaldistanz $d_{\rm min} \ \underline{= 33}$ wie dieser. Hier werden pro Codesymbol $8 \ \rm Bit \ (1 \ Byte)$ verwendet.
 
  
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'''(3)'''&nbsp; From&nbsp; $d_{\rm min} = 33$&nbsp; follows again&nbsp; $t = 16 \ \Rightarrow \ N_{3} \ \underline{= 16}$.
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*If exactly one bit is falsified in each code symbol,&nbsp; this also means&nbsp; $16$&nbsp; symbol errors.
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*This is the maximum value that the Reed&ndash;Solomon decoder can still handle.
  
'''(3)'''&nbsp; Aus $d_{\rm min} = 33$ folgt wieder $t = 16 \ \Rightarrow \ N_{\rm Bitfehler} \ \underline{= 16}$. Ist in jedem Codesymbol genau ein Bit verfälscht, so bedeutet dies gleichzeitig auch 16 Symbolfehler. Dies ist der maximale Wert, den der Reed&ndash;Solomon&ndash;Decoder noch verkraften kann.
 
  
  
'''(4)'''&nbsp; Der RS&ndash;Decoder kann 16 verfälschte Codesymbole korrigieren, wobei es egal ist, ob in einem Codesymbol nur ein Bit oder alle $m = 8 \ \rm Bit$ verfälscht wurden. Deshalb können bei der günstigsten Fehlerverteilung bis zu $8 \cdot 16 \ \underline{= 128 \ \rm Bit}$ verfälscht sein, ohne dass das Codewort falsch decodiert wird.
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'''(4)'''&nbsp; The Reed&ndash;Solomon decoder can correct&nbsp; $16$&nbsp; falsified code symbols.
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*It does not matter whether in a code symbol only one bit or all&nbsp; $m = 8$&nbsp; bits have been falsified.
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*Therefore,&nbsp; with the most favorable error distribution,&nbsp; up to&nbsp; $N_4 = 8 \cdot 16 \ \underline{= 128}$&nbsp; bits can be falsified without the code word being incorrectly decoded.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu  Kanalcodierung|^2.3 Zu den Reed–Solomon–Codes^]]
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[[Category:Channel Coding: Exercises|^2.3 Reed–Solomon Codes^]]

Latest revision as of 17:28, 23 January 2023

The inventors of the Reed-Solomon codes

The codes developed by  Irving Stoy Reed  and  Gustave Solomon  in the early 1960s are referred to in this tutorial as follows:

$${\rm RSC} \, (n, \, k, \, d_{\rm min}) _q.$$

The code parameters have the following meanings:

  • $q = 2^m$  is an indication of the  "size"  of the Galois field   ⇒   ${\rm GF}(q)$,
  • $n = q - 1$  is the  "code length"  $($symbol number of a code word$)$,
  • $k$  indicates the  "dimension"  $($symbol number of an information block$)$,
  • $d_{\rm min}$  denotes the  "minimum distance"  between two code words. 
  • For any Reed-Solomon code:
$$d_{\rm min} = n - k + 1.$$

No other code with the same  $k$  and  $n$  yields a larger value.



Hints:



Questions

1

Specify the characteristics of the   ${\rm RSC} \, (255, \, 223, \, d_{\rm min})_q$.

$q \hspace{0.2cm} = \ $

$e \hspace{0.2cm} = \ $

$t \hspace{0.2cm} = \ $

$R \hspace{0.2cm} = \ $

$d_{\rm min} \ = \ $

2

Specify the characteristics of the   $\rm RSC \, (2040, \, 1784, \, d_{\rm min})_2$ .

$R \hspace{0.2cm} = \ $

$d_{\rm min} \ = \ $

3

How many bit errors  $(N_3)$  may a received word  $\underline{y}$  have at most,  so that it is  certainly decoded correctly?

$N_{3} \ = \ $

4

How many bit errors  $(N_4)$  may a received word  $\underline{y}$  have  in the best case  so that it could still be  correctly decoded?

$N_{4} \ = \ $


Solution

(1)  From the code length  $n = 255$  follows  $q \ \underline{= 256}$.

  • The code rate is given by  $R = {223}/{255} \hspace{0.15cm}\underline {=0.8745}\hspace{0.05cm}.$
  • The minimum distance is  $d_{\rm min} = n - k +1 = 255 - 223 +1 \hspace{0.15cm}\underline {=33}\hspace{0.05cm}.$
  • This allows:
  • $e = d_{\rm min} - 1 \ \underline{= 32}$  symbol errors can be detected, and
  • $t = e/2$  $($rounded down$)$.  So  $\underline{t = 16}$  symbol errors can be corrected.


(2)  The code  $\rm RSC \, (2040, \, 1784, \, d_{\rm min})_2$  is the binary representation of the  ${\rm RSC} \, (255, \, 223, \, d_{\rm min})_{256}$  discussed in  (1) 

  • with exactly the same code rate  $R \ \underline{= 0.8745}$  and
  • also the same minimum distance  $d_{\rm min} \ \underline{= 33}$  as this one. 


Here  $8$  bits  (1 byte)  are used per code symbol.


(3)  From  $d_{\rm min} = 33$  follows again  $t = 16 \ \Rightarrow \ N_{3} \ \underline{= 16}$.

  • If exactly one bit is falsified in each code symbol,  this also means  $16$  symbol errors.
  • This is the maximum value that the Reed–Solomon decoder can still handle.


(4)  The Reed–Solomon decoder can correct  $16$  falsified code symbols.

  • It does not matter whether in a code symbol only one bit or all  $m = 8$  bits have been falsified.
  • Therefore,  with the most favorable error distribution,  up to  $N_4 = 8 \cdot 16 \ \underline{= 128}$  bits can be falsified without the code word being incorrectly decoded.