Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.1: Coding with and without Loss"

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}}
 
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[[File:EN_Inf_A_2_1.png|right|frame|Keywords related to <br>the topic&nbsp; "Coding"]]
:Man unterscheidet  drei Arten von Codierverfahren, nämlich:
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Three types of coding methods are distinguished, namely:
:<ul class="liste_ohne"><li> Leitungscodierung,
+
*Line Coding &nbsp; &rArr; &nbsp; Chapter&nbsp; "Coded and Multilevel Transmission"&nbsp; in the book&nbsp; "[[Digital_Signal_Transmission]]",
:<ul class="liste_ohne"><li> Kanalcodierung,
+
*Channel Coding &nbsp; &rArr; &nbsp; &nbsp;  book&nbsp; "[[Channel_Coding]]",
:<ul class="liste_ohne"><li> Quellencodierung.
+
*Source Coding &nbsp; &rArr; &nbsp; Chapter&nbsp; "Source Coding - Data Compression"&nbsp; in the book&nbsp; "[[Information_Theory]]".
  
:Alle diese grundlegenden Codierverfahren haben gemeinsam, dass das Quellensignal <i>q</i>(<i>t</i>) durch eine Codesymbolfolge &#9001;<i>c<sub>&nu;</sub></i>&#9002; dargestellt wird. Bei einer digitalen Quelle (mit oder ohne Gedächtnis) kann das Quellensignal <i>q</i>(<i>t</i>) auch durch die Quellensymbolfolge &#9001;<i>q<sub>&nu;</sub></i>&#9002; beschrieben werden.
 
  
:Beim Empfänger wird aus der regenerierten Symbolfolge &#9001;<i>r<sub>&nu;</sub></i>&#9002; die Sinkensymbolfolge &#9001;<i>&upsilon;<sub>&nu;</sub></i>&#9002; bzw. das Sinkensignal <i>&upsilon;</i>(<i>t</i>) gewonnen. Man spricht von  <i>Decodierung</i>, manchmal auch von <i>Signalrekonstruktion</i>.
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All these basic coding methods have in common that the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is represented by a encoded sequence&nbsp; $\langle c_\nu \rangle $.&nbsp; With a digital source&nbsp; (with or w/o memory)&nbsp; the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; can be described by the source symbol sequence&nbsp; $\langle q_\nu \rangle $.
  
:Alle rechts aufgeführten Begriffe gehören zu einer der drei oben aufgeführten Disziplinen, zwischen denen zwar eine gewisse Verwandtschaft besteht, die sich aber in Zielrichtung und mathematischer Handhabung durchaus unterscheiden.
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At the receiver, the sink symbol sequence&nbsp; $\langle v_\nu \rangle $&nbsp; or the sink signal&nbsp; $v(t)$&nbsp; is obtained from the regenerated symbol sequence&nbsp; $\langle r_\nu \rangle $.&nbsp; This is called&nbsp;  "decoding",&nbsp; sometimes also "signal reconstruction".
  
:Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bei codierter Übertragung ist:
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All the terms listed on the right belong to one of the three disciplines listed above, between which there is a certain affinity, but which are quite different in terms of objective and mathematical handling.
  
:* Man spricht dann von einem <i>verlustlosen Codierverfahren</i>, wenn nach der Decodierung &#9001;<i>&upsilon;<sub>&nu;</sub></i>&#9002;&nbsp;=&nbsp;&#9001;<i>q<sub>&nu;</sub></i>&#9002; &nbsp;&nbsp; bzw. &nbsp;&nbsp; <i>&upsilon;</i>(<i>t</i>) = <i>q</i>(<i>t</i>) gilt. Andernfalls ist das Codierverfahren <i>verlustbehaftet</i>.
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A further distinguishing feature in&nbsp; "coded transmission"&nbsp; is:
  
:* Voraussetzung für diese Klassifizierung ist eine fehlerfreie Übertragung: &#9001;<i>r<sub>&nu;</sub></i>&#9002; = &#9001;<i>c<sub>&nu;</sub></i>&#9002;.
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* One speaks of a&nbsp; "lossless coding procedure", if after decoding&nbsp; $\langle v_\nu \rangle  = \langle q_\nu \rangle$&nbsp; applies.&nbsp; <br>Otherwise, the coding procedure is called&nbsp; "lossy".
  
:<b>Hinweis:</b> Die Aufgabe gehört zum Kapitel 2.1. Die folgenden Fragen (3) bis (6) beziehen sich auf die Schlagworte in der obigen Grafik.
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* The prerequisite for this classification is error-free transmission: &nbsp; $\langle r_\nu \rangle  = \langle c_\nu \rangle$.
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Information_Theory/Allgemeine_Beschreibung|General Description of Source Coding]].
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*The following questions&nbsp; '''(3)'''&nbsp; to&nbsp; '''(6)'''&nbsp; refer to the keywords in the above graphic.
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Bei welchen Codierverfahren wird Redundanz hinzugefügt?
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{In which coding procedures is redundancy added?
 
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|type="[]"}
+ Verfahren zur Leitungscodierung,
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+ Line coding  methods,
+ Verfahren zur Kanalcodierung,
+
+ Channel coding methods,
- Verfahren zur Quellencodierung.
+
- Source coding methods.
  
  
{Welche Codierverfahren können durchaus verlustbehaftet sein?
+
{Which coding methods can be lossy?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Verfahren zur Leitungscodierung,
+
- Line coding methods,
- Verfahren zur Kanalcodierung,
+
- Channel coding methods,
+ Verfahren zur Quellencodierung.
+
+ Source coding methods.
  
  
{Wieviele der genannten Verfahren zählt man zur Leitungscodierung?
+
{How many of the terms given in the chart are counted as&nbsp; "Line Coding"?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$N_\text{LC}$ = { 2 3% }
+
$N_\text{LC} \ = \ $ { 2 }
  
  
{Wieviele der genannten Verfahren zählt man zur Kanalcodierung?
+
{How many of the terms in the graph are counted as&nbsp; "Channel Coding"?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$N_\text{KC}$ = { 4 3% }
+
$N_\text{ChC}\ =  \ $ { 4 }
  
  
{Wieviele Begriffe sind der verlustlosen Quellencodierung zuzuordnen?
+
{How many of the terms given in the graph are counted as&nbsp; "lossless Source Coding"?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$N_\text{QC (verlustlos)}$ = { 4 3% }
+
$N_\text{SC (lossless)} \ =  \ $ { 4 }
  
  
  
{Welche Aussagen gelten für die verlustbehafteten Quellencodierverfahren?
+
{Which statements apply to the lossy source coding methods?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ AMR und EFR verwendet man im zellularen Mobilfunk.
+
+ AMR and EFR are used in cellular mobile radio.
- GIF, JPG und MP3 sind Komprimierungsverfahren für Bilder.
+
- GIF, JPG and MP3 are compression methods for pictures.
+ MP3 wird zur Komprimierung von Audiodateien verwendet.
+
+ MP3 is used to compress audio files.
  
  
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</quiz>
 
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===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 2</u>. Bei der Leitungscodierung fügt man Redundanz hinzu, um das Sendesignal an die Spektraleigenschaften des Kanals anzupassen. Auch bei der Kanalcodierung fügt man gezielt Redundanz hinzu, in diesem Fall, um diese beim Empfänger zur Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur nutzen zu können. Ziel von Quellencodierung ist dagegen eine größtmögliche Redundanzverminderung, um die Information der Nachrichtenquelle möglichst effizient speichern oder übertragen zu können.
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'''(1)'''&nbsp; <u>Proposed solutions 1 and 2</u> are correct:
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* In line coding, redundancy is added to adapt the transmitted signal to the spectral characteristics of the channel.
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*With channel coding, redundancy is also added specifically, in this case to be able to use it at the receiver for error detection and/or error correction.
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*The aim of source coding is to reduce redundancy as much as possible in order to be able to store or transmit the information of the source as efficiently as possible.
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'''(2)'''&nbsp; Correct <u>answer is 3</u>:
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*In line and channel coding, lossy techniques would be counterproductive.
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*In contrast, source coding for analog input signals (audio, video, etc.) is lossy per se.
  
:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Richtig ist hier die <u>Antwort 3</u>. Bei Leitungs&ndash; und Kanalcodierung wären verlustbehaftete Verfahren kontraproduktiv. Dagegen ist die Quellencodierung bei analogem Eingangssignal (Audio, Video, usw.) per se verlustbehaftet.
 
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Zu den Leitungscodierverfahren zählt man
 
  
:<ul class="liste_ohne"><li>die 4B3T&ndash;Codes (es gibt mehrere Varianten, die alle blockweise arbeiten),
+
'''(3)'''&nbsp; The following are line coding methods:
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*the 4B3T codes (there are several variants of this, all of which work in blocks),
 +
*the AMI code (symbol-wise &nbsp; &rArr; &nbsp; at each coding step, a binary character is read in and a ternary character is output).
  
:<ul class="liste_ohne"><li>den AMI&ndash;Code (symbolweise: Bei jedem Codierschritt wird ein Binärzeichen eingelesen und ein Ternärzeichen ausgegeben).
 
  
:Demzufolge gilt <i>N</i><sub>LC</sub> <u>= 2</u>.
+
Consequently, $N_\text{LC}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2}$.
  
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Im Buch &bdquo;Einführung in die Kanalcodierung&rdquo; werden behandelt:
 
  
:<ul class="liste_ohne"><li>die Hamming&ndash;Codes,
 
  
:<ul class="liste_ohne"><li>die Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes,
+
'''(4)'''&nbsp; In the book&nbsp; "Channel Coding"&nbsp; are dealt with:
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*the Hamming codes,
 +
*the Reed-Solomon codes,
 +
*the convolutional codes,
 +
*the turbo codes.
  
:<ul class="liste_ohne"><li>die Faltungscodes,
 
  
:<ul class="liste_ohne"><li>die Turbocodes.
+
The correct result is accordingly $N_\text{ChC}\hspace{0.15cm}\underline{ = 4}$.
  
:Das richtige Ergebnis lautet dementsprechend <i>N</i><sub>KC</sub> <u>= 4</u>.
 
  
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;Bei einem verlustlosen Quellencodierverfahren ist es dem Empfänger möglich, die Nachricht der Quelle vollständig zu rekonstruieren, wenn kein Übertragungsfehler aufgetreten ist.
 
  
:Zu den verlustlosen Quellencodierverfahren gehören
+
'''(5)'''&nbsp; In lossless source coding, the receiver can completely reconstruct the message of the source if no transmission error has occurred.
  
:<ul class="liste_ohne"><li>der Huffman&ndash;Code,
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Lossless source coding schemes include
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*the Huffman code,
 +
*the different variants of the Lempel-Ziv algorithm,
 +
*the run-length code,
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*the well-known compression programme "Winzip".
  
:<ul class="liste_ohne"><li>die verschiedenen Varianten des Lempel-Ziv-Algorithmus,
 
  
:<ul class="liste_ohne"><li>die so genannten Run-Length-Codes,
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All these procedures can only be used with digital input &nbsp; &rArr; &nbsp;  $N_\text{SC (lossless)}\hspace{0.15cm}\underline{ = 4}$.
  
:<ul class="liste_ohne"><li>das bekannte Komprimierungsprogramm Winzip.
 
  
:&#8658; <i>N</i><sub>QC&nbsp;(verlustlos)</sub> <u>= 4</u>. Alle diese Verfahren kann man nur bei digitalem Eingang anwenden.
 
  
:<b>6.</b>&nbsp;&nbsp;Richtig sind die <u>Aussagen 1 und 3</u>. Nur GIF und JPG wendet man auf Bilder an, während MP3 seit Jahren das am weitesten verbreitete Audio&ndash;Komprimierungsprogramm darstellt. Der AMR-Codec und der EFR-Codec finden Anwendung bei GSM und UMTS.
+
'''(6)'''&nbsp; <u>Statements 1 and 3</u> are correct:
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* Only GIF and JPG are applied to pictures.&nbsp; MP3 has been the most widely used audio compression program for years.
 +
*The AMR codec and the EFR codec are used for GSM and UMTS in Mobile Communication.
  
 
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[[Category:Aufgaben zu Informationstheorie|^2.1 Allgemeine Beschreibung^]]
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[[Category:Information Theory: Exercises|^2.1 General Description^]]

Latest revision as of 14:07, 16 August 2021

Keywords related to
the topic  "Coding"

Three types of coding methods are distinguished, namely:


All these basic coding methods have in common that the source signal  $q(t)$  is represented by a encoded sequence  $\langle c_\nu \rangle $.  With a digital source  (with or w/o memory)  the source signal  $q(t)$  can be described by the source symbol sequence  $\langle q_\nu \rangle $.

At the receiver, the sink symbol sequence  $\langle v_\nu \rangle $  or the sink signal  $v(t)$  is obtained from the regenerated symbol sequence  $\langle r_\nu \rangle $.  This is called  "decoding",  sometimes also "signal reconstruction".

All the terms listed on the right belong to one of the three disciplines listed above, between which there is a certain affinity, but which are quite different in terms of objective and mathematical handling.

A further distinguishing feature in  "coded transmission"  is:

  • One speaks of a  "lossless coding procedure", if after decoding  $\langle v_\nu \rangle = \langle q_\nu \rangle$  applies. 
    Otherwise, the coding procedure is called  "lossy".
  • The prerequisite for this classification is error-free transmission:   $\langle r_\nu \rangle = \langle c_\nu \rangle$.





Hints:


Questions

1

In which coding procedures is redundancy added?

Line coding methods,
Channel coding methods,
Source coding methods.

2

Which coding methods can be lossy?

Line coding methods,
Channel coding methods,
Source coding methods.

3

How many of the terms given in the chart are counted as  "Line Coding"?

$N_\text{LC} \ = \ $

4

How many of the terms in the graph are counted as  "Channel Coding"?

$N_\text{ChC}\ = \ $

5

How many of the terms given in the graph are counted as  "lossless Source Coding"?

$N_\text{SC (lossless)} \ = \ $

6

Which statements apply to the lossy source coding methods?

AMR and EFR are used in cellular mobile radio.
GIF, JPG and MP3 are compression methods for pictures.
MP3 is used to compress audio files.


Solution

(1)  Proposed solutions 1 and 2 are correct:

  • In line coding, redundancy is added to adapt the transmitted signal to the spectral characteristics of the channel.
  • With channel coding, redundancy is also added specifically, in this case to be able to use it at the receiver for error detection and/or error correction.
  • The aim of source coding is to reduce redundancy as much as possible in order to be able to store or transmit the information of the source as efficiently as possible.


(2)  Correct answer is 3:

  • In line and channel coding, lossy techniques would be counterproductive.
  • In contrast, source coding for analog input signals (audio, video, etc.) is lossy per se.


(3)  The following are line coding methods:

  • the 4B3T codes (there are several variants of this, all of which work in blocks),
  • the AMI code (symbol-wise   ⇒   at each coding step, a binary character is read in and a ternary character is output).


Consequently, $N_\text{LC}\hspace{0.15cm}\underline{ = 2}$.


(4)  In the book  "Channel Coding"  are dealt with:

  • the Hamming codes,
  • the Reed-Solomon codes,
  • the convolutional codes,
  • the turbo codes.


The correct result is accordingly $N_\text{ChC}\hspace{0.15cm}\underline{ = 4}$.


(5)  In lossless source coding, the receiver can completely reconstruct the message of the source if no transmission error has occurred.

Lossless source coding schemes include

  • the Huffman code,
  • the different variants of the Lempel-Ziv algorithm,
  • the run-length code,
  • the well-known compression programme "Winzip".


All these procedures can only be used with digital input   ⇒   $N_\text{SC (lossless)}\hspace{0.15cm}\underline{ = 4}$.


(6)  Statements 1 and 3 are correct:

  • Only GIF and JPG are applied to pictures.  MP3 has been the most widely used audio compression program for years.
  • The AMR codec and the EFR codec are used for GSM and UMTS in Mobile Communication.