Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.6: PN Generator of Length 5"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Erzeugung von diskreten Zufallsgrößen
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Generation_of_Discrete_Random_Variables
 
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[[File:P_ID105__Sto_A_2_6.png|right|]]
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[[File:EN_Sto_A_2_6.png|right|frame|PN generator of length  $L = 5$]]
:In der Grafik sehen Sie einen Pseudozufallsgenerator der L&auml;nge <i>L</i> = 5, der zur Erzeugung einer Bin&auml;rfolge &#9001;<i>z<sub>&nu;</sub></i>&#9002; eingesetzt werden soll.
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In the graphic you can see a pseudo-random generator of length&nbsp; $L = 5$,&nbsp; which can be used to generate a binary random sequence&nbsp; $\langle z_{\nu} \rangle$.
  
:Zum Startzeitpunkt seien alle Speicherzellen mit Einsen vorbelegt. Zu jedem Taktzeitpunkt wird der Inhalt des Schieberegisters um eine Stelle nach rechts verschoben und der aktuell erzeugte Bin&auml;rwert <i>z<sub>&nu;</sub></i> (0 oder 1) in die erste Speicherzelle eingetragen. Hierbei ergibt sich <i>z<sub>&nu;</sub></i> aus der Modulo-2-Addition zwischen <i>z</i><sub><i>&nu;</i>&ndash;3</sub> und <i>z</i><sub><i>&nu;</i>&ndash;5</sub>.
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*At the start time,&nbsp; let all memory cells be preallocated with&nbsp; "ones".  
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*At each clock time,&nbsp; the content of the shift register is shifted one place to the right.
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* And the currently generated binary value&nbsp; $z_{\nu}$&nbsp; $(0$&nbsp; or&nbsp; $1)$&nbsp; is entered into the first memory cell.  
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*Hereby&nbsp; $z_{\nu}$&nbsp; results from the modulo-2 addition between&nbsp; $z_{\nu-3}$&nbsp; and&nbsp; $z_{\nu-5}$.
  
:<b>Hinweis</b>: Die Aufgabe bezieht sich auf Lehrstoff von Kapitel 2.5. Wir möchten Sie gerne auch auf das folgende Lernvideo hinweisen: <br />
 
  
  
===Fragebogen===
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Hints:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Generation_of_Discrete_Random_Variables|Generation of Discrete Random Variables]].
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*The topic of this chapter is illustrated with examples in the&nbsp; (German language)&nbsp;  learning video: <br> &nbsp; &nbsp; [[Erläuterung_der_PN–Generatoren_an_einem_Beispiel_(Lernvideo)|"Erläuterung der PN-Generatoren an einem Beispiel"]] &nbsp; $\Rightarrow$ &nbsp; "Explanation of PN generators using an example".
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===Question===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie lautet das Generatorpolynom <i>G</i>(<i>D</i>) des dargestellten PN-Generators?
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{What is the generator polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; of the PN generator shown?
|type="[]"}
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|type="()"}
- <i>D</i><sup>5</sup> + <i>D</i><sup>2</sup> + 1.
+
- $G(D) = D^5 + D^2 +1$.  
+ <i>D</i><sup>5</sup> + <i>D</i><sup>3</sup> + 1.
+
+ $G(D) = D^5 + D^3 +1$.  
- <i>D</i><sup>4</sup> + <i>D</i><sup>2</sup> + <i>D</i><sup>1</sup>.  
+
- $G(D) = D^4 + D^2 +D$.  
  
  
{Welche Oktalkennung <i>O</i><sub>G</sub> hat dieser PN-Generator?
+
{What octal identifier&nbsp; $O_{\rm G}$&nbsp; does this PN generator have?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$O_G$ = { 51 3% } (oktal)
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$O_{\rm G} \ = \ $ { 51 } $\ \rm (octal)$
  
  
{Gehen Sie davon aus, dass das Generatorpolynom <i>G</i>(<i>D</i>) primitiv ist. Ist die Ausgangsfolge &#9001;<i>z<sub>&nu;</sub></i>&#9002; eine M-Sequenz? Wie gro&szlig; ist deren Periodendauer <i>P</i>?
+
{Assume that the generator polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; is primitive. <br>Is the initial sequence&nbsp; $〈z_ν \rangle$&nbsp; an M-sequence?&nbsp; How large is the period&nbsp; $P$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$P$ = { 31 3% }
+
$P\ = \ $ { 31 }
  
  
{Welche Oktalkennung <i>O</i><sub>R</sub> beschreibt das reziproke Polynom <i>G</i><sub>R</sub>(<i>D</i>)?
+
{What octal identifier&nbsp; $O_{\rm R}$&nbsp; describes the polynomial&nbsp; $G_{\rm R}(D)$&nbsp; reciprocal to&nbsp; $G(D)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$O_R$ = { 45 3% } (oktal)
+
$O_{\rm R} \ = \ $ { 45 } $\ \rm (octal)$
  
  
{Welche Aussagen gelten für die Konfiguration mit dem Polynom <i>G</i><sub>R</sub>(<i>D</i>)?
+
{What statements hold for the configuration with the polynomial&nbsp; $G_{\rm R}(D)$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es handelt sich ebenfalls um eine Folge maximaler L&auml;nge.
+
+ It is also a sequence of maximum length.
- Die Ausgangsfolge von  <i>G</i><sub>R</sub>(<i>D</i>) ist die gleiche wie mit <i>G</i>(<i>D</i>).
+
- The output sequence of&nbsp; $G_{\rm R}(D)$&nbsp; is the same as that of the generator polynomial&nbsp; $G(D)$.
+ <i>G</i><sub>R</sub>(<i>D</i>)&ndash; und <i>G</i>(<i>D</i>)&ndash;Ausgangsfolgen
+
+ The output sequences of&nbsp; $G_{\rm R}(D)$&nbsp; and&nbsp; $G(D)$&nbsp; are inverses of each other.
sind zueinander invers.
+
+ Both sequences show the same statistical properties.
+ Beide Folgen zeigen gleiche statistische Eigenschaften.
+
- In&nbsp; $G_{\rm R}(D)$&nbsp; all memory elements can be preallocated with zeros.
- Bei <i>G</i><sub>R</sub>(<i>D</i>) k&ouml;nnen alle Speicher mit Nullen vorbelegt sein.
 
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Richtig ist <i>D</i><sup>5</sup> + <i>D</i><sup>3</sup> + 1 &nbsp;&#8658; <u>Lösungsvorschlag 2</u>. Das Generatorpolynom <i>G</i>(<i>D</i>) kennzeichnet die R&uuml;ckf&uuml;hrungen, die zur Modulo-2-Addition herangezogen werden. <i>D</i> ist ein formaler Parameter, der eine Verz&ouml;gerung um einen Takt angibt. <i>D</i><sup>3</sup> kennzeichnet dann eine Verz&ouml;gerung um drei Takte.
+
'''(1)'''&nbsp; Correct is the&nbsp; <u>proposed solution 2</u> &nbsp; &#8658; &nbsp; $G(D) = D^5 + D^3 +1$. 
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*The generator polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; denotes the feedback coefficients used for modulo-2 addition.  
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*$D$&nbsp; is a formal parameter indicating a delay by one clock.  
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*$D^3$&nbsp; then indicates a delay of three measures.
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:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Es ist <i>g</i><sub>0</sub> = <i>g</i><sub>3</sub> = <i>g</i><sub>5</sub> = 1; alle anderen R&uuml;ckf&uuml;hrungskoeffizienten sind 0. Daraus folgt:
+
'''(2)'''&nbsp; It is&nbsp; $g_0 = g_3 = g_5 = 1$.&nbsp;  
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*All other feedback coefficients are&nbsp; $0$.&nbsp; It follows that:
 
:$$(g_{\rm 5}\hspace{0.1cm}g_{\rm 4}\hspace{0.1cm}g_{\rm 3}\hspace{0.1cm}g_{\rm 2}\hspace{0.1cm}g_{\rm 1}\hspace{0.1cm}g_{\rm 0})=\rm (101001)_{bin}\hspace{0.15cm} \underline{=(51)_{oct}}.$$
 
:$$(g_{\rm 5}\hspace{0.1cm}g_{\rm 4}\hspace{0.1cm}g_{\rm 3}\hspace{0.1cm}g_{\rm 2}\hspace{0.1cm}g_{\rm 1}\hspace{0.1cm}g_{\rm 0})=\rm (101001)_{bin}\hspace{0.15cm} \underline{=(51)_{oct}}.$$
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Da das Generatorpolynom <i>G</i>(<i>D</i>) primitiv ist, erh&auml;lt man eine M-Sequenz. Dementsprechend ist die Periodendauer maximal: <i>P</i> = 2<sup><i>L</i></sup> - 1 <u>= 31</u>. Im Theorieteil ist in der Tabelle mit den PN-Generatoren maximaler L&auml;nge (M-Sequenzen) für den Grad 5 die Konfiguration (51)<sub>oct</sub> aufgef&uuml;hrt.
 
  
:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Das reziproke Polynom lautet:
 
:$$\it G_R(\it D)=\it D^{\rm 5}\cdot(\it D^{\rm -5}+\it D^{\rm -3}+\rm 1)=\it D^{\rm 5}+\it D^{\rm 2}+\rm 1.$$
 
  
:Somit ist die Oktalkennung f&uuml;r diese Konfiguration (100101)<sub>bin</sub> <u>= (45)<sub>oct</sub></u>.
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'''(3)'''&nbsp; Since the generator polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; is primitive,&nbsp; one obtains an&nbsp; "M-sequence".
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*Accordingly,&nbsp; the period is maximal:
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:$$P_{\rm max} = 2^{L}-1 \hspace{0.15cm}\underline {= 31}.$$
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*In the theory part,&nbsp; the table with PN generators of maximum length&nbsp; ("M-sequences")&nbsp; for degree&nbsp; $L=5$&nbsp; lists the configuration&nbsp; $(51)_{\rm oct}$.
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'''(4)'''&nbsp; The reciprocal polynomial is:
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:$$G_{\rm R}(D)=D^{\rm 5}\cdot(D^{\rm -5}+\D^{\rm -3}+ 1)= D^{\rm 5}+D^{\rm 2}+1.$$
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*Thus,&nbsp; the octal identifier für this configuration: &nbsp; $\rm (100101)_{bin}\hspace{0.15cm} \underline{=(45)_{oct}}.$
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'''(5)'''&nbsp; The&nbsp; <u>solutions 1,&nbsp; 3,&nbsp; and&nbsp; 4</u>&nbsp;  are correct:
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*The output sequence of the reciprocal realization&nbsp; $G_{\rm R}(D)$&nbsp; of a primitive polynomial&nbsp; $G(D)$&nbsp; is also an&nbsp; "M-sequence".
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*Both sequences are inverses of each other.&nbsp; This means:
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*The output sequence of&nbsp; $(45)_{\rm oct}$&nbsp; is equal to the output sequence of&nbsp; $(51)_{\rm oct}$&nbsp; when read from right to left,&nbsp; additionally taking into account a phase&nbsp; ("cyclic shift").
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*The prerequisite is again that not all memory cells are preallocated with zeros.
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*Under this condition,&nbsp; both sequences actually have the same statistical properties.
  
:<b>5.</b>&nbsp;&nbsp;Die Ausgangsfolge der reziproken Realisierung <i>G</i><sub>R</sub>(<i>D</i>) eines primitiven Polynoms <i>G</i>(<i>D</i>) ist immer ebenfalls eine M-Sequenz. Beide Folgen sind zueinander invers.
 
  
:Das bedeutet: Die Ausgangsfolge von (45)<sub>oct</sub> ist gleich der Folge von (51)<sub>oct</sub>, wenn man diese von rechts nach links liest und eine Phase (zyklische Verschiebung) ber&uuml;cksichtigt. Voraussetzung ist wieder, dass nicht alle Speicherzellen mit Nullen vorbelegt sind. Unter dieser Bedingung weisen beide Folgen tatsächlich auch gleiche statistische Eigenschaften auf.
 
  
:Richtig sind somit die <u>Lösungsvorschläge 1, 3 und 4</u>.
 
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie|^2.5 Erzeugung von diskreten Zufallsgrößen^]]
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[[Category:Theory of Stochastic Signals: Exercises|^2.5 Generation of Discrete Random Variables^]]

Latest revision as of 17:04, 28 December 2021

PN generator of length  $L = 5$

In the graphic you can see a pseudo-random generator of length  $L = 5$,  which can be used to generate a binary random sequence  $\langle z_{\nu} \rangle$.

  • At the start time,  let all memory cells be preallocated with  "ones".
  • At each clock time,  the content of the shift register is shifted one place to the right.
  • And the currently generated binary value  $z_{\nu}$  $(0$  or  $1)$  is entered into the first memory cell.
  • Hereby  $z_{\nu}$  results from the modulo-2 addition between  $z_{\nu-3}$  and  $z_{\nu-5}$.




Hints:


Question

1

What is the generator polynomial  $G(D)$  of the PN generator shown?

$G(D) = D^5 + D^2 +1$.
$G(D) = D^5 + D^3 +1$.
$G(D) = D^4 + D^2 +D$.

2

What octal identifier  $O_{\rm G}$  does this PN generator have?

$O_{\rm G} \ = \ $

$\ \rm (octal)$

3

Assume that the generator polynomial  $G(D)$  is primitive.
Is the initial sequence  $〈z_ν \rangle$  an M-sequence?  How large is the period  $P$?

$P\ = \ $

4

What octal identifier  $O_{\rm R}$  describes the polynomial  $G_{\rm R}(D)$  reciprocal to  $G(D)$?

$O_{\rm R} \ = \ $

$\ \rm (octal)$

5

What statements hold for the configuration with the polynomial  $G_{\rm R}(D)$?

It is also a sequence of maximum length.
The output sequence of  $G_{\rm R}(D)$  is the same as that of the generator polynomial  $G(D)$.
The output sequences of  $G_{\rm R}(D)$  and  $G(D)$  are inverses of each other.
Both sequences show the same statistical properties.
In  $G_{\rm R}(D)$  all memory elements can be preallocated with zeros.


Solution

(1)  Correct is the  proposed solution 2   ⇒   $G(D) = D^5 + D^3 +1$.

  • The generator polynomial  $G(D)$  denotes the feedback coefficients used for modulo-2 addition.
  • $D$  is a formal parameter indicating a delay by one clock.
  • $D^3$  then indicates a delay of three measures.


(2)  It is  $g_0 = g_3 = g_5 = 1$. 

  • All other feedback coefficients are  $0$.  It follows that:
$$(g_{\rm 5}\hspace{0.1cm}g_{\rm 4}\hspace{0.1cm}g_{\rm 3}\hspace{0.1cm}g_{\rm 2}\hspace{0.1cm}g_{\rm 1}\hspace{0.1cm}g_{\rm 0})=\rm (101001)_{bin}\hspace{0.15cm} \underline{=(51)_{oct}}.$$


(3)  Since the generator polynomial  $G(D)$  is primitive,  one obtains an  "M-sequence".

  • Accordingly,  the period is maximal:
$$P_{\rm max} = 2^{L}-1 \hspace{0.15cm}\underline {= 31}.$$
  • In the theory part,  the table with PN generators of maximum length  ("M-sequences")  for degree  $L=5$  lists the configuration  $(51)_{\rm oct}$.


(4)  The reciprocal polynomial is:

$$G_{\rm R}(D)=D^{\rm 5}\cdot(D^{\rm -5}+\D^{\rm -3}+ 1)= D^{\rm 5}+D^{\rm 2}+1.$$
  • Thus,  the octal identifier für this configuration:   $\rm (100101)_{bin}\hspace{0.15cm} \underline{=(45)_{oct}}.$


(5)  The  solutions 1,  3,  and  4  are correct:

  • The output sequence of the reciprocal realization  $G_{\rm R}(D)$  of a primitive polynomial  $G(D)$  is also an  "M-sequence".
  • Both sequences are inverses of each other.  This means:
  • The output sequence of  $(45)_{\rm oct}$  is equal to the output sequence of  $(51)_{\rm oct}$  when read from right to left,  additionally taking into account a phase  ("cyclic shift").
  • The prerequisite is again that not all memory cells are preallocated with zeros.
  • Under this condition,  both sequences actually have the same statistical properties.