Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 3.7Z: Error Performance"

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{{quiz-Header|Buchseite=Stochastische Signaltheorie/Gaußverteilte Zufallsgröße
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{{quiz-Header|Buchseite=Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID132__Sto_Z_3_7.png|right|frame<Auszug aus der CCITT-Empfehlung G.821: Error Performance]]
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[[File:P_ID132__Sto_Z_3_7.png|right|frame<excerpt from CCITT Recommendation G.821: Error Performance]]
Jeder Betreiber von ISDN-Systemen muss gewisse Mindestanforderungen hinsichtlich der Bitfehlerquote (BER) einhalten, die zum Beispiel in der&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/G.821 CCITT-Empfehlung G.821]&nbsp; unter dem Namen "Error Performance" spezifiziert sind.
+
Every operator of ISDN systems must comply with certain minimum requirements regarding the bit error rate (BER), which are specified for example in the&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/G.821 CCITT Recommendation G.821]&nbsp; under the name "Error Performance".
  
Rechts sehen Sie einen Auszug aus dieser Empfehlung:  
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On the right you can see an excerpt from this recommendation:  
*Diese besagt unter Anderem,&nbsp; dass &ndash; &uuml;ber eine ausreichend lange Zeit gemittelt &ndash; mindestens&nbsp; $99.8\%$&nbsp; aller Einsekunden-Intervalle eine Bitfehlerquote kleiner als&nbsp; $10^{-3}$&nbsp; (ein Promille) aufweisen m&uuml;ssen.
+
*This states, among other things,&nbsp; that &ndash; averaged over a sufficiently long time &ndash; at least&nbsp; $99.8\%$&nbsp; of all one-second intervals must have a bit error rate less than&nbsp; $10^{-3}$&nbsp; (one per thousand).
*Bei einer Bitrate von&nbsp; $\text{64 kbit/s}$&nbsp; entspricht dies der Bedingung, dass in einer Sekunde&nbsp; $($und somit bei&nbsp; $N = 64\hspace{0.08cm}000$&nbsp; &uuml;bertragenen Symbolen$)$&nbsp; nicht mehr als&nbsp; $64$&nbsp; Bitfehler auftreten dürfen:
+
*For a bit rate of&nbsp; $\text{64 kbit/s}$&nbsp; this corresponds to the condition that in one second&nbsp; $($and thus for&nbsp; $N = 64\hspace{0.08cm}000$&nbsp; transmitted symbols$)$&nbsp; no more than&nbsp; $64$&nbsp; bit errors may occur:
 
:$$\rm Pr(\it f \le \rm 64) \ge \rm 0.998.$$
 
:$$\rm Pr(\it f \le \rm 64) \ge \rm 0.998.$$
  
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''Hinweise:''
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Hints:  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaußverteilte_Zufallsgröße|Gaußverteilte Zufallsgrößen]].
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables|Gaussian distributed random variables]].
 
   
 
   
*Gehen Sie f&uuml;r die ersten drei Teilaufgaben stets von der Bitfehlerwahrscheinlichkeit&nbsp; $p = 10^{-3}$&nbsp; aus.  
+
*Always assume bit error probability&nbsp; $p = 10^{-3}$&nbsp; for the first three subtasks.  
*In der gesamten Aufgabe gelte zudem  $N = 64\hspace{0.08cm}000$.
+
*In addition, throughout the task, let $N = 64\hspace{0.08cm}000$ hold.
* Unter gewissen Bedingungen &ndash; die hier alle erf&uuml;llt sind &ndash; kann die Binomialverteilung durch eine Gau&szlig;verteilung mit gleichem Mittelwert und gleicher Streuung approximiert werden kann.  
+
* Under certain conditions &ndash; which are all fulfilled here &ndash; the binomial distribution can be approximated by a Gaussian distribution with equal mean and equal rms.  
*Verwenden Sie diese N&auml;herung bei der Teilaufgabe&nbsp; '''(4)'''.
+
*Use this approximation for the subtask ''(4)''.
  
  
  
  
===Fragebogen===
+
 
 +
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der folgenden Aussagen treffen hinsichtlich der Zufallsgr&ouml;&szlig;e $f$&nbsp; zu?
+
{Which of the following statements are true regarding the random variable $f$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;e $f$&nbsp; ist binomialverteilt.
+
+ The random variable $f$&nbsp; is binomially distributed.
+ $f$&nbsp; kann durch eine Poissonverteilung angen&auml;hert werden.
+
+ $f$&nbsp; can be approximated by a Poisson distribution.
  
  
{Welcher Mittelwert ergibt sich f&uuml;r die Zufallsgr&ouml;&szlig;e $f$?
+
{What is the mean value of the random variable $f$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m_f \ = \ $ { 64 3% }
 
$m_f \ = \ $ { 64 3% }
  
  
{Wie groß ist die Streuung?&nbsp; Verwenden Sie geeignete N&auml;herungen.
+
{How large is the rms?&nbsp; Use appropriate approximations.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_f \ = \ $ { 8 3% }
+
$\sigma_f \ = \ $ { 8 3% }
  
  
{Berechnen Sie Wahrscheinlichkeit, dass nicht mehr als&nbsp; $64$&nbsp; Bitfehler auftreten.&nbsp; Verwenden Sie hierzu die Gau&szlig;n&auml;herung.
+
{Calculate the probability that no more than&nbsp; $64$&nbsp; bit errors occur.&nbsp; Use Gaussian approximation.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(f ≤ 64) \ = \ $ { 50 3% } $ \ \rm \%$
+
${\rm Pr}(f ≤ 64) \ = \ $ { 50 3% } $ \ \rm \%$
  
  
{Wie gro&szlig; darf die Bitfehlerwahrscheinlichkeit&nbsp; $p_\text{B, max}$&nbsp; höchstens sein, damit die Bedingung "64 (oder mehr) Bitfehler nur in höchstens 0.2% der Einsekunden-Intervalle " eingehalten werden kann?&nbsp; Es gilt&nbsp; ${\rm Q}(2.9) \approx 0.002$.
+
{What is the maximum bit error probability&nbsp; $p_\text{B, max}$&nbsp; that the condition "64 (or more) bit errors only in at most 0.2% of the one-second intervals " can be met?&nbsp; It holds&nbsp; ${\rm Q}(2.9) \approx 0.002$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$p_\text{B, max}\ = \ $ { 0.069 3% } $ \ \rm \%$
+
$p_\text{B, max}\ = \ $ { 0.069 3% } $ \ \rm \%$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; <u>Beide Aussagen</u> sind richtig:  
+
'''(1)'''&nbsp; <u>Both statements</u> are correct:  
*Bei der hier definierten Zufallsgröße  $f$&nbsp; handelt es sich um den klassischen Fall einer binomialverteilten Zufallsgr&ouml;&szlig;e:&nbsp; Summe &uuml;ber&nbsp; $N$&nbsp; Bin&auml;rwerte&nbsp; $(0$ oder $1)$.  
+
*The random vairable $f$&nbsp; defined here is the classical case of a binomially distributed random variable:&nbsp; Sum over&nbsp; $N$&nbsp; binary values&nbsp; $(0$ or $1)$.  
*Da das Produkt &nbsp;$N \cdot p = 64$&nbsp; und dadurch sehr viel gr&ouml;&szlig;er als&nbsp; $1$&nbsp; ist,  
+
*Because the product &nbsp;$N \cdot p = 64$&nbsp; and thus is much larger than&nbsp; $1$&nbsp;,  
*kann die Binomialverteilung mit guter N&auml;herung durch eine Poissonverteilung mit der Rate&nbsp; ${\it \lambda} = 64$&nbsp; angen&auml;hert werden.
+
*the binomial distribution can be approximated with good approximation by a Poisson distribution with rate&nbsp; ${\it \lambda} = 64$&nbsp; .
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Der Mittelwert ergibt sich zu &nbsp;$m_f = N \cdot p \hspace{0.15cm}\underline{= 64}$&nbsp; unabh&auml;ngig davon, ob man von der Binomial&ndash; oder der Poissonverteilung ausgeht.
+
'''(2)'''&nbsp; The mean is obtained as &nbsp;$m_f = N \cdot p \hspace{0.15cm}\underline{= 64}$&nbsp; regardless of whether one assumes the binomial&ndash; or the Poisson distribution.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; F&uuml;r die Streuung erh&auml;lt man &nbsp;  
+
'''(3)'''&nbsp; For the rms one obtains &nbsp;  
 
:$$\it \sigma_f=\rm\sqrt{\rm 64000\cdot 10^{-3}\cdot 0.999}\hspace{0.15cm}\underline{\approx\sqrt{64}=8}.$$
 
:$$\it \sigma_f=\rm\sqrt{\rm 64000\cdot 10^{-3}\cdot 0.999}\hspace{0.15cm}\underline{\approx\sqrt{64}=8}.$$
* Der Fehler durch Anwendung der Poissonlverteilung anstelle der Binomialverteilung ist hier kleiner als&nbsp; $0.05\%$.
+
* The error by applying Poissonl distribution instead of binomial distribution here is smaller than&nbsp; $0.05\%$.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Bei einer Gau&szlig;schen Zufallsgr&ouml;&szlig;e $f$&nbsp; mit Mittelwert &nbsp;$m_f {= 64}$&nbsp; ist die Wahrscheinlichkeit&nbsp; ${\rm Pr}(f \le 64) \hspace{0.15cm}\underline{\approx 50\%}$. &nbsp; Anmerkung:  
+
'''(4)'''&nbsp; For a Gaussian random variable $f$&nbsp; with mean &nbsp;$m_f {= 64}$&nbsp; the probability&nbsp; ${\rm Pr}(f \le 64) \hspace{0.15cm}\underline{\approx 50\%}$. &nbsp; Note:  
*Bei einer kontinuierlichen Zufallsgr&ouml;&szlig;e w&auml;re die Wahrscheinlichkeit exakt $50\%$.  
+
*For a continuous random size, the probability would be exactly $50\%$.  
*Da $f$&nbsp; nur ganzzahlige Werte annehmen kann, ist sie hier geringf&uuml;gig gr&ouml;&szlig;er.
+
*Since $f$&nbsp; can only take integer values, it is slightly larger here.
  
  
  
'''(5)'''&nbsp; Mit &nbsp;$\lambda = N \cdot p$&nbsp; lautet die entsprechende Bedingung:
+
'''(5)'''&nbsp; With &nbsp;$\lambda = N \cdot p$&nbsp; the corresponding condition is:
:$$\rm Q\big (\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}} \big )\le \rm 0.002\hspace{0.5cm}\rm bzw.\hspace{0.5cm}\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}}>\rm 2.9.$$
+
:$$\rm Q\big (\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}} \big )\le \rm 0.002\hspace{0.5cm}\rm or.\hspace{0.5cm}\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}}>\rm 2.9.$$
  
*Der Maximalwert von&nbsp; $\lambda$&nbsp; kann nach folgender Gleichung ermittelt werden:
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*The maximum value of&nbsp; $\lambda$&nbsp; can be determined according to the following equation:
 
:$$ \lambda+\rm 2.9\cdot\sqrt{\it\lambda}-\rm 64 = \rm 0.$$
 
:$$ \lambda+\rm 2.9\cdot\sqrt{\it\lambda}-\rm 64 = \rm 0.$$
  
*Die L&ouml;sung dieser quadratischen Gleichung ist somit:
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*The solution of this quadratic equation is thus:
 
:$$\sqrt{\it \lambda}=\frac{\rm -2.9\pm\rm\sqrt{\rm 8.41+256}}{\rm 2}=\rm 6.68  
 
:$$\sqrt{\it \lambda}=\frac{\rm -2.9\pm\rm\sqrt{\rm 8.41+256}}{\rm 2}=\rm 6.68  
\hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}
+
\hspace{0.5cm}\rightarrow \hspace{0.5cm}
 
\lambda = 44.6 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}
 
\lambda = 44.6 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}
 
{\it p}_\text{B, max}= \frac{44.6}{64000} \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.069\%}.$$
 
{\it p}_\text{B, max}= \frac{44.6}{64000} \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.069\%}.$$
  
*Die zweite Lösung ist negativ und muss nicht weiter berücksichtigt werden.
+
*The second solution is negative and need not be considered further.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 23:44, 3 January 2022

frame<excerpt from CCITT Recommendation G.821: Error Performance

Every operator of ISDN systems must comply with certain minimum requirements regarding the bit error rate (BER), which are specified for example in the  CCITT Recommendation G.821  under the name "Error Performance".

On the right you can see an excerpt from this recommendation:

  • This states, among other things,  that – averaged over a sufficiently long time – at least  $99.8\%$  of all one-second intervals must have a bit error rate less than  $10^{-3}$  (one per thousand).
  • For a bit rate of  $\text{64 kbit/s}$  this corresponds to the condition that in one second  $($and thus for  $N = 64\hspace{0.08cm}000$  transmitted symbols$)$  no more than  $64$  bit errors may occur:
$$\rm Pr(\it f \le \rm 64) \ge \rm 0.998.$$




Hints:

  • Always assume bit error probability  $p = 10^{-3}$  for the first three subtasks.
  • In addition, throughout the task, let $N = 64\hspace{0.08cm}000$ hold.
  • Under certain conditions – which are all fulfilled here – the binomial distribution can be approximated by a Gaussian distribution with equal mean and equal rms.
  • Use this approximation for the subtask (4).



Questions

1

Which of the following statements are true regarding the random variable $f$ ?

The random variable $f$  is binomially distributed.
$f$  can be approximated by a Poisson distribution.

2

What is the mean value of the random variable $f$?

$m_f \ = \ $

3

How large is the rms?  Use appropriate approximations.

$\sigma_f \ = \ $

4

Calculate the probability that no more than  $64$  bit errors occur.  Use Gaussian approximation.

${\rm Pr}(f ≤ 64) \ = \ $

$ \ \rm \%$

5

What is the maximum bit error probability  $p_\text{B, max}$  that the condition "64 (or more) bit errors only in at most 0.2% of the one-second intervals " can be met?  It holds  ${\rm Q}(2.9) \approx 0.002$.

$p_\text{B, max}\ = \ $

$ \ \rm \%$


Solution

(1)  Both statements are correct:

  • The random vairable $f$  defined here is the classical case of a binomially distributed random variable:  Sum over  $N$  binary values  $(0$ or $1)$.
  • Because the product  $N \cdot p = 64$  and thus is much larger than  $1$ ,
  • the binomial distribution can be approximated with good approximation by a Poisson distribution with rate  ${\it \lambda} = 64$  .


(2)  The mean is obtained as  $m_f = N \cdot p \hspace{0.15cm}\underline{= 64}$  regardless of whether one assumes the binomial– or the Poisson distribution.


(3)  For the rms one obtains  

$$\it \sigma_f=\rm\sqrt{\rm 64000\cdot 10^{-3}\cdot 0.999}\hspace{0.15cm}\underline{\approx\sqrt{64}=8}.$$
  • The error by applying Poissonl distribution instead of binomial distribution here is smaller than  $0.05\%$.


(4)  For a Gaussian random variable $f$  with mean  $m_f {= 64}$  the probability  ${\rm Pr}(f \le 64) \hspace{0.15cm}\underline{\approx 50\%}$.   Note:

  • For a continuous random size, the probability would be exactly $50\%$.
  • Since $f$  can only take integer values, it is slightly larger here.


(5)  With  $\lambda = N \cdot p$  the corresponding condition is:

$$\rm Q\big (\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}} \big )\le \rm 0.002\hspace{0.5cm}\rm or.\hspace{0.5cm}\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}}>\rm 2.9.$$
  • The maximum value of  $\lambda$  can be determined according to the following equation:
$$ \lambda+\rm 2.9\cdot\sqrt{\it\lambda}-\rm 64 = \rm 0.$$
  • The solution of this quadratic equation is thus:
$$\sqrt{\it \lambda}=\frac{\rm -2.9\pm\rm\sqrt{\rm 8.41+256}}{\rm 2}=\rm 6.68 \hspace{0.5cm}\rightarrow \hspace{0.5cm} \lambda = 44.6 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm} {\it p}_\text{B, max}= \frac{44.6}{64000} \hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.069\%}.$$
  • The second solution is negative and need not be considered further.