Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.1: Log Likelihood Ratio"

From LNTwww
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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Soft–in Soft–out Decoder}}
+
{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Soft-in_Soft-Out_Decoder}}
  
[[File:P_ID2979__KC_A_4_1_v2.png|right|frame|Betrachtete Kanalmodelle]]
+
[[File:P_ID2979__KC_A_4_1_v2.png|right|frame|Considered channel models]]
Zur Interpretation von&nbsp; <i>Log&ndash;Likelihood&ndash;Verhältnissen</i>&nbsp; (kurz&nbsp; $L$&ndash;Werten) gehen wir wie im&nbsp; [[Channel_Coding/Soft%E2%80%93in_Soft%E2%80%93out_Decoder#Zuverl.C3.A4ssigkeitsinformation_.E2.80.93_Log_Likelihood_Ratio|Theorieteil]]&nbsp; vom&nbsp; <i>Binary Symmetric Channel</i>&nbsp; (BSC) aus. Die englische Bezeichung ist&nbsp; <i>Log Likelihood Ratio</i>&nbsp; (LLR).
+
To interpret&nbsp; <i>log likelihood ratios</i>&nbsp; (LLRs / L values) we start from the&nbsp; <i>binary symmetric channel</i>&nbsp; as in&nbsp; [[Channel_Coding/Soft-in_Soft-Out_Decoder#Reliability_information_-_Log_Likelihood_Ratio|"theory section"]]&nbsp;.
  
Für die binären Zufallsgrößen am Eingang und Ausgang gelte
+
For the binary random variables at the input and output the following is valid
 
:$$x \in \{0\hspace{0.05cm}, 1\} \hspace{0.05cm},\hspace{0.25cm}y \in \{0\hspace{0.05cm}, 1\}
 
:$$x \in \{0\hspace{0.05cm}, 1\} \hspace{0.05cm},\hspace{0.25cm}y \in \{0\hspace{0.05cm}, 1\}
 
\hspace{0.05cm}. $$
 
\hspace{0.05cm}. $$
  
Dieses Modell ist in der oberen Grafik dargestellt. Für die bedingten Wahrscheinlichkeiten in Vorwärtsrichtung gilt:
+
This model is shown in the upper graph. The following applies to the conditional probabilities in the forward direction:
 
:$${\rm Pr}(y = 1\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 0) \hspace{-0.2cm} \ = \ \hspace{-0.2cm} {\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 1) = \varepsilon \hspace{0.05cm},$$
 
:$${\rm Pr}(y = 1\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 0) \hspace{-0.2cm} \ = \ \hspace{-0.2cm} {\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 1) = \varepsilon \hspace{0.05cm},$$
 
:$${\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 0) \hspace{-0.2cm} \ = \ \hspace{-0.2cm} {\rm Pr}(y = 1\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 1) = 1-\varepsilon \hspace{0.05cm}.$$
 
:$${\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 0) \hspace{-0.2cm} \ = \ \hspace{-0.2cm} {\rm Pr}(y = 1\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 1) = 1-\varepsilon \hspace{0.05cm}.$$
  
Die Verfälschungswahrscheinlichkeit&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; ist der entscheidende Parameter des BSC&ndash;Modells.
+
The corruption probability&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; is the crucial parameter of the BSC model.
  
Bezüglich der Wahrscheinlichkeitsverteilung am Eingang ist es zweckmäßig, anstelle der Wahrscheinlichkeiten&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0)$&nbsp; und&nbsp; ${\rm Pr}(x = 1)$&nbsp; das&nbsp; <i>Log Likelihood Ratio</i>&nbsp; (LLR) zu betrachten.
+
Regarding the probability distribution at the input, instead of considering the probabilities&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0)$&nbsp; and&nbsp; ${\rm Pr}(x = 1)$&nbsp; it is convenient to consider the&nbsp; <i>log likelihood ratio</i>&nbsp; (LLR).
  
Für dieses gilt bei der hier verwendeten unipolaren Betrachtungsweise per Definition:
+
For the unipolar approach used here, the following applies by definition:
 
:$$L_{\rm A}(x)={\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x = 0)}{{\rm Pr}(x = 1)}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$L_{\rm A}(x)={\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x = 0)}{{\rm Pr}(x = 1)}\hspace{0.05cm},$$
  
wobei der Index &nbsp;$\rm A$&nbsp; auf die Apriori&ndash;Wahrscheinlichkeit hinweist.  
+
where the subscript &nbsp;$\rm A$&nbsp; indicates the apriori probability.
  
Beispielsweise ergibt sich für&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0) = 0.2 \ \Rightarrow \ {\rm Pr}(x = 1) = 0.8$&nbsp; das Apriori&ndash;LLR&nbsp; $L_{\rm A}(x) = \, -1.382$.  
+
For example, for&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0) = 0.2 \ \Rightarrow \ {\rm Pr}(x = 1) = 0.8$&nbsp; the apriori LLR&nbsp; $L_{\rm A}(x) = \, -1.382$.
  
Aus dem BSC&ndash;Modell lässt sich zudem der&nbsp; $L$&ndash;Wert der bedingten Wahrscheinlichkeiten&nbsp; ${\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x)$&nbsp; in Vorwärtsrichtung ermitteln, der in der vorliegenden Aufgabe auch mit&nbsp; $L_{\rm V}(y)$&nbsp; bezeichnet wird:
+
From the BSC&ndash;model, it is also possible to determine the&nbsp; $L$ value (LLR) of the conditional probabilities&nbsp; ${\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x)$&nbsp; in the forward direction, which is also denoted by&nbsp; $L_{\rm V}(y)$&nbsp; in the present exercise:
 
:$$L_{\rm V}(y) = L(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x) =
 
:$$L_{\rm V}(y) = L(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x) =
 
{\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 0)}{{\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 1)} =   
 
{\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 0)}{{\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 1)} =   
Line 31: Line 31:
 
\\  {\rm f\ddot{u}r} \hspace{0.15cm} y = 1. \\ \end{array}$$
 
\\  {\rm f\ddot{u}r} \hspace{0.15cm} y = 1. \\ \end{array}$$
  
Beispielsweise ergibt sich für&nbsp; $\varepsilon = 0.1$:
+
For example, for&nbsp; $\varepsilon = 0.1$:
 
:$$L_{\rm V}(y = 0) = +2.197\hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm}L_{\rm V}(y = 1) = -2.197\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$L_{\rm V}(y = 0) = +2.197\hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm}L_{\rm V}(y = 1) = -2.197\hspace{0.05cm}.$$
  
Von besonderer Bedeutung für die Codierungstheorie sind die Rückschlusswahrscheinlichkeiten&nbsp; ${\rm Pr}(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)$, die mit den Vorwärtswahrscheinlichkeiten&nbsp; ${\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x)$&nbsp; sowie den Eingangswahrscheinlichkeiten&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0)$&nbsp; und&nbsp; ${\rm Pr}(x = 1)$&nbsp; über den Satz von Bayes in Zusammenhang stehen.  
+
Of particular importance to coding theory are the inference probabilities&nbsp; ${\rm Pr}(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)$, which are related to the forward probabilities&nbsp; ${\rm Pr}(y\hspace{0. 05cm}|\hspace{0.05cm}x)$&nbsp; and the input probabilities&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0)$&nbsp; and&nbsp; ${\rm Pr}(x = 1)$&nbsp; via Bayes' theorem.  
  
Der entsprechende&nbsp; $L$&ndash;Wert wird in dieser Aufgabe&nbsp; mit $L_{\rm R}(y)$&nbsp; bezeichnet:
+
The corresponding&nbsp; $L$ value (LLR) in this exercise&nbsp; is denoted by $L_{\rm R}(y)$&nbsp;:
 
:$$L_{\rm R}(y) = L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y) =
 
:$$L_{\rm R}(y) = L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y) =
 
{\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x = 0)\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)}{{\rm Pr}(x = 1)\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)} \hspace{0.05cm} .$$
 
{\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x = 0)\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)}{{\rm Pr}(x = 1)\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)} \hspace{0.05cm} .$$
Line 48: Line 48:
  
  
''Hinweise:''
+
Hints:
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Channel_Coding/Soft%E2%80%93in_Soft%E2%80%93out_Decoder| Soft&ndash;in Soft&ndash;out Decoder]].
+
* The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Soft-in_Soft-Out_Decoder| "Soft&ndash;in Soft&ndash;out Decoder"]].
* Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp; [[Channel_Coding/Soft–in_Soft–out_Decoder#Zuverl.C3.A4ssigkeitsinformation_.E2.80.93_Log_Likelihood_Ratio| Zuverlässigkeitsinformation &ndash; Log Likelihood Ratio]].
+
* Reference is made in particular to the page&nbsp; [[Channel_Coding/Soft-in_Soft-Out_Decoder#Reliability_information_-_Log_Likelihood_Ratio| "Reliability Information &ndash; Log Likelihood Ratio"]].
* In den letzten Teilaufgaben ist zu klären, ob die gefundenen Zusammenhänge zwischen&nbsp; $L_{\rm A}, \ L_{\rm V}$&nbsp; und&nbsp; $L_{\rm R}$&nbsp; auch auf den "2&ndash;auf&ndash;$M$&ndash;Kanal" übertragen werden können.  
+
*In the last subtasks we have to clarify whether the found relations between&nbsp; $L_{\rm A}, \ L_{\rm V}$&nbsp; and&nbsp; $L_{\rm R}$&nbsp; can also be transferred to the "2 on $M$ channel".  
*Hierzu wählen wir für die Eingangssymbole eine bipolare Betrachtungsweise:&nbsp; "$0$"&nbsp; &#8594; &nbsp; "$+1$"&nbsp; sowie&nbsp; "$1$" &nbsp; &#8594; &nbsp; "$&ndash;1$".
+
*For this purpose, we choose a bipolar approach for the input symbols:&nbsp; "$0$"&nbsp; &#8594; &nbsp; "$+1$"&nbsp; and&nbsp; "$1$" &nbsp; &#8594; &nbsp; "$&ndash;1$".
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wie hängen die bedingten Wahrscheinlichkeiten zweier Zufallsgrößen&nbsp; $A$&nbsp; und&nbsp; $B$&nbsp; zusammen?
+
{How are the conditional probabilities of two random variables&nbsp; $A$&nbsp; and&nbsp; $B$&nbsp; related?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
 
- ${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = {\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} A)$,
 
- ${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = {\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} A)$,
Line 65: Line 65:
 
+ ${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = {\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A) \cdot {\rm Pr}(A) / {\rm Pr}(B)$.
 
+ ${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = {\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A) \cdot {\rm Pr}(A) / {\rm Pr}(B)$.
  
{Welche Gleichung gilt für den Binärkanal mit den Wahrscheinlichkeiten&nbsp; ${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(x = 0)$&nbsp; und&nbsp; ${\rm Pr}(B) = {\rm Pr}(y = 0)$?
+
{Which equation holds for the binary channel with probabilities&nbsp; ${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(x = 0)$&nbsp; and&nbsp; ${\rm Pr}(B) = {\rm Pr}(y = 0)$?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
 
+ ${\rm Pr}(x = 0 | y = 0) = {\rm Pr}(y = 0 | x = 0) \cdot {\rm Pr}(x = 0) / {\rm Pr}(y = 0)$,
 
+ ${\rm Pr}(x = 0 | y = 0) = {\rm Pr}(y = 0 | x = 0) \cdot {\rm Pr}(x = 0) / {\rm Pr}(y = 0)$,
 
- ${\rm Pr}(x = 0 | y = 0) = {\rm Pr}(y = 0 | x = 0) \cdot {\rm Pr}(y = 0) / {\rm Pr}(x = 0)$.
 
- ${\rm Pr}(x = 0 | y = 0) = {\rm Pr}(y = 0 | x = 0) \cdot {\rm Pr}(y = 0) / {\rm Pr}(x = 0)$.
  
{Unter welchen Voraussetzungen gilt für das Rückschluss&ndash;LLR für alle möglichen Ausgangswerte&nbsp; $y &#8712; \{0, \, 1\}$: <br>&nbsp; &nbsp;  $L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y) = L(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x)$&nbsp; bzw.&nbsp; $L_{\rm R}(y) = L_{\rm V}(y)$?
+
{Under what conditions does the inference LLR hold for all possible output values&nbsp; $y &#8712; \{0, \, 1\}$: <br>&nbsp; &nbsp;  $L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y) = L(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x)$&nbsp; bzw.&nbsp; $L_{\rm R}(y) = L_{\rm V}(y)$?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Für jede beliebige Eingangsverteilung&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0), \ {\rm Pr}(x = 1)$.
+
- For any input distribution&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0), \ {\rm Pr}(x = 1)$.
+ Nur für die Gleichverteilung:&nbsp; $\hspace{0.2cm} {\rm Pr}(x = 0) = {\rm Pr}(x = 1) = 1/2$.
+
+ For the uniform distribution only:&nbsp; $\hspace{0.2cm} {\rm Pr}(x = 0) = {\rm Pr}(x = 1) = 1/2$.
  
{Das Ausgangssymbol sei&nbsp; $y = 1$. Welches Rückschluss&ndash;LLR erhält man mit der Verfälschungswahrscheinlichkeit&nbsp; $\varepsilon = 0.1$&nbsp; bei gleichwahrscheinlichen Symbolen?
+
{Let the initial symbol be&nbsp; $y = 1$. What inference LLR is obtained with the corruption probability&nbsp; $\varepsilon = 0.1$&nbsp; for equally probable symbols?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$L_{\rm R}(y = 1) = L(x | y = 1) \ = \ ${ -2.26291--2.13109 }
 
$L_{\rm R}(y = 1) = L(x | y = 1) \ = \ ${ -2.26291--2.13109 }
  
{Das Ausgangssymbol sei nun&nbsp; $y = 0$. Welches Rückschluss&ndash;LLR erhält man für&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0) = 0.2$&nbsp; und&nbsp; $\varepsilon = 0.1$?
+
{Let the initial symbol now be&nbsp; $y = 0$. What inference LLR is obtained for&nbsp; ${\rm Pr}(x = 0) = 0.2$&nbsp; and&nbsp; $\varepsilon = 0.1$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$L_{\rm R}(y = 0) = L(x | y = 0) \ = \ ${ 0.815 3% }
 
$L_{\rm R}(y = 0) = L(x | y = 0) \ = \ ${ 0.815 3% }
  
{Lässt sich das unter '''(3)''' hergeleitete Ergebnis &nbsp; &#8658; &nbsp; $L_{\rm R} = L_{\rm V} + L_{\rm A}$&nbsp; auch auf den "2&ndash;auf&ndash;$M$&ndash;Kanal" übertragen?
+
{Can the result derived in '''(3)'''' &nbsp; &#8658; &nbsp; $L_{\rm R} = L_{\rm V} + L_{\rm A}$&nbsp; also be applied to the "2 on $M$ channel"?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Ja.
+
+ Yes.
- Nein.  
+
- No.
  
{Kann man den Zusammenhang auch auf den AWGN&ndash;Kanal übertragen?
+
{Can the context be applied to the AWGN&ndash;channel as well?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Ja.
+
+ Yes.
- Nein.
+
- No.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
 
'''(1)'''&nbsp; Für die bedingten Wahrscheinlichkeiten gilt nach dem [[Theory_of_Stochastic_Signals/Statistische_Abh%C3%A4ngigkeit_und_Unabh%C3%A4ngigkeit#Bedingte_Wahrscheinlichkeit| Satz von Bayes]] mit der Schnittmenge $A &#8745; B$:
 
'''(1)'''&nbsp; Für die bedingten Wahrscheinlichkeiten gilt nach dem [[Theory_of_Stochastic_Signals/Statistische_Abh%C3%A4ngigkeit_und_Unabh%C3%A4ngigkeit#Bedingte_Wahrscheinlichkeit| Satz von Bayes]] mit der Schnittmenge $A &#8745; B$:

Revision as of 15:35, 27 October 2022

Considered channel models

To interpret  log likelihood ratios  (LLRs / L values) we start from the  binary symmetric channel  as in  "theory section" .

For the binary random variables at the input and output the following is valid

$$x \in \{0\hspace{0.05cm}, 1\} \hspace{0.05cm},\hspace{0.25cm}y \in \{0\hspace{0.05cm}, 1\} \hspace{0.05cm}. $$

This model is shown in the upper graph. The following applies to the conditional probabilities in the forward direction:

$${\rm Pr}(y = 1\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 0) \hspace{-0.2cm} \ = \ \hspace{-0.2cm} {\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 1) = \varepsilon \hspace{0.05cm},$$
$${\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 0) \hspace{-0.2cm} \ = \ \hspace{-0.2cm} {\rm Pr}(y = 1\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 1) = 1-\varepsilon \hspace{0.05cm}.$$

The corruption probability  $\varepsilon$  is the crucial parameter of the BSC model.

Regarding the probability distribution at the input, instead of considering the probabilities  ${\rm Pr}(x = 0)$  and  ${\rm Pr}(x = 1)$  it is convenient to consider the  log likelihood ratio  (LLR).

For the unipolar approach used here, the following applies by definition:

$$L_{\rm A}(x)={\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x = 0)}{{\rm Pr}(x = 1)}\hspace{0.05cm},$$

where the subscript  $\rm A$  indicates the apriori probability.

For example, for  ${\rm Pr}(x = 0) = 0.2 \ \Rightarrow \ {\rm Pr}(x = 1) = 0.8$  the apriori LLR  $L_{\rm A}(x) = \, -1.382$.

From the BSC–model, it is also possible to determine the  $L$ value (LLR) of the conditional probabilities  ${\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x)$  in the forward direction, which is also denoted by  $L_{\rm V}(y)$  in the present exercise:

$$L_{\rm V}(y) = L(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x) = {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 0)}{{\rm Pr}(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 1)} = \left\{ \begin{array}{c} {\rm ln} \hspace{0.15cm} [(1 - \varepsilon)/\varepsilon]\\ {\rm ln} \hspace{0.15cm} [\varepsilon/(1 - \varepsilon)] \end{array} \right.\hspace{0.15cm} \begin{array}{*{1}c} {\rm f\ddot{u}r} \hspace{0.15cm} y = 0, \\ {\rm f\ddot{u}r} \hspace{0.15cm} y = 1. \\ \end{array}$$

For example, for  $\varepsilon = 0.1$:

$$L_{\rm V}(y = 0) = +2.197\hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm}L_{\rm V}(y = 1) = -2.197\hspace{0.05cm}.$$

Of particular importance to coding theory are the inference probabilities  ${\rm Pr}(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)$, which are related to the forward probabilities  ${\rm Pr}(y\hspace{0. 05cm}|\hspace{0.05cm}x)$  and the input probabilities  ${\rm Pr}(x = 0)$  and  ${\rm Pr}(x = 1)$  via Bayes' theorem.

The corresponding  $L$ value (LLR) in this exercise  is denoted by $L_{\rm R}(y)$ :

$$L_{\rm R}(y) = L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y) = {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x = 0)\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)}{{\rm Pr}(x = 1)\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y)} \hspace{0.05cm} .$$





Hints:

  • The exercise belongs to the chapter  "Soft–in Soft–out Decoder".
  • Reference is made in particular to the page  "Reliability Information – Log Likelihood Ratio".
  • In the last subtasks we have to clarify whether the found relations between  $L_{\rm A}, \ L_{\rm V}$  and  $L_{\rm R}$  can also be transferred to the "2 on $M$ channel".
  • For this purpose, we choose a bipolar approach for the input symbols:  "$0$"  →   "$+1$"  and  "$1$"   →   "$–1$".



Questions

1

How are the conditional probabilities of two random variables  $A$  and  $B$  related?

${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = {\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} A)$,
${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}B) = {\rm Pr}(B\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} A) \cdot {\rm Pr}(B) / {\rm Pr}(A)$,
${\rm Pr}(A\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = {\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}A) \cdot {\rm Pr}(A) / {\rm Pr}(B)$.

2

Which equation holds for the binary channel with probabilities  ${\rm Pr}(A) = {\rm Pr}(x = 0)$  and  ${\rm Pr}(B) = {\rm Pr}(y = 0)$?

${\rm Pr}(x = 0 | y = 0) = {\rm Pr}(y = 0 | x = 0) \cdot {\rm Pr}(x = 0) / {\rm Pr}(y = 0)$,
${\rm Pr}(x = 0 | y = 0) = {\rm Pr}(y = 0 | x = 0) \cdot {\rm Pr}(y = 0) / {\rm Pr}(x = 0)$.

3

Under what conditions does the inference LLR hold for all possible output values  $y ∈ \{0, \, 1\}$:
    $L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y) = L(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x)$  bzw.  $L_{\rm R}(y) = L_{\rm V}(y)$?

For any input distribution  ${\rm Pr}(x = 0), \ {\rm Pr}(x = 1)$.
For the uniform distribution only:  $\hspace{0.2cm} {\rm Pr}(x = 0) = {\rm Pr}(x = 1) = 1/2$.

4

Let the initial symbol be  $y = 1$. What inference LLR is obtained with the corruption probability  $\varepsilon = 0.1$  for equally probable symbols?

$L_{\rm R}(y = 1) = L(x | y = 1) \ = \ $

5

Let the initial symbol now be  $y = 0$. What inference LLR is obtained for  ${\rm Pr}(x = 0) = 0.2$  and  $\varepsilon = 0.1$?

$L_{\rm R}(y = 0) = L(x | y = 0) \ = \ $

6

Can the result derived in (3)'   ⇒   $L_{\rm R} = L_{\rm V} + L_{\rm A}$  also be applied to the "2 on $M$ channel"?

Yes.
No.

7

Can the context be applied to the AWGN–channel as well?

Yes.
No.


Solution

(1)  Für die bedingten Wahrscheinlichkeiten gilt nach dem Satz von Bayes mit der Schnittmenge $A ∩ B$:

$${\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} A) = \frac{{\rm Pr}(A \cap B)}{{\rm Pr}(A)}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} {\rm Pr}(A \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = \frac{{\rm Pr}(A \cap B)}{{\rm Pr}(B)}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr}(A \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} B) = {\rm Pr}(B \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} A) \cdot \frac{{\rm Pr}(A)}{{\rm Pr}(B)}\hspace{0.05cm}.$$

Richtig ist der Lösungsvorschlag 3. Im Sonderfall ${\rm Pr}(B) = {\rm Pr}(A)$ wäre auch der Vorschlag 1 richtig.


(2)  Mit  $A$  ⇒  "$x = 0$" und  $B$  ⇒  "$y = 0$" ergibt sich sofort die Gleichung gemäß Lösungsvorschlag 1:

$${\rm Pr}(x = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} y = 0) = {\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} x = 0) \cdot \frac{{\rm Pr}(x = 0)}{{\rm Pr}(y = 0)}\hspace{0.05cm}.$$


(3)  Wir berechnen den $L$–Wert der Rückschlusswahrscheinlichkeiten. Unter der Annahme $y = 0$ gilt:

$$L_{\rm R}(y= 0) \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y= 0)= {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y=0)}{{\rm Pr}(x = 1\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y=0)} = {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x=0) \cdot {\rm Pr}(x = 0) / {\rm Pr}(y = 0)}{{\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 1)\cdot {\rm Pr}(x = 1) / {\rm Pr}(y = 0)} $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} L_{\rm R}(y= 0)= {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x=0) }{{\rm Pr}(y = 0\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 1)} + {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x=0) }{{\rm Pr}(x = 1)}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} L_{\rm R}(y= 0) = L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y= 0) = L_{\rm V}(y= 0) + L_{\rm A}(x)\hspace{0.05cm}.$$

In gleicher Weise ergibt sich unter der Annahme $y = 1$:

$$L_{\rm R}(y= 1) = L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y= 1) = L_{\rm V}(y= 1) + L_{\rm A}(x)\hspace{0.05cm}.$$

Die beiden Ergebnisse lassen sich mit $y ∈ \{0, \, 1\}$ und

  • dem Eingangs–LLR,
$$L_{\rm A}(x) = {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(x=0) }{{\rm Pr}(x = 1)}\hspace{0.05cm},$$
  • sowie dem Vorwärts–LLR,
$$L_{\rm V}(y) = L(y\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x) = {\rm ln} \hspace{0.15cm} \frac{{\rm Pr}(y \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x=0) }{{\rm Pr}(y \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}x = 1)} \hspace{0.05cm},$$

wie folgt zusammenfassen:

$$L_{\rm R}(y) = L(x\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}y) = L_{\rm V}(y) + L_{\rm A}(x)\hspace{0.05cm}.$$

Die Identität $L_{\rm R}(y) ≡ L_{\rm V}(y)$ erfordert $L_{\rm A}(x) = 0$   ⇒   gleichwahrscheinliche Symbole   ⇒   Vorschlag 2.


(4)  Der Aufgabenbeschreibung können Sie entnehmen, dass mit der Verfälschungswahrscheinlichkeit $\varepsilon = 0.1$ der Ausgangswert $y = 1$ zum Vorwärts–LLR $L_{\rm V}(y = 1) = \, –2.197$ führt.

  • Wegen ${\rm Pr}(x = 0) = 1/2 \ \Rightarrow \ L_{\rm A}(x) = 0$ gilt somit auch:
$$L_{\rm R}(y = 1) = L_{\rm V}(y = 1) \hspace{0.15cm}\underline{= -2.197}\hspace{0.05cm}.$$


(5)  Bei gleicher Verfälschungswahrscheinlichkeit $\varepsilon = 0.1$ unterscheidet sich $L_{\rm V}(y = 0)$ von $L_{\rm V}(y = 1)$ nur durch das Vorzeichen.

  • Mit ${\rm Pr}(x = 0) = 0.2 \ \Rightarrow \ L_{\rm A}(x) = \, -1.382$ erhält man somit:
$$L_{\rm R}(y = 0) = (+)2.197 - 1.382 \hspace{0.15cm}\underline{=+0.815}\hspace{0.05cm}.$$


(6)  Wie Sie sicher gerne nachprüfen werden, gilt der Zusammenhang  $L_{\rm R} = L_{\rm V} + L_{\rm A}$  auch für den "2–auf–$M$–Kanal", unabhängig vom Umfang  $M$  des Ausgangsalphabets   ⇒   Antwort Ja.


(7)  Der AWGN–Kanal wird durch den skizzierten "2–auf–$M$–Kanal" mit  $M → ∞$  ebenfalls beschrieben   ⇒   Antwort Ja.