Difference between revisions of "Exercise 2.5: DSL Error Protection"

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{{quiz-Header|Buchseite=Beispiele von Nachrichtensystemen/Verfahren zur Senkung der Bitfehlerrate bei DSL
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{{quiz-Header|Buchseite=Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL
  
  
 
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[[File:P_ID1977__Bei_A_2_5.png|right|frame|Fehlerschutzmaßnahmen bei ADSL]]
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[[File:EN_Bei_A_2_5.png|right|frame|$\rm ADSL$ error protection]]
  
  
Um die Bitfehlerrate der xDSL–Systeme entscheidend zu senken, wurden in den Spezifikationen verschiedene Sicherungsverfahren vorgeschlagen, um den zwei häufigsten Fehlerursachen entgegen zu wirken:
+
In order to decisively reduce the bit error rate of  $\rm xDSL$ systems, various backup procedures have been proposed in the specifications to counteract the two most common causes of errors:
*Bitfehler aufgrund von Impuls– und Nebensprechstörungen auf der (Zweidraht–)Leitung,
+
*Bit errors due to impulse and crosstalk interference on the (two-wire) line,
*Abschneiden von Signalspitzen aufgrund mangelnder Dynamik der Sendeverstärker (''Clipping'').
+
*clipping of signal peaks due to lack of dynamic range of the transmit amplifiers (''clipping'').
  
Die Grafik zeigt die Fehlerschutzmaßnahmen bei ADSL/DMT. Diese sind in zwei verschiedenen Pfaden realisiert:
 
*Beim ''Fast–Path'' setzt man auf geringe Wartezeiten.
 
*Beim ''Interleaved–Path'' wird eine niedrige Bitfehlerrate erwartet.
 
Die Zuordnung der Bits zu diesen Pfaden übernimmt dabei ein Multiplexer (MUX) mit Synchronisationskontrolle.
 
  
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The diagram shows the error protection measures for $\rm ADSL/DMT$. These are implemented in two different paths:
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*In the  ''fast-path''  one relies on lower waiting times.
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*In the  ''interleaved-Path''  a lower bit error rate is expected.
  
Hinweis: Die Aufgabe gehört zu Kapitel [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Verfahren_zur_Senkung_der_Bitfehlerrate_bei_DSL|Verfahren zur Senkung der Bitfehlerrate bei DSL]].
 
  
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The assignment of the bits to these paths is done by a multiplexer $\rm (MUX)$ with synchronization control.
  
  
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===Fragebogen===
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Hint:
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*This exercise belongs to the chapter  [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL|"Methods to Reduce the Bit Error Rate in DSL"]].
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===Questions===
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Welche Aussagen sind für die beiden Pfade zutreffend?
+
{Which statements are true for the two paths?
 
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+ Der ''Interleaved–Path'' hat größere Latenzzeiten.
+
+ The&nbsp; ''interleaved-path''&nbsp; has greater latency.
- Der ''Fast–Path'' ist anfälliger gegen AWGN–Rauschen.
+
- The&nbsp; ''fast-Path''&nbsp; is more susceptible to AWGN noise.
+ Der ''Fast–Path'' ist anfälliger gegen Bündelfehler.
+
+ The&nbsp; ''fast-Path''&nbsp; is more susceptible to bundle errors.
  
{Welche Aufgaben haben ''Cyclic Redundancy Check'' (CRC) & ''Scrambler''?
+
{What are the tasks of the&nbsp; ''cyclic redundancy check''&nbsp; (CRC) and the&nbsp; ''Scrambler''?
 
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|type="[]"}
+ CRC bildet aus Datenblöcken einen Prüfwert mit $8 \ \rm Bit$.
+
+ CRC forms a parity-check value with $8$ bits from data blocks.
- Die Redundanz von CRC ist sehr hoch.
+
- The redundancy of the CRC is very high.
+ Der Scrambler soll lange Null– Eins–Folgen vermeiden.
+
+ The scrambler should avoid long zero sequences and one sequences.
+ CRC & (De–)Scrambler werden mit Schieberegistern realisiert.
+
+ CRC and (de)scrambler are implemented with shift registers.
  
  
  
{Welche Aussagen sind bezüglich Vorwärtsfehlerkorrektur zutreffend?
+
{Which statements are true regarding forward error correction?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- DSL/DMT verwendet eine Faltungscodierung.
+
- DSL/DMT uses convolutional coding.
+ DSL/DMT verwendet Reed–Solomon–Codierung.
+
+ DSL/DMT uses Reed-Solomon coding.
+ Die Codierung geschieht auf Byte–Ebene.
+
+ The coding is done on byte level.
- Es handelt sich um eine symbolweise Codierung.
+
- It is a symbol-wise coding.
+ Optional wird Trellis–codierte Modulation (TCM) verwendet.
 
  
{Welche Aufgaben erfüllen ''Interleaving'' und ''De–Interleaving''?
+
{What are the tasks performed by&nbsp; ''interleaving''&nbsp; and&nbsp; ''de-interleaving''?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Verbesserte Korrekturmöglichkeiten für „Reed–Solomon”.
+
+ Improved correction capabilities for "Reed-Solomon".
+ Interleaver und De–Interleaver arbeiten auf Byte–Ebene.
+
+ Interleaver and de-interleaver work on byte level.
- Durch Interleaving wird Redundanz hinzugefügt.
+
- Interleaving adds redundancy.
- Interleaving ist besonders für Echtzeitanwendungen geeignet.
+
- Interleaving is particularly suitable for real-time applications.
  
  
{Welche Aufgaben haben die Blöcke ''„Tone Ordering”'' und ''„Gain Scaling”''?
+
{What are the tasks of the blocks&nbsp; ''"Tone Ordering"''&nbsp; and ''"Gain Scaling"''?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Vermessung der Kanalcharakteristik der einzelnen Subkanäle.
+
+ Measurement of the channel characteristics of each bin.
+ Zuweisung der einzelnen QAM–Signale auf Subkanäle.
+
+ Allocation of the individual QAM signals to bins.
+ Durch Tone ''Ordering'' kann man die Bitfehlerrate weiter senken.
+
+ By&nbsp; ''tone ordering''&nbsp; one can further reduce the bit error rate.
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig sind <u>die Aussagen 1 und 3</u>. Aufgrund des fehlenden Interleavers im ''Fast–Path'' ist dieser Pfad weniger gegenüber Bündelfehlern geschützt. Bei AWGN–Rauschen ist dagegen durch einen Interleaver keine Senkung der Bitfehlerrate möglich. Der Nachteil eines Interleavers sind die großen Wartezeiten (''Latency''), da damit die Eingangsbits über einen großen Zeitbereich verteilt werden, um nach dem in gleicher Weise aufgebauten De–Interleaver aus Bündelfehlern Einzelfehler zu machen, die dann durch die Vorwärtsfehlerkorrektur (''Forward Error Correction'', FEC) entfernt werden können.
+
'''(1)'''&nbsp; Correct are <u>statements 1 and 3</u>:
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*Due to the lack of an interleaver in the ''fast-path'', this path is less protected against bunching errors.  
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*On the other hand, for AWGN noise, an interleaver does not reduce the bit error rate.  
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*The disadvantage of an interleaver is the large waiting times (''latency''), since this distributes the input bits over a large time range in order to turn bundle errors into single errors after the de-interleaver, which is constructed in the same way, and which can then be removed by forward error correction (''FEC'').
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig sind <u>die Aussagen 1, 3 und 4</u>. Sowohl das [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Verfahren_zur_Senkung_der_Bitfehlerrate_bei_DSL#Cyclic_Redundancy_Check|CRC–Verfahren]] (''Cyclic Redundancy Check'') als auch [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Verfahren_zur_Senkung_der_Bitfehlerrate_bei_DSL#Scrambler_und_De.E2.80.93Scrambler|Scrambler/De–Scrambler]] werden mit Schieberegistern der Länge $8$ bzw. $23$ realisiert. Der ''Scrambler'' ist redundanzfrei (das heißt, er hat genau so viele Ausgangsbits wie Eingangsbits) und ist nach kurzer Einlaufzeit selbstsynchronisierend. Die Redundanz von CRC ist sehr gering. Es handelt sich dabei nicht um eine Fehlerkorrektur im eigentlichen Sinn, sondern um die Kontrolle besonders wichtiger Daten, zum Beispiel solcher zur Rahmensynchronisierung.
 
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind <u>die Aussagen 2, 3 und 5</u>. Im Fachbuch „Einführung in die Kanalcodierung” finden Sie ausführliche Kapitel über [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Verfahren_zur_Senkung_der_Bitfehlerrate_bei_DSL#Gain_Scaling_und_Tone_Ordering|Trellis–codierte Modulation]] (TCM) und zu den Reed–Solomon–Codes. Bei letzteren handelt es sich um Blockcodes – also keine symbolweise Codierung – auf Byte–Ebene.
 
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind hier <u>die beiden ersten Aussagen</u> im Gegensatz zu den beiden letzten: Das [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Verfahren_zur_Senkung_der_Bitfehlerrate_bei_DSL#Interleaving_und_De.E2.80.93Interleaving|Interleaving]] ist redundanzfrei und führt zu großen Latenzzeiten und Verzögerungen, so dass bei Echtzeitanwendungen darauf verzichtet werden sollte.
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'''(2)'''&nbsp; Correct <u>statements 1, 3, and 4</u>:  
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*Both the [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL#Cyclic_redundancy_check|"CRC"]] (''Cyclic Redundancy Check'') as well as [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL#Scrambler_and_en.E2.80.93scrambler|"Scrambler/De-scrambler"]] are implemented with shift registers of length $8$ and $23$ respectively.
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*The ''scrambler'' is redundancy-free (that is, it has exactly as many output bits as input bits) and is self-synchronizing after a short run-in time.
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*The redundancy of CRC is very low. It is not error correction in the true sense, but rather control of particularly important data, such as that for frame synchronization.
  
'''(5)'''&nbsp; <u>Alle hier gemachten Aussagen</u> sind richtig, wie auf der Seite [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Verfahren_zur_Senkung_der_Bitfehlerrate_bei_DSL#Gain_Scaling_und_Tone_Ordering|Gain Scaling und Tone Ordering]] im Detail nachgelesen werden kann.
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'''(3)'''&nbsp; Correct <u> statements 2 and 3</u>:
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*In the $\rm LNTww$&ndash;book "[[Channel_Coding]]", there is a detailed chapter on the[[Channel_Coding/Definition_and_Properties_of_Reed-Solomon_Codes|" Reed-Solomon Codes"]].
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*These are byte-level block codes, i.e., not symbol-by-symbol coding.
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'''(4)'''&nbsp; Correct are <u>statements 1 and 2</u> in contrast to the last two:
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*The [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL#Interleaving_and_en.E2.80.93interleaving|"Interleaving"]] is redundancy-free and results in large latency and delay, so it should be avoided for real-time applications.
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'''(5)'''&nbsp; <u>All of the above statements</u> are correct, as can be read in detail on the [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL#Gain_scaling_and_tone_ordering|"Gain scaling and tone ordering"]] page.
 
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[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^2.4 BER Lowering at DSL
[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^2.4 Verfahren zur BER&ndash;Senkung bei DSL
 
  
  
 
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Latest revision as of 19:32, 25 March 2023

$\rm ADSL$ error protection


In order to decisively reduce the bit error rate of  $\rm xDSL$ systems, various backup procedures have been proposed in the specifications to counteract the two most common causes of errors:

  • Bit errors due to impulse and crosstalk interference on the (two-wire) line,
  • clipping of signal peaks due to lack of dynamic range of the transmit amplifiers (clipping).


The diagram shows the error protection measures for $\rm ADSL/DMT$. These are implemented in two different paths:

  • In the  fast-path  one relies on lower waiting times.
  • In the  interleaved-Path  a lower bit error rate is expected.


The assignment of the bits to these paths is done by a multiplexer $\rm (MUX)$ with synchronization control.




Hint:




Questions

1

Which statements are true for the two paths?

The  interleaved-path  has greater latency.
The  fast-Path  is more susceptible to AWGN noise.
The  fast-Path  is more susceptible to bundle errors.

2

What are the tasks of the  cyclic redundancy check  (CRC) and the  Scrambler?

CRC forms a parity-check value with $8$ bits from data blocks.
The redundancy of the CRC is very high.
The scrambler should avoid long zero sequences and one sequences.
CRC and (de)scrambler are implemented with shift registers.

3

Which statements are true regarding forward error correction?

DSL/DMT uses convolutional coding.
DSL/DMT uses Reed-Solomon coding.
The coding is done on byte level.
It is a symbol-wise coding.

4

What are the tasks performed by  interleaving  and  de-interleaving?

Improved correction capabilities for "Reed-Solomon".
Interleaver and de-interleaver work on byte level.
Interleaving adds redundancy.
Interleaving is particularly suitable for real-time applications.

5

What are the tasks of the blocks  "Tone Ordering"  and "Gain Scaling"?

Measurement of the channel characteristics of each bin.
Allocation of the individual QAM signals to bins.
By  tone ordering  one can further reduce the bit error rate.


Solution

(1)  Correct are statements 1 and 3:

  • Due to the lack of an interleaver in the fast-path, this path is less protected against bunching errors.
  • On the other hand, for AWGN noise, an interleaver does not reduce the bit error rate.
  • The disadvantage of an interleaver is the large waiting times (latency), since this distributes the input bits over a large time range in order to turn bundle errors into single errors after the de-interleaver, which is constructed in the same way, and which can then be removed by forward error correction (FEC).


(2)  Correct statements 1, 3, and 4:

  • Both the "CRC" (Cyclic Redundancy Check) as well as "Scrambler/De-scrambler" are implemented with shift registers of length $8$ and $23$ respectively.
  • The scrambler is redundancy-free (that is, it has exactly as many output bits as input bits) and is self-synchronizing after a short run-in time.
  • The redundancy of CRC is very low. It is not error correction in the true sense, but rather control of particularly important data, such as that for frame synchronization.


(3)  Correct statements 2 and 3:


(4)  Correct are statements 1 and 2 in contrast to the last two:

  • The "Interleaving" is redundancy-free and results in large latency and delay, so it should be avoided for real-time applications.


(5)  All of the above statements are correct, as can be read in detail on the "Gain scaling and tone ordering" page.