Aufgabe 1.4Z: Entropie der AMI-Codierung

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Binäres Quellensignal (oben) und
ternäres Codersignal (unten)

Wir gehen von ähnlichen Voraussetzungen wie in der  Aufgabe 1.4  aus:  

Eine Binärquelle liefert die Quellensybolfolge  $\langle q_\nu \rangle$  mit  $q_\nu \in \{ {\rm L}, {\rm H} \}$, wobei es keine statistischen Bindungen zwischen den einzelnen Folgenelementen gibt.

Für die Symbolwahrscheinlichkeiten gelte:

  • $p_{\rm L} =p_{\rm H} = 1/2$  (in den Teilaufgaben 1 und 2),
  • $p_{\rm L} = 1/4, \, p_{\rm H} = 3/4$  (Teilaufgaben 3, 4 und 5),
  • $p_{\rm L} = 3/4, \, p_{\rm H} = 1/4$  (Teilaufgabe 6).


Das dargestellte Codersignal  $c(t)$  und die zugehörige Symbolfolge  $\langle c_\nu \rangle$  mit  $c_\nu \in \{{\rm P}, {\rm N}, {\rm M} \}$  ergibt sich aus der AMI–Codierung  (Alternate Mark Inversion)  nach folgender Vorschrift:

  • Das Binärsymbol  $\rm L$  ⇒  Low  wird stets durch das Ternärsymbol  $\rm N$  ⇒  Null  dargestellt.
  • Das Binärsymbol  $\rm H$  ⇒  High  wird ebenfalls deterministisch, aber alternierend (daher der Name „AMI”) durch die Symbole  $\rm P$  ⇒  Plus  und  $\rm M$  ⇒  Minus  codiert.


In dieser Aufgabe sollen für die drei oben genannten Parametersätze der Entscheidungsgehalt  $H_0$  sowie die resultierende Entropie  $H_{\rm C}$  der Codesymbolfolge  $\langle c_\nu \rangle$  bestimmt werden.  Die relative Redundanz der Codefolge ergibt sich daraus entsprechend der Gleichung

$$r_{\rm C} = \frac{H_{\rm 0}-H_{\rm C}}{H_{\rm C}} \hspace{0.05cm}.$$




Hinweise:

  • Allgemein bestehen folgende Relationen zwischen dem Entscheidungsgehalt  $H_0$,  der Entropie  $H$  $($hier gleich  $H_{\rm C})$  und den Entropienäherungen:
$$H \le \ \text{...} \ \le H_3 \le H_2 \le H_1 \le H_0 \hspace{0.05cm}.$$
  • In  Aufgabe 1.4  wurden für gleichwahrscheinliche Symbole  $\rm L$  und  $\rm H$  die Entropie–Näherungen wie folgt berechnet (jeweils in „bit/Symbol”):
$$H_1 = 1.500\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} H_2 = 1.375\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}H_3 = 1.292 \hspace{0.05cm}.$$




Fragebogen

1

Die Quellensymbole seien gleichwahrscheinlich  $(p_{\rm L} = p_{\rm H}= 1/2)$.  Wie groß ist die Entropie  $H_{\rm C}$  der Codesymbolfolge  $\langle c_\nu \rangle$?

$H_{\rm C} \ = \ $

$\ \rm bit/Ternärsymbol$

2

Wie groß ist die relative Redundanz der Codesymbolfolge?

$r_{\rm C} \ = \ $

$\ \rm \%$

3

Für die Binärquelle gelte nun  $p_{\rm L} = 1/4$  und  $p_{\rm H} = 3/4$.  Welcher Wert ergibt sich nun für die Entropie der Codesymbolfolge?

$H_{\rm C} \ = \ $

$\ \rm bit/Ternärsymbol$

4

Wie groß ist nun die relative Redundanz der Codesymbolfolge?

$r_{\rm C} \ = \ $

$\ \rm \%$

5

Berechnen Sie die Näherung  $H_{\rm 1}$  der Coderentropie für  $p_{\rm L} = 1/4$  und  $p_{\rm H} = 3/4$.

$H_{\rm 1} \ = \ $

$\ \rm bit/Ternärsymbol$

6

Berechnen Sie die Näherung  $H_{\rm 1}$  der Coderentropie für  $p_{\rm L} = 3/4$  und  $p_{\rm H} = 1/4$.

$H_{\rm 1} \ = \ $

$\ \rm bit/Ternärsymbol$


Musterlösung

(1)  Da durch den AMI–Code weder neue Information hinzukommt noch Information verschwindet, ist die Entropie  $H_{\rm C}$  der Codesymbolfolge  $\langle c_\nu \rangle$  gleich der Quellenentropie  $H_{\rm Q}$. 

  • Bei gleichwahrscheinlichen und statistisch voneinander unabhängigen Quellensymbolen gilt deshalb:
$$H_{\rm Q} {= 1 \,{\rm bit/Bin\ddot{a}rsymbol}} \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} H_{\rm C} \hspace{0.15cm} \underline {= 1 \,{\rm bit/Tern\ddot{a}rsymbol}} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Der Entscheidungsgehalt einer ternären Quelle beträgt  $H_0 = \log_2 \; (3) = 1.585\; \rm bit/Symbol$. 

  • Damit ergibt sich für die relative Redundanz
$$r_{\rm C} =1 -{H_{\rm C}/H_{\rm 0}}=1-1/{\rm log}_2\hspace{0.05cm}(3) \hspace{0.15cm} \underline {= 36.9 \,\%} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  Es gilt weiter  $H_{\rm C} = H_{\rm Q}$.  Wegen den ungleichen Symbolwahrscheinlichkeiten ist aber nun  $H_{\rm Q}$  kleiner:

$$H_{\rm Q} = \frac{1}{4} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.05cm} (4) + \frac{3}{4} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm} (4/3) {= 0.811 \,{\rm bit/Bin\ddot{a}rsymbol}} \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} H_{\rm C} = H_{\rm Q} \hspace{0.15cm} \underline {= 0.811 \,{\rm bit/Tern\ddot{a}rsymbol}} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  In Analogie zur Teilaufgabe  (2)  gilt nun  $r_{\rm C} = 1 - 0.811/1.585 \hspace{0.15cm} \underline {= 48.8 \,\%} \hspace{0.05cm}.$

  • Man kann dieses Ergebnis verallgemeinern. Es gilt nämlich:
$$(1-0.488) = (1- 0.189) \cdot (1- 0.369)\hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} (1-r_{\rm Codefolge}) = (1-r_{\rm Quelle}) \cdot (1- r_{\rm AMI-Code}) \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Da jedes  $\rm L$  auf  $\rm N$  abgebildet wird und  $\rm H$  alternierend auf  $\rm M$  und  $\rm P$, gilt

$$p_{\rm N} = p_{\rm L} = 1/4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}p_{\rm P} = p_{\rm M} = p_{\rm H}/2 = 3/8\hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} H_1 = {1}/{4} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm} (4) + 2 \cdot {3}/{8} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm}(8/3) \hspace{0.15cm} \underline {= 1.56 \,{\rm bit/Tern\ddot{a}rsymbol}} \hspace{0.05cm}.$$


(6)  Nun ergeben sich die Auftrittswahrscheinlichkeiten der Ternärsymbole zu  $p_{\rm N} = 3/4$  sowie  $p_{\rm P} = p_{\rm M} =1/8$.  Somit gilt:

$$H_1 = {3}/{4} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm} (4/3) + 2 \cdot {1}/{8} \cdot {\rm log}_2\hspace{0.1cm}(8) \hspace{0.15cm} \underline {= 1.06 \,{\rm bit/Tern\ddot{a}rsymbol}} \hspace{0.05cm}.$$

Interpretation:

  • Für  $p_{\rm L} = 1/4, \ p_{\rm H} = 3/4$  ergibt sich  $H_1 = 1.56 \; \rm bit/Symbol$.
  • Für  $p_{\rm L} = 3/4, \ p_{\rm H} = 1/4$  ergibt sich dagegen mit  $H_1 = 1.06 \; \rm bit/Symbol$  ein deutlich kleinerer Wert.
  • Für beide Parameterkombinationen gilt aber gleichermaßen:
$$H_0 = 1.585 \,{\rm bit/Symbol}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}H_{\rm C} = \lim_{k \rightarrow \infty } H_k = 0.811 \,{\rm bit/Symbol} \hspace{0.05cm}.$$

Daraus folgt:

  • Betrachtet man zwei Nachrichtenquellen  $\rm Q1$  und  $\rm Q2$  mit gleichem Symbolumfang  $M$   ⇒   Entscheidungsgehalt  $H_0 = \rm const.$, wobei bei der Quelle  $\rm Q1$  die Entropienäherung erster Ordnung  $(H_1)$  deutlich größer ist als bei der Quelle  $\rm Q2$, so kann man daraus noch lange nicht schließen, dass die Entropie von  $\rm Q1$  tatsächlich größer ist als die Entropie von $\rm Q2$. 
  • Vielmehr muss man für beide Quellen
  • genügend viele Entropienäherungen  $H_1$,  $H_2$,  $H_3$,  ... berechnen, und
  • daraus (grafisch oder analytisch) den Grenzwert von  $H_k$  für  $k \to \infty$  bestimmen.
  • Erst dann ist eine endgültige Aussage über die Entropieverhältnisse möglich.