Aufgabe 3.11: Viterbi-Empfänger und Trellisdiagramm

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Trellisdiagramm für einen Vorläufer

Der sog. Viterbi–Empfänger erlaubt eine aufwandsgünstige Realisierung der Maximum–Likelihood–Entscheidungsregel. Er beinhaltet die im Folgenden aufgeführten Systemkomponenten:

• ein an den Sendegrundimpuls angepasse Matched–Filter mit dem Frequenzgang $H_{\rm HF}(f)$ und dem Ausgangssignal $m(t)$,
• einen Abtaster im Abstand der Symboldauer (Bitdauer) $T$, der das zeitkontinuierliche Signal $m(t)$ in die zeitdiskrete Folge $〈m_{\rm \nu}〉$ wandelt,
• ein Dekorrelationsfilter mit dem Frequenzgang $H_{\rm DF}(f)$ zur Entfernung statistischer Bindungen zwischen den Störanteilen der Folge $〈d_{\rm \nu}〉$,
• den Viterbi–Entscheider, der mit einem trellisbasierten Algorithmus die Sinkensymbolfolge $〈\upsilon_{\rm \nu}〉$ gewinnt.

Die Grafik zeigt das vereinfachte Trellisdiagramm der beiden Zustände „$0$” und „$1$” für die Zeitpunkte $\nu ≤ 5$. Dieses Diagramm erhält man als Ergebnis der Auswertung der beiden minimalen Gesamtfehlergrößen ${\it \Gamma}_{\rm \nu}(0)$ und ${\it \Gamma}_{\rm \nu}(1)$ entsprechend der Aufgabe Z3.11.

Gehen Sie in dieser Aufgabe von unipolaren und gleichwahrscheinlichen Amplitudenkoeffizienten aus:

$${\rm Pr} (a_\nu = 0) = {\rm Pr} (a_\nu = 1)= 0.5 \hspace{0.05cm}.$$

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Themengebiet Kapitel Viterbi–Empfänger.
• Alle Größen sind hier normiert zu verstehen.
• Die hier angesprochene Thematik wird auch im folgenden Interaktionsmodul behandelt: Eigenschaften des Viterbi–Empfängers.

Fragebogen

1

Welche der nachfolgenden Aussagen sind zutreffend?

	Das Matched–Filter dient vorwiegend der Störleistungsbegrenzung.
	Das Dekorrelationsfilter entfernt Bindungen bzgl. Abtastwerten.
	Die Störleistung wird nur von $H_{\rm MF}(f)$, nicht von $H_{\rm DF}(f)$ beeinflusst.

2

Zu welchen Zeiten $\nu$ kann man das aktuelle Symbol $a_{\rm \nu}$ endgültig entscheiden?

	$\nu = 1,$
	$\nu = 2,$
	$\nu = 3,$
	$\nu = 4,$
	$\nu = 5.$

3

Wie lautet die vom Viterbi–Empfänger entschiedene Folge?

$a_1$ =

$a_2$ =

$a_3$ =

$a_4$ =

$a_5$ =

4

Welche der folgenden Aussagen treffen zu?

	Es ist sicher, dass die erkannte Folge auch gesendet wurde.
	Ein MAP–Empfänger hätte die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit.
	Schwellenwertentscheidung ist gleich gut wie der ML–Empfänger.

Musterlösung

Musterlösung

(1)  Richtig sind die beiden ersten Lösungsvorschläge. Das Signal $m(t)$ nach dem Matched–Filter $H_{\rm MF}(f)$ weist das größtmögliche Signal–zu–Störleistungsverhältnis auf. Die Störanteile der Folge $〈m_{\rm \nu}〉$ sind aber aufgrund der spektralen Formung (stark) korreliert. Aufgabe des zeitdiskreten Dekorrelationsfilters mit dem Frequenzgang $H_{\rm DF}(f)$ ist es, diese Bindungen aufzulösen, weshalb für $H_{\rm DF}(f)$ auch der Name „Whitening–Filter” verwendet wird. Dies ist allerdings nur auf Kosten einer erhöhten Störleistung möglich ⇒ der letzte Lösungsvorschlag trifft nicht zu.

(2)  Die beiden bei $\underline {\nu = 1}$ ankommenden Pfeile sind jeweils blau gezeichnet und kennzeichnen das Symbol $a_1 = 0$. Somit ist bereits zu diesem Zeitpunkt das Ausgangssymbol $a_1$ festgelegt. Ebenso stehen die Symbole $a_3 = 1$ und $a_5 = 0$ bereits zu den Zeitpunkten $\underline {\nu = 3}$ bzw. $\underline {\nu = 5}$ fest.

Dagegen ist zum Zeitpunkt $\nu = 2$ eine Entscheidung bezüglich des Symbols $a_2$ nicht möglich. Unter der Hypothese, dass das nachfolgende Symbol $a_3 = 0$ sein wird, würde sich Symbol $a_2 = 1$ ergeben (bei „$0$” kommt ein roter Pfad an, also von „$1$” kommend). Dagegen führt die Hypothese $a_3 = 1$ zum Ergebnis $a_2 = 0$ (der bei „$1$” ankommende Pfad ist blau).

(3)  Aus den durchgehenden Pfaden bei $\nu = 5$ ist ersichtlich:

$$a_{1}\hspace{0.15cm}\underline {=0} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} a_{2}\hspace{0.15cm}\underline { =0} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}a_{3}\hspace{0.15cm}\underline {=1} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} a_{4}\hspace{0.15cm}\underline {=0} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} a_{5}\hspace{0.15cm}\underline {=0} \hspace{0.05cm}.$$

(4)  Richtig ist nur die zweite Aussage: Da die Quellensymbole „$0$” und „$1$” als gleichwahrscheinlich vorausgesetzt wurden, ist der ML–Empfänger (Viterbi) identisch mit dem MAP–Empfänger.

Ein Schwellenwertentscheider – der zu jedem Takt eine symbolweise Entscheidung trifft – hat nur dann die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit wie der Viterbi–Empfänger, wenn es keine Impulsinterferenzen gibt. Dies ist hier offensichtlich nicht der Fall, sonst müsste zu jedem Zeitpunkt $\nu$ eine endgültige Entscheidung getroffen werden können.

Die erste Aussage trifft ebenfalls nicht zu. Das würde nämlich bedeuten, dass der Viterbi–Empfänger die Fehlerwahrscheinlichkeit $0$ haben kann. Dies ist aus der informationstheoretischen Gründen nicht möglich.