Grundlagen der Technischen Informatik. 2. Übung

Transkript

1 Grundlagen der Technischen Informatik 2. Übung Christian Knell Keine Garantie für Korrekt-/Vollständigkeit

2 Organisatorisches Übungsblätter zuhause vorbereiten! In der Übung an der Tafel vorrechnen! Bei Fragen: an oder

3 2. Übungsblatt Themen Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Aufgabe 4: Aufgabe 5: Hamming-Distanz Fehlererkennung, Paritätsbit Blocksicherung Fehlerkorrektur, Hamming-Distanz, Hamming-Code Huffman-Code, optimale Codierung

4 2. Übungsblatt Aufgabe 1 Das Bild zeigt ein Diagramm, dass die Nachbarschafsbeziehungen für einen Code mit 3 Binärstellen darstellt. a) Welche Hamming-Distanz müssen die gültigen Codeworte aufweisen, damit Einzelfehler erkannt werden können? Wie viele Zeichen können so mit 3 Binärstellen maximal codiert werden?

5 2. Übungsblatt Aufgabe 1 a) Welche Hamming-Distanz müssen die gültigen Codeworte aufweisen, damit Einzelfehler erkannt werden können? Wie viele Zeichen können so mit 3 Binärstellen maximal codiert werden? HD min (x) = d (d-1) Fehler erkennbar e = ((d - 1) / 2) Fehler korrigierbar HD min (x) = 2 Maximal 4 codierbare Zeichen (z.b.: 000, 011, 110, 101)

6 2. Übungsblatt Aufgabe 1 b) Welche Hamming-Distanz müssen die gültigen Codeworte aufweisen, damit die Korrektur von Einzelfehlern möglich ist? Wie viele Zeichen können jetzt maximal codiert werden? HD min (x) = 3 maximal 2 codierbare Zeichen

7 2. Übungsblatt Aufgabe 1 c) Die beiden Zeichen A und B sollen so codiert werden, dass Einzelfehler korrigierbar sind. Wie viele Lösungen sind für die Codierung der beiden Zeichen mit 3 Binärstellen möglich? Geben Sie eine Lösung an. Es sind insgesamt 8 Lösungen möglich. Lösungen: A B

8 2. Übungsblatt Aufgabe 1 d) Bei der Datenübertragung mit einer Codierung nach c) wurde genau eine Binärstelle falsch übertragen. Die folgenden Daten wurden empfangen: Korrigieren Sie den Fehler. Anordnung ergibt: Man sieht schnell, dass 011 falsch übertragen wurde korrigierte Daten:

9 2. Übungsblatt Aufgabe 2 Am Ende einer längeren Übertragungsstrecke wird die folgende Nachricht Im ASCII-Code empfangen: Es ist bekannt, dass der Sender die 7 Bits des ASCII-Codes um ein Paritätsbits (ganz links) ergänzt hat. Empfangener Code ASCII-Zeichen G T I $ I S T V O L L

10 2. Übungsblatt Aufgabe 2 a) Welches Zeichen wurde offensichtlich falsch übertragen? Das Zeichen $ wurde falsch übertragen, da die Parität ungerade ist

11 2. Übungsblatt Aufgabe 2 b) Das letzte Wort lautete vor der Übertragung toll und nicht voll. Warum ist der von der Übertragungsstrecke verursachte Fehler nicht erkennbar? T = V = Es handelt sich um einen Zweifachfehler Zweifachfehler sind mit einfacher Paritätssicherung nicht erkennbar.

12 2. Übungsblatt Aufgabe 3 Bei der Übertragung wichtiger Daten im ASCII-Code wird eine Blocksicherung durchgeführt. Die Prüfbits werden so erzeugt, dass eine gerade Parität entsteht. Die folgende Tabelle zeigt Die empfangenen Daten. Offensichtlich wurden nicht alle Daten richtig übermittelt. Block 1 Block 2 Binärcode Prüfbit Hex ASCII R I S H Prüfsumme Binärcode Prüfbit Hex ASCII P I G ! Prüfsumme

13 2. Übungsblatt Aufgabe 3 a) Welche Fehler (Anzahl, Einfach-/Mehrfachfehler) sind korrigierbar? Bei einer Blocksicherung mit Paritätsbit sind nur Einzelfehler korrigierbar. Voraussetzung: ein Fehler pro Block

14 2. Übungsblatt Aufgabe 3 a) Welche Fehler (Anzahl, Einfach-/Mehrfachfehler) sind korrigierbar? Voraussetzung: ein Fehler pro Block b) Die aufgetretenen Fehler seien korrigierbar. Korrigieren Sie die entsprechenden Binärstellen in der Tabelle. Bestimmen Sie für die korrigierten Codewörter das zugehörige ASCII-Zeichen. Binärcode Prüfbit Hex ASCII Block 1, 3. Zeile C Block 2, 1. Zeile T

15 2. Übungsblatt Aufgabe 4 Gegeben sei ein nicht fehlertolerantes Kommunikationssystem, welches in der Lage ist, einstellige Codeworde in hexadezimaler Darstellung zu übertragen. Es soll nun dahingehend erweitert werden, dass es mittels eines Hamming-Codes Zweifachfehler erkennen oder Einfachfehler korrigieren kann. a) Welche Hamming-Distanz (HD) wird benötigt, um die geforderte Fehlertoleranz zu erreichen? HD min (x) = 3

16 2. Übungsblatt Aufgabe 4 b) Wie viele Bits werden nun jeweils benötigt, um die Informationen und die Paritätsbits nach Hamming zu codieren? Wie lang wird das gesamte zu übertragende Codewort? Ein Hexwert ist mit 4 Bit darstellbar (2 4 = 16), also m = 4. #Prüfbits: k 1 ld ( m) 3 Das Codewort ist m + k = 7 Bit lang ([x 4, x 3, x 2, x 1, y 3, y 2, y 1 ])

17 2. Übungsblatt Aufgabe 4 c) Erstellen Sie nun den Hamming-Code und ordnen Sie den Codeworten die entsprechenden Hexadezimalwerte zu, die der Wertigkeit der Informationsstellen entsprechen sollen. Der Aufbau der Codeworte soll wie folgt aussehen: x m,, x 1, y k,, y 1.

18 2. Übungsblatt Aufgabe 4 c) Erstellen Sie nun den Hamming-Code Aufbau der Codeworte soll wie folgt aussehen: x m,, x 1, y k,, y 1. Vorgehensweise: 1. Aufstellen der Tabelle (m + k + 1 Spalten, #Informationen + 1 Zeilen) 2. Hochzählen der x m,, x 1 3. Aufstellen der Paritätsmatrix 4. Hochzählen der Spalten 5. Beschriften der Spalten (y-spalte für 2 x ) 6. XOR der beteiligten x-spalten 7. Eintragen der y-spalten

19 2. Übungsblatt Aufgabe 4 c) Erstellen Sie nun den Hamming-Code Aufbau der Codeworte soll wie folgt aussehen: x m,, x 1, y k,, y 1. x 4 x 3 x 2 x 1 y 3 y 2 y 1 Hex ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? 7 x 4 x 3 x 2 x 1 y 3 y 2 y 1 Hex ??? ??? ??? A ??? B ??? C ??? D ??? E ??? F

20 2. Übungsblatt Aufgabe 4 c) Erstellen Sie nun den Hamming-Code und ordnen Sie den Codeworten die entsprechenden Hexadezimalwerte zu, die der Wertigkeit der Informationsstellen entsprechen sollen. Der Aufbau der Codeworte soll wie folgt aussehen: x m,, x 1, y k,, y 1. P x 4 x 3 x 2 y 3 x 1 y 2 y y 3 = x 4 x 3 x 2 y 2 = x 4 x 3 x 1 y 1 = x 4 x 2 x 1 A B XOR

21 2. Übungsblatt Aufgabe 4 c) Erstellen Sie nun den Hamming-Code und ordnen Sie den Codeworten die entsprechenden Hexadezimalwerte zu, die der Wertigkeit der Informationsstellen entsprechen sollen. Der Aufbau der Codeworte soll wie folgt aussehen: x m,, x 1, y k,, y 1. P x 4 x 3 x 2 y 3 x 1 y 2 y y 3 = x 4 x 3 x 2 y 2 = x 4 x 3 x 1 y 1 = x 4 x 2 x 1 x 1 is checked by [y 1, y 2 ] x 2 is checked by [y 1, y 3 ] x 3 is checked by [y 2, y 3 ] x 4 is checked by [y 1, y 2, y 3 ]

22 2. Übungsblatt Aufgabe 4 c) Erstellen Sie nun den Hamming-Code Aufbau der Codeworte soll wie folgt aussehen: x m,, x 1, y k,, y 1. x 4 x 3 x 2 x 1 y 3 y 2 y 1 Hex x 4 x 3 x 2 x 1 y 3 y 2 y 1 Hex A B C D E F

23 2. Übungsblatt Aufgabe 4 d) Bei einer Übertragung mit dem Kommunikationssystem aus c) wurde folgende Binärfolge empfangen: Überprüfen Sie anhand Ihrer Code-Tabelle, ob der Empfang der Codeworde fehlerfrei erfolgt ist und führen Sie falls notwendig eine Korrektur durch.

24 2. Übungsblatt Aufgabe 4 d) Anmerkung: 1. 1 Prüfbit falsch => Prüfbit falsch 2. Mehrere Prüfbit falsch => x i falsch Anordnung ergibt: => => (7) => => (4) => OK (9) => => (F) => OK (E)

25 2. Übungsblatt Aufgabe 5 a) Erstellen Sie den Huffman-Codierungsbaum für die folgende Zeichenkette: ABRAKADABRASIMSALABIM Vorgehensweise: 1. Tabelle mit Häufigkeiten der Buchstaben erstellen 2. while (noch nicht zusammengefasste Elemente) do Fasse kleinste Elemente zu neuem zusammen Buchstabe K D L R S I M B A Anzahl

26 2. Übungsblatt Aufgabe 5 a) Erstellen Sie den Huffman-Codierungsbaum für die folgende Zeichenkette: ABRAKADABRASIMSALABIM K und D zusammenfassen => neues Element der Größe 2

27 2. Übungsblatt Aufgabe 5 a) Erstellen Sie den Huffman-Codierungsbaum für die folgende Zeichenkette: ABRAKADABRASIMSALABIM L und KD zusammenfassen => neues Element der Größe 3

28 2. Übungsblatt Aufgabe 5 a) Erstellen Sie den Huffman-Codierungsbaum für die folgende Zeichenkette: ABRAKADABRASIMSALABIM R und S & I und M zusammenfassen => 2 neue Elemente der Größe 4

29 2. Übungsblatt Aufgabe 5 a) Erstellen Sie den Huffman-Codierungsbaum für die folgende Zeichenkette: ABRAKADABRASIMSALABIM LKD und B zusammenfassen => neues Element der Größe 6

30 2. Übungsblatt Aufgabe 5 a) Erstellen Sie den Huffman-Codierungsbaum für die folgende Zeichenkette: ABRAKADABRASIMSALABIM RS und IM zusammenfassen => neues Element der Größe 8

31 2. Übungsblatt Aufgabe 5 a) Erstellen Sie den Huffman-Codierungsbaum für die folgende Zeichenkette: ABRAKADABRASIMSALABIM

32 2. Übungsblatt Aufgabe 5 b) Wie viel Bits werden durch diese Codierung im Vergleich zu einer Codierung mit einer festen Codewort-Länge eingespart? Bei Codierung mit fester Codewort-Länge: Es gibt 9 verschiedene Zeichen deren Codierung mindestens je 4 Bit erfordern. Bei 21 Zeichen sind das 84 Bit.

33 2. Übungsblatt Aufgabe 5 b) Wie viel Bits werden durch diese Codierung im Vergleich zu einer Codierung mit einer festen Codewort-Länge eingespart? Rechts sieht man das Ergebnis der Huffman-Codierung. Zeichen Code Länge * Anzahl A B R K D S I M L Summe: 61

34 2. Übungsblatt Aufgabe 5 b) Wie viel Bits werden durch diese Codierung im Vergleich zu einer Codierung mit einer festen Codewort-Länge eingespart? Ergebnis: Man spart 84 Bit - 61 Bit = 23 Bit. Zeichen Code Länge * Anzahl A B R K D S I M L Summe: 61

35 2. Übungsblatt Aufgabe 5 c) Wie viel Bits sind minimal nötig? # deszeichens Die minimale Bitlänge ist: ld ( ) Gesamtzeichenzahl Zeichen Anzahl Bitlänge A 7 1,59 B 3 2,81 S 2 3,39 Anzahl rel. Anteil Bitlänge R 2 3,39 7 0,333 1,59 M 2 3,39 3 0,143 2,81 I 2 3,39 2 0,095 3,39 L 1 4,39 1 0,048 4,39 D 1 4,39 K 1 4,39

36 2. Übungsblatt Aufgabe 5 c) Wie viel Bits sind minimal nötig? Die minimale Bitlänge ist: Multipliziert man die Bitlänge mit der Summe der Zeichen gleicher Anzahl, so erhält man die jeweiligen Summenbitlängen. Die Summe davon ist die minimale Anzahl Bits die zur Codierung benötigt werden. # deszeichens ld ( ) Gesamtzeichenzahl Anzahl 1,59 * 7 + 2,81 * 3 + 3,39 * 8 + 4,39 * 3 = 59,83 Bitlänge 7 1,59 3 2,81 2 3,39 1 4,39

37 2. Übungsblatt Aufgabe 5 c) Wie viel Prozent schlechter ist der Huffman-Code? 59, ,02041 Der Huffman-Code ist 2,041% schlechter als die Optimale Codierung

38 2. Übungsblatt Danke für die Aufmerksamkeit