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信道编码之分组码

时间:2019-07-12 10:45:30来源:IT技术作者:seo实验室小编阅读:51次「手机版」
 

信道编码

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在讲分组码之前,强调一下,前面我们讲过了差错控制方式决定到底应该采用那种码,ARQ方式决定了用具有检错能力的码即可;FEC方式用可纠错的码组即可;而HEC则需要能够发现并纠正错误的码组。

因此,当最小码距d0 = 5时,如果按检错方式工作,则编码应具备检错能力,能检4个错误;

(由差错控制原理可知,最小码距为d0,则按检错方式工作,能检错d0-1个。)

如果按纠错方式工作,则编码应具备纠错能力,能纠正2个错误;

(同样由差错控制原理这篇博文可知,若按纠错方式工作,最小码距 ,故能纠正2个错误。)

如果按混合方式工作,就能纠正一个错误,超出纠错能力还能检3个错误。(1+3+1=5)

(同样,由上篇博文差错控制原理可知,若采用混合方式工作,,其中d0为最小码距,e为检错个数,t为纠错个数,同时e>t,根据这两个关系,可知得知,e=3,t=1,也就是能纠错1位,检错3位。)

是不是就是说想要一种编码的纠错或检错的能力强,就要增加最小码距?那多添加点监督位就可以使最小码距增大了吧?

最小码距越大,监督位就越多。但码元的监督位增大,却不能说明码距也增大了,因此要提高编码的检错和纠错能力,不能仅靠简单地增加监督码元的位数,更重要的是要加大最小码距,也就是要增强码组之间的差异程度。

(这段话的意思就是要搞清楚一个逻辑,增加监督位与增大最小码距,是必要而非充分关系,也就是说增加监督位不一定能增大最小码距,但增大最小码距,就必须增大监督位。这就要涉及到如何增大监督位了,只有监督位取值合理,才能增加最小码距。如果我这段话看得更让人迷惑,那就忽略吧。)

如何添加监督位才能增大最小码距呢?(奇偶校验法)

最简单的办法是无论信息位有多少,都只添加一位监督位,这一位到底该添1还是0,主要是添加后它能否使码组中的1的数目,达到要求的偶数或者奇数而定,这种编码方法叫奇偶校验法。

要求1的数目为偶数,则称为偶校验;反之,为奇校验。

比如信息“云”,用01表示,加上一个监督位并且要编码后码组中的“1”为偶数,那么这个监督位就要为“1”,编码后得到的码组为“011”。如果接收端收到了001,那么它们模2加后就会得到1,这样就可以判断出接收的码组出现了错误,从而通知发送端重新发送这个码组。

所谓的模2加,就是逢2为0,但不进1;

不过这个例子中的最小码距为2,因此只能检测出一个错误。当接收到101时,虽然我们知道是发生了两个错误,但接收端通过计算,就会得出  ,是判断不出发生了错误,因此接收端只能误判了。

同理,在奇校验中,就是无论信息位有多少,监督位只有一位,它使得码组中的1的数目为奇数,即满足如下条件:

.

奇偶校验只能检错不能纠错吗?

(这段纠错原理讲的不是太好,大致看一遍,明白个大致,最重要还是下面的具体例子)想要纠错,那就需要指出错误发生在哪个位置,而要指出错误发生在哪个位置,就需要多一些监督位来配合,在奇偶校验中,我们可以将监督码和信息码用一个关系式表达如下:

S为校正子,取值为0或1,在偶校验中,S为0正确,反之错误。

所以只有一位监督位时,只能指出码组是正确或者错误的,不能指出错误的位置。

如果增加一个监督位a1,就能建立两个关系式:

出现两个校正子,S1和S2,可能出现四种组合,表示四种不同的信息;

如果用其中一种组合表示有无错码,那么其余三种就可以用来指出一个错码的3种不同的位置;

同理,如果有r个监督关系式,则r个校正子可以指明一个错码的 个不同位置;

当校正子可以指明的错码位置数等于或大于码组长度n时,用公式表示如下:

就能够纠正码组中任何位置上的错码了。

举例说明,如何使用上述原理?

设计一个能够纠正1位错码的分组码(n,k),假设k = 4,根据上述不等式,即 ,可知 监督位 ,如果r=3,则码组长度n=k+r=7位,码组表示如下:

于是立即可得三个监督关系式:(???如何得到的,继续看下去

根据偶校验的要求,三个校验子全为0:

所以根据移位计算,根据编码方程:(这位如何移的?

可以解出监督位,这样给定信息位后,可据此直接计算监督位,便得到了编码结果。(解出监督位,这才是重点呀。好想法!)

(听了上述讲述,恐怕还是迷惑的,这三个监督关系式是怎么得到的呢?)

如果能确定监督关系式,也就能确定监督编码了,实际上,对于这几个监督关系式:

如果将模2加符号变成普通的加符号:

这就成了一个线性方程组了,因此这种编码也叫做线性分组码。

为了得到一个这样的线性方程组,人们会设法找到一个合适的生成矩阵基G,通过这个生成矩阵和给定的信息位,就可以产生整个编码码组:(在下面这个矩阵乘式中,生成矩阵基的维数为4*7,也就是k*n,即4行7列的一个矩阵!如何找到这个生成矩阵基呢?)

线性分组码都有那些应用呢?

循环码应用的比较多,循环码是重要的线性分组码,它除了具有线性分组码的一般线性外,还有循环特性,所以被称为循环码。

循环码的任何一个非全零码组位移动 i 次后,仍是一个许用码组;

下面是一个(7,3)循环码,任何一个码组移位1次,都会得到另外一个码组;比如第二码组向左移动1为就得到第三码组。

码距都为4,可以纠一个错,同时检2个错,循环码的优点在于其编码和译码手续比一般线性码简单,易于在设备上实现,且检错和纠错的能力都较强,而实际上用的较多的循环码当属循环冗余校验码了,简称CRC码,这种码不仅容易实现,而且检错能力很强,它所不能发现的错误的几率仅仅为0.0047%以下,所以在数据存储和数据通信领域,CRC码无处不在,著名的通信协议X.25采用的是CRC_CCITT,还有很多其他应用就不一一列举了。

如何生成CRC码呢?

关键是要找到一个生成多项式,有了生成多项式,就可以得到循环码的生成矩阵,而有了生成矩阵,根据前面所说的线性分组码的编码规则,就可以根据信息位得到相关的循环码组。

那生成多项式如何得到呢?

在CRC编码中,生成多项式是由CCITT制定的,如果我们要开发相关产品,可以捡现成的用,生成多项式如何求?

为了能用代数理论研究编码,通常会把码组中的各个码元当做一个多项式的系数,比如对于下面这个7位的码组,表示成码多项式就是如下:

这里的x的值是没有意义的,但它的幂表示了码元的位置,如x^6指的是第7个码元,所以码元系数对应为a6;因为是二进制编码,所以码元系数不是1就是0,对于如下码组,表示成码多项式如下:

分组编码到此结束。

(有了上述整个过程的层层讲解,以后要找个实例做做看!明确信息位长度,要纠错检错多少位,确定整个码组长度,然后根据上述过程求出监督位,这个编码就完成了。说着容易,做着也许会遇到困难,所以这里留个茬子,有时间了,一定要试试。)

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