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信道容量和编码;9.1分组码
9.1.1分组码简介
1. 线性分组码
(1)基本概念
对于(n, k)线性分组码,生成矩阵是一个k×n的矩阵。设输入的信息为m=[m1,m2,…,mk],生成的码字为v=[v1,v2,…,vn],则v=mG,其中G为生成矩阵。生成矩阵的各行向量为码字空间的基底,由于一个子空间的基底选择不是唯一的,所以生成矩阵G的选择也不是唯一的。对于生成码字中前k位与信息完全相同的码称为系统码。这样,对于系统码其生成矩阵可以表示为:
G=[Ik P]
式中:Ik表示k×k的单位矩阵;P表示一个k×(n-k)的矩阵。
; 由于(n, k)码的生成矩阵G,表示的是n维空间中的一个k维的子空间,那么一定存在一个n-k维的子空间与G表示的子空间正交,称为G行空间的零化空间。我们用一个(n-k)×n的矩阵H的行向量来表示这个零化空间。则有如下关系:
GHT=0 或 HGT=0
矩阵H称为(n, k)码的一致校验矩阵。对于系统码的生成矩阵G=[ Ik, P],一致校验矩阵H有如下形式:
H=[PT In-k];(2)伴随式与纠错
设发送的码字为V=[v1,v2,…,vn],接收的码字为R=[r1,r2,…,rn],则传输中的错误图样为E=[e1,e2,…,en],R=V+E。若E≠0,则表明传输中出现错误,因此通过在接收端检测RHT是否为零来检查是否出错,定义:
S=RHT
为伴随式,它是一个n重序列。
S=RHT=(V+E)HT=VHT+EHT=EHT
可见伴随式只与错误图样有关,而与发送的码字无关。若E=0,则S=0表明没有错误;否则S≠0,伴随式与错误图样E有一个对应关系,通过这个对应关系,由伴随式S得到错误图样E,再将接收的码字R与错误图样E相加,就可得到纠错后的正确码字。;(3)汉明距离与汉明码
线性码的纠错能力与码的最小距离有关。定义一个码字的非零分量数为汉明重量。两码字间的不同符号数定义为两码字的汉明距离。一线性码两两互异的码字构成的汉明距离中,数值最小的称为该码的最小汉明距离dmin;非零码字中,重量最小的称为该码的最小汉明重量。对于线性分组码,它的最小汉明距离等于最小汉明重量。
对于一个二进制(n, k)线性分组码,当它的最小汉明距离为d时,用于检错时它最多可以发现d-1个错误;用于纠错时它最多可以纠正(d-1)/2位错误。若d≥t+t’+1 ,其中t’t ,这时该线性码可以在纠t个错的同时发现 t’个错误。
汉明码的参数为:
码长: n=2m-1
信息位数: k=2m-m-1
其中,m为任意不小于2的整数。
一旦m给定,就可以构造出具体的(n, k)汉明码。
;2. 循环码
循环码是具有以下特点的线性分组码:任意码组的每一次循环移位(左移或右移)得到的是码中的另一码组。即若(vn-1 vn-2 … v0)为(n, k)码的码字,则(vn-2 vn-3 … v0 vn-1)也是(n, k)码的码字。通常用多项式来表示循环码,如用
V(x)=vn-1xn-1+vn-2xn-2+…+v1x+v0
来表示码组(vn-1 vn-2 … v0),称V(x)为码多项式。对于循环码,xV(x),x2V(x),…,以及循环移位的线性组合均为循环码,且这些码多项式都是模xn-1的余式。
(1)生成多项式与编码电路
从(n, k)循环码的2k个码字中,挑出一个前面k-1位均为0的n-k次码多项式;g(x)=xn-k+gn-k-1xn-k-1+…+g1x+1
则xg(x),x2g(x),…,xk-1g(x)都是码字,且这k个码字线性无关,称g(x)为码的生成多项式。它是2k个码字集合中唯一的一个次数为n-k次的多项式。
用上述k个码字作为循环码的基底,并以该基底作为构成一个矩阵G(x),即
则称G(x)为生成矩阵G的多项式,而矩阵G为生成矩阵。; 对于循环码,有以下关系:(n, k)循环码的每个码多项式都是生成多项式g(x)的倍式;能被g(x)除尽的次数不大于n-1次的的多项式必然是码多项式。此外,g(x)一定是xn-1的因子,即
xn-1=g(x)h(x)
式中,h(x)称为码的校验(监督)多项式,它由g(x)惟一决定。
循环码的编码可以用反馈移位寄存器来实现,如图所示。;(2)伴随式与译码电路
设V(x)与R(x)分别是发送和接收的码多项式,E(x)为错误多项式,则
R(x)=V(x)+E(x)
用生成多项式g(x)除R(x),得商式为q
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