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1、通信原理1通信原理第第11章差错控制编码章差错控制编码 2第11章差错控制编码l11.1 概述概述n信道分类：从差错控制角度看信道分类：从差错控制角度看u随机信道：错码的出现是随机的随机信道：错码的出现是随机的 u突发信道：错码是成串集中出现的突发信道：错码是成串集中出现的u混合信道：既存在随机错码又存在突发错码混合信道：既存在随机错码又存在突发错码 n差错控制技术的种类差错控制技术的种类u 检错重发检错重发u前向纠错前向纠错 u反馈校验反馈校验u检错删除检错删除 3第11章差错控制编码n差错控制编码：常称为差错控制编码：常称为纠错编码纠错编码u监督码元：监督码元：上述上述4种技术中除第种技术
2、中除第3种外，都是在接收种外，都是在接收端识别有无错码。所以在发送端需要在信息码元序端识别有无错码。所以在发送端需要在信息码元序列中增加一些差错控制码元，它们称为监督码元。列中增加一些差错控制码元，它们称为监督码元。u不同的编码方法，有不同的不同的编码方法，有不同的检错检错或或纠错纠错能力。能力。u多余度多余度：就是指增加的监督码元多少。例如，若编：就是指增加的监督码元多少。例如，若编码序列中平均每两个信息码元就添加一个监督码元，码序列中平均每两个信息码元就添加一个监督码元，则这种编码的多余度为则这种编码的多余度为1/3。u编码效率编码效率(简称简称码率码率)：设编码序列中信息码元数量：设编码
3、序列中信息码元数量为为k，总码元数量为，总码元数量为n，则比值，则比值k/n 就是码率。就是码率。u冗余度：冗余度：监督码元数监督码元数(n-k)和信息码元数和信息码元数 k 之比。之比。u理论上，差错控制以降低信息传输速率为代价换取理论上，差错控制以降低信息传输速率为代价换取提高传输可靠性。提高传输可靠性。4第11章差错控制编码n自动要求重发自动要求重发(ARQ)系统系统u3种种ARQ系统系统p停止等待停止等待ARQ系统系统 数据按分组发送。每发送一组数据后发送端等待接数据按分组发送。每发送一组数据后发送端等待接收端的确认收端的确认(ACK)答复，然后再发送下一组数据。答复，然后再发送下一组
4、数据。图中的第图中的第3组接收数据有误，接收端发回一个否认组接收数据有误，接收端发回一个否认(NAK)答复。这时，发送端将重发第答复。这时，发送端将重发第3组数据。组数据。系统是工作在半双工状态，时间没有得到充分利用，系统是工作在半双工状态，时间没有得到充分利用，传输效率较低。传输效率较低。接收码组ACKACKNAKACKACKNAKACKt1233455发送码组12334556t有错码组有错码组5第11章差错控制编码p拉后拉后ARQ系统系统发送端连续发送数据组，接收端对于每个接收到的数发送端连续发送数据组，接收端对于每个接收到的数据组都发回据组都发回确认确认(ACK)或或否认否认(NAK)答
5、复。答复。例如，图中第例如，图中第5组接收数据有误，则在发送端收到第组接收数据有误，则在发送端收到第5组接收的否认答复后，从第组接收的否认答复后，从第5组开始重发数据组。组开始重发数据组。在这种系统中需要对发送的数据组和答复进行编号，在这种系统中需要对发送的数据组和答复进行编号，以便识别。显然，这种系统需要双工信道以便识别。显然，这种系统需要双工信道 接收数据有错码组有错码组910 1110 1112214365798576ACK1NAK5NAK9ACK5发送数据576952143679810 1110 11 12重发码组重发码组6第11章差错控制编码p选择重发选择重发ARQ系统系统它只重发出
6、错的数据组，因此进一步提高了传输效率。它只重发出错的数据组，因此进一步提高了传输效率。接收数据有错码组有错码组9214365759810 11131412发送数据995852143671011131412重发码组重发码组NAK9ACK1NAK5ACK5ACK97第11章差错控制编码uARQ的主要优点：和前向纠错方法相比的主要优点：和前向纠错方法相比p监督码元较少即能使误码率降到很低，即码率较高；监督码元较少即能使误码率降到很低，即码率较高；p检错的计算复杂度较低；检错的计算复杂度较低；p检错用的编码方法和加性干扰的统计特性基本无关，检错用的编码方法和加性干扰的统计特性基本无关，能适应不同特性的
7、信道。能适应不同特性的信道。uARQ的主要缺点：的主要缺点：p需要双向信道来重发，不能用于单向信道，也不能用需要双向信道来重发，不能用于单向信道，也不能用于一点到多点的通信系统。于一点到多点的通信系统。p因为重发而使因为重发而使ARQ系统的传输效率降低。系统的传输效率降低。p在信道干扰严重时，可能发生因不断反复重发而造成在信道干扰严重时，可能发生因不断反复重发而造成事实上的通信中断。事实上的通信中断。p在要求实时通信的场合，例如电话通信，往往不允许在要求实时通信的场合，例如电话通信，往往不允许使用使用ARQ法。法。8第11章差错控制编码uARQ系统的原理方框图系统的原理方框图p在发送端，输入的
8、信息码元在编码器中被分组编码（加入在发送端，输入的信息码元在编码器中被分组编码（加入监督码元）后，除了立即发送外，还暂存于缓冲存储器中。监督码元）后，除了立即发送外，还暂存于缓冲存储器中。若接收端解码器检出错码，则由解码器控制产生一个重发若接收端解码器检出错码，则由解码器控制产生一个重发指令。此指令经过反向信道送到发送端。由发送端重发控指令。此指令经过反向信道送到发送端。由发送端重发控制器控制缓冲存储器重发一次。制器控制缓冲存储器重发一次。p接收端仅当解码器认为接收信息码元正确时，才将信息码接收端仅当解码器认为接收信息码元正确时，才将信息码元送给收信者，否则在输出缓冲存储器中删除接收码元。元送
9、给收信者，否则在输出缓冲存储器中删除接收码元。p当解码器未发现错码时，经过反向信道发出不需重发指令。当解码器未发现错码时，经过反向信道发出不需重发指令。发送端收到此指令后，即继续发送后一码组，发送端的缓发送端收到此指令后，即继续发送后一码组，发送端的缓冲存储器中的内容也随之更新。冲存储器中的内容也随之更新。9第11章差错控制编码l11.2 纠错编码的基本原理纠错编码的基本原理n分组码基本原理：举例说明如下。分组码基本原理：举例说明如下。u设有一种由设有一种由3位二进制数字构成的码组，它共有位二进制数字构成的码组，它共有8种不同种不同的可能组合。若将其全部用来表示天气，则可以表示的可能组合。若将
10、其全部用来表示天气，则可以表示8种种不同天气，不同天气，例如：例如：“000”（晴），（晴），“001”（云），（云），“010”（阴），（阴），“011”（雨），（雨），“100”（雪），（雪），“101”（霜），（霜），“110”（雾），（雾），“111”（雹）。（雹）。u其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变其中任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成另一个信息码组。这时，接收端将无法发现错误。成另一个信息码组。这时，接收端将无法发现错误。10第11章差错控制编码u若在上述若在上述8种码组中只准许使用种码组中只准许使用4种来传送天气，例如：种来传送天气，例如：“000”晴
11、晴 “011”云云 “101”阴阴 “110”雨雨p这时，虽然只能传送这时，虽然只能传送4种不同的天气，但是接收端却种不同的天气，但是接收端却有可能发现码组中的一个错码。有可能发现码组中的一个错码。p例如，若例如，若“000”（晴）中错了一位，则接收码组将（晴）中错了一位，则接收码组将变成变成“100”或或“010”或或“001”。这。这3种码组都是不种码组都是不准使用的，称为准使用的，称为禁用码组禁用码组。p接收端在收到禁用码组时，就认为发现了错码。当发接收端在收到禁用码组时，就认为发现了错码。当发生生3个错码时，个错码时，“000”变成了变成了“111”，它也是禁用，它也是禁用码组，故这种
12、编码也能检测码组，故这种编码也能检测3个错码。个错码。p但是这种码不能发现一个码组中的两个错码，因为发但是这种码不能发现一个码组中的两个错码，因为发生两个错码后产生的是生两个错码后产生的是许用码组许用码组。11第11章差错控制编码u检错和纠错检错和纠错p上面这种编码只能检测错码，不能纠正错码。例如，当接上面这种编码只能检测错码，不能纠正错码。例如，当接收码组为禁用码组收码组为禁用码组“100”时，接收端将无法判断是哪一时，接收端将无法判断是哪一位码发生了错误，因为晴、阴、雨三者错了一位都可以变位码发生了错误，因为晴、阴、雨三者错了一位都可以变成成“100”。p要能够纠正错误，还要增加多余度。例
13、如，若规定许用码要能够纠正错误，还要增加多余度。例如，若规定许用码组只有两个：组只有两个：“000”（晴），（晴），“111”（雨），其他都是（雨），其他都是禁用码组，则能够检测两个以下错码，或能够纠正一个错禁用码组，则能够检测两个以下错码，或能够纠正一个错码。码。p例如，当收到禁用码组例如，当收到禁用码组“100”时，若当作仅有一个错码，时，若当作仅有一个错码，则可以判断此错码发生在则可以判断此错码发生在“1”位，从而纠正为位，从而纠正为“000”（晴）。因为（晴）。因为“111”（雨）发生任何一位错码时都不会（雨）发生任何一位错码时都不会变成变成“100”这种形式。这种形式。p但是，这时若
14、假定错码数不超过两个，则存在两种可能性：但是，这时若假定错码数不超过两个，则存在两种可能性：“000”错一位和错一位和“111”错两位都可能变成错两位都可能变成“100”，因，因而只能检测出存在错码而无法纠正错码。而只能检测出存在错码而无法纠正错码。12第11章差错控制编码u分组码的结构分组码的结构p将信息码分组，为每组信息码附加若干监督码的编码称将信息码分组，为每组信息码附加若干监督码的编码称为为分组码分组码。p在分组码中，监督码元仅监督本码组中的信息码元。在分组码中，监督码元仅监督本码组中的信息码元。p信息位和监督位的关系：举例如下信息位和监督位的关系：举例如下信息位监督位晴000云011
15、阴101雨11013第11章差错控制编码p分组码的一般结构分组码的一般结构u分组码的符号：分组码的符号：(n,k)pN 码组的总位数，又称为码组的长度（码长），码组的总位数，又称为码组的长度（码长），pk 码组中信息码元的数目，码组中信息码元的数目，pn k r 码组中的监督码元数目，或称监督位数目。码组中的监督码元数目，或称监督位数目。14第11章差错控制编码u分组码的码重和码距分组码的码重和码距p码重：把码组中码重：把码组中“1”的个数目称为码组的重量，简称的个数目称为码组的重量，简称码码重重。p码距：把两个码组中对应位上数字不同的位数称为码组的码距：把两个码组中对应位上数字不同的位数称为
16、码组的距离，简称距离，简称码距码距。码距又称。码距又称汉明距离汉明距离。p例如，例如，“000”晴，晴，“011”云，云，“101”阴，阴，“110”雨，雨，4个码组之间，任意两个的距离均为个码组之间，任意两个的距离均为2。p最小码距：把某种编码中各个码组之间距离的最小值称为最小码距：把某种编码中各个码组之间距离的最小值称为最小码距最小码距(d0)。例如，上面的编码的最小码距。例如，上面的编码的最小码距d0=2。15第11章差错控制编码u码距的几何意义码距的几何意义p对于对于3位的编码组，可以在位的编码组，可以在3维空间中说明码距的几何意义。维空间中说明码距的几何意义。p每个码组的每个码组的3
17、个码元的值个码元的值(a1,a2,a3)就是此立方体各顶点的坐就是此立方体各顶点的坐标。而上述码距概念在此图中就对应于各顶点之间沿立方体标。而上述码距概念在此图中就对应于各顶点之间沿立方体各边行走的几何距离。各边行走的几何距离。p由此图可以直观看出，上例中由此图可以直观看出，上例中4个准用码组之间的距离均为个准用码组之间的距离均为2。(0,0,0)(0,0,1)(1,0,1)(1,0,0)(1,1,0)(0,1,0)(0,1,1)(1,1,1)a2a0a116第11章差错控制编码u码距和检纠错能力的关系码距和检纠错能力的关系p一种编码的最小码距一种编码的最小码距d0的大小直接关系着这种编码的检
18、错的大小直接关系着这种编码的检错和纠错能力和纠错能力p为检测为检测e个错码，要求最小码距个错码，要求最小码距 d0 e+1【证证】设一个码组设一个码组A位于位于O点。若码组点。若码组A中发生一个错码，中发生一个错码，则我们可以认为则我们可以认为A的位置将移动至以的位置将移动至以O点为圆心，以点为圆心，以1为半为半径的圆上某点，但其位置不会超出此圆。径的圆上某点，但其位置不会超出此圆。若码组若码组A中发生两位错码，则其位置不会超出以中发生两位错码，则其位置不会超出以O点为圆点为圆心，以心，以2为半径的圆。因此，只要最小码距不小于为半径的圆。因此，只要最小码距不小于3，码组，码组A发生两位以下错码
19、时，发生两位以下错码时，不可能变成另一个准用不可能变成另一个准用码组，因而能检测错码码组，因而能检测错码的位数等于的位数等于2。0123BA汉明距离ed017第11章差错控制编码同理，若一种编码的最小码距为同理，若一种编码的最小码距为d0，则将能检测，则将能检测(d0-1)个错个错码。反之，若要求检测码。反之，若要求检测e个错码，则最小码距个错码，则最小码距d0至少应不小于至少应不小于(e+1)。p为了纠正为了纠正t个错码，要求最小码距个错码，要求最小码距d0 2t+1【证证】图中画出码组图中画出码组A和和B的距离为的距离为5。码组。码组A或或B若发生不多于若发生不多于两位错码，则其位置均不会
20、超出半径为两位错码，则其位置均不会超出半径为2以原位置为圆心的以原位置为圆心的圆。这两个圆是不重叠的。判决规则为：若接收码组落于以圆。这两个圆是不重叠的。判决规则为：若接收码组落于以A为圆心的圆上就判决收到的是码组为圆心的圆上就判决收到的是码组A，若落于以，若落于以B为圆心的为圆心的圆上就判决为码组圆上就判决为码组B。这样，就能够纠这样，就能够纠正两位错码。正两位错码。BtA汉明距离012345td018第11章差错控制编码若这种编码中除码组若这种编码中除码组A和和B外，还有许多种不同码组，但任两外，还有许多种不同码组，但任两码组之间的码距均不小于码组之间的码距均不小于5，则以各码组的位置为中
21、心以，则以各码组的位置为中心以2为为半径画出之圆都不会互相重叠。这样，每种码组如果发生不半径画出之圆都不会互相重叠。这样，每种码组如果发生不超过两位错码都将能被纠正。因此，当最小码距超过两位错码都将能被纠正。因此，当最小码距d05时，能时，能够纠正够纠正2个错码，且最多能纠正个错码，且最多能纠正2个。若错码达到个。若错码达到3个，就将个，就将落入另一圆上，从而发生错判。故一般说来，为纠正落入另一圆上，从而发生错判。故一般说来，为纠正t个错码，个错码，最小码距应不小于最小码距应不小于(2t+1)。19第11章差错控制编码p为纠正为纠正t个错码，同时检测个错码，同时检测e个错码，要求最小码距个错码
22、，要求最小码距在解释此式之前，先来分析下图所示的例子。图中码组在解释此式之前，先来分析下图所示的例子。图中码组A和和B之间距离为之间距离为5。按照检错能力公式，最多能检测。按照检错能力公式，最多能检测4个错码，即个错码，即e=d0 1=5 1=4，按照纠错能力公式纠错时，能纠正，按照纠错能力公式纠错时，能纠正2个个错码。但是，不能同时作到两者，因为当错码位数超过纠错错码。但是，不能同时作到两者，因为当错码位数超过纠错能力时，该码组立即进入另一码组的圆内而被错误地能力时，该码组立即进入另一码组的圆内而被错误地“纠正纠正”了。例如，码组了。例如，码组A若错了若错了3位，就会被误认为码组位，就会被误
23、认为码组B错了错了2位位造成的结果，从而被造成的结果，从而被错错“纠纠”为为B。这就。这就是说，检错和纠错是说，检错和纠错公式不能同时成立公式不能同时成立或同时运用。或同时运用。BtA汉明距离012345td020第11章差错控制编码所以，为了在可以纠正所以，为了在可以纠正t个错码的同时，能够检测个错码的同时，能够检测e个错码，个错码，就需要像下图所示那样，使某一码组（譬如码组就需要像下图所示那样，使某一码组（譬如码组A）发生）发生e个错误之后所处的位置，与其他码组（譬如码组个错误之后所处的位置，与其他码组（譬如码组B）的纠）的纠错圆圈至少距离等于错圆圈至少距离等于1，不然将落在该纠错圆上从而
24、发生，不然将落在该纠错圆上从而发生错误地错误地“纠正纠正”。因此，由此图可以直观看出，要求最小。因此，由此图可以直观看出，要求最小码距码距这种纠错和检错结合的工作方式简称这种纠错和检错结合的工作方式简称纠检结合纠检结合。ABe1tt汉明距离21第11章差错控制编码这种工作方式是自动在纠错和检错之间转换的。当错码数量这种工作方式是自动在纠错和检错之间转换的。当错码数量少时，系统按前向纠错方式工作，以节省重发时间，提高传少时，系统按前向纠错方式工作，以节省重发时间，提高传输效率；当错码数量多时，系统按反馈重发方式纠错，以降输效率；当错码数量多时，系统按反馈重发方式纠错，以降低系统的总误码率。所以，
25、它适用于大多数时间中错码数量低系统的总误码率。所以，它适用于大多数时间中错码数量很少，少数时间中错码数量多的情况。很少，少数时间中错码数量多的情况。22第11章差错控制编码l11.3 纠错编码的性能纠错编码的性能n系统带宽和信噪比的矛盾：系统带宽和信噪比的矛盾：u由上节所述的纠错编码原理可知，为了减少接收错误码由上节所述的纠错编码原理可知，为了减少接收错误码元数量，需要在发送信息码元序列中加入监督码元。这元数量，需要在发送信息码元序列中加入监督码元。这样作的结果使发送序列增长，冗余度增大。若仍须保持样作的结果使发送序列增长，冗余度增大。若仍须保持发送信息码元速率不变，则传输速率必须增大，因而增
26、发送信息码元速率不变，则传输速率必须增大，因而增大了系统带宽。系统带宽的增大将引起系统中噪声功率大了系统带宽。系统带宽的增大将引起系统中噪声功率增大，使信噪比下降。信噪比的下降反而又使系统接收增大，使信噪比下降。信噪比的下降反而又使系统接收码元序列中的错码增多。一般说来，采用纠错编码后，码元序列中的错码增多。一般说来，采用纠错编码后，误码率总是能够得到很大改善的。改善的程度和所用的误码率总是能够得到很大改善的。改善的程度和所用的编码有关。编码有关。23第11章差错控制编码u编码性能举例编码性能举例p未采用纠错编码时，未采用纠错编码时，若接收信噪比等于若接收信噪比等于7dB，编码前误码率，编码前
27、误码率约为约为8 10-4，图中，图中A点，在采用纠错编码点，在采用纠错编码后，误码率降至约后，误码率降至约4 10-5，图中，图中B点。这样，点。这样，不增大发送功率不增大发送功率 就能就能降低误码率约一个半降低误码率约一个半数量级。数量级。10-610-510-410-310-210-1编码后PeCDEAB信噪比(dB)24第11章差错控制编码p由图还可以看出，若由图还可以看出，若保持误码率在保持误码率在10-5，图中图中C点，未采用编点，未采用编码时，约需要信噪比码时，约需要信噪比Eb/n0=10.5 dB。在。在采用这种编码时，约采用这种编码时，约需要信噪比需要信噪比7.5 dB，图，
28、图中中D点。可以节省功率点。可以节省功率2 dB。通常称这。通常称这2 dB为为编码增益编码增益。p上面两种情况付出的代上面两种情况付出的代价是带宽增大。价是带宽增大。10-610-510-410-310-210-1编码后PeCDEAB信噪比(dB)25第11章差错控制编码p传输速率和传输速率和Eb/n0的关系的关系对于给定的传输系统对于给定的传输系统式中，式中，RB为码元速率。为码元速率。若希望提高传输速率，若希望提高传输速率，由上式看出势必使信由上式看出势必使信噪比下降，误码率增噪比下降，误码率增大。假设系统原来工作大。假设系统原来工作在图中在图中C点，提高速率后点，提高速率后由由C点升到
29、点升到E点。但加用点。但加用纠错编码后，仍可将误码纠错编码后，仍可将误码率降到率降到D点。这时付出的点。这时付出的代价仍是带宽增大。代价仍是带宽增大。10-610-510-410-310-210-1编码后PeCDEAB信噪比(dB)26第11章差错控制编码l11.4简单的实用编码简单的实用编码n11.4.1 奇偶监督码奇偶监督码u奇偶监督码分为奇数监督码和偶数监督码两种，两者的奇偶监督码分为奇数监督码和偶数监督码两种，两者的原理相同。在偶数监督码中，无论信息位多少，监督位原理相同。在偶数监督码中，无论信息位多少，监督位只有只有1位，它使码组中位，它使码组中“1”的数目为偶数，即满足下式的数目为
30、偶数，即满足下式条件：条件：式中式中a0为监督位，其他位为信息位。为监督位，其他位为信息位。这种编码能够检测奇数个错码。在接收端，按照上式求这种编码能够检测奇数个错码。在接收端，按照上式求“模模2和和”，若计算结果为，若计算结果为“1”就说明存在错码，结果就说明存在错码，结果为为“0”就认为无错码。就认为无错码。奇数监督码与偶数监督码相似，只不过其码组中奇数监督码与偶数监督码相似，只不过其码组中“1”的的数目为奇数：数目为奇数：27第11章差错控制编码n11.4.2 二维奇偶监督码（方阵码）二维奇偶监督码（方阵码）u二维奇偶监督码的构成二维奇偶监督码的构成它是先把上述奇偶监督码的若干码组排成矩
31、阵，每一码组写它是先把上述奇偶监督码的若干码组排成矩阵，每一码组写成一行，然后再按列的方向增加第二维监督位，如下图所示成一行，然后再按列的方向增加第二维监督位，如下图所示图中图中a01 a02 a0m为为m行奇偶监督码中的行奇偶监督码中的m个监督位。个监督位。cn-1 cn-2 c1 c0为按列进行第二次编码所增加的监督位，它为按列进行第二次编码所增加的监督位，它们构成了一监督位行。们构成了一监督位行。28第11章差错控制编码u二维奇偶监督码的性能二维奇偶监督码的性能p这种编码有可能检测偶数个错码。因为每行的监督位虽然这种编码有可能检测偶数个错码。因为每行的监督位虽然不能用于检测本行中的偶数个
32、错码，但按列的方向有可能不能用于检测本行中的偶数个错码，但按列的方向有可能由由cn-1 cn-2 c1 c0等监督位检测出来。有一些偶数错码不等监督位检测出来。有一些偶数错码不可能检测出来。例如，构成矩形的可能检测出来。例如，构成矩形的4个错码，譬如图中个错码，譬如图中错了，就检测不出。错了，就检测不出。p这种二维奇偶监督码适于检测突发错码。因为突发错码常这种二维奇偶监督码适于检测突发错码。因为突发错码常常成串出现，随后有较长一段无错区间。常成串出现，随后有较长一段无错区间。p由于方阵码只对构成矩形四角的错码无法检测，故其检错由于方阵码只对构成矩形四角的错码无法检测，故其检错能力较强。能力较强
33、。p二维奇偶监督码不仅可用来检错，还可以用来纠正一些错二维奇偶监督码不仅可用来检错，还可以用来纠正一些错码。码。例如，仅在一行中有奇数个错码时。例如，仅在一行中有奇数个错码时。29第11章差错控制编码n 11.4.3 恒比码恒比码u在恒比码中，每个码组均含有相同数目的在恒比码中，每个码组均含有相同数目的“1”（和（和“0”）。由于）。由于“1”的数目与的数目与“0”的数目之比保持恒的数目之比保持恒定，故得此名。定，故得此名。u这种码在检测时，只要计算接收码组中这种码在检测时，只要计算接收码组中“1”的数目是的数目是否对，就知道有无错码。否对，就知道有无错码。u恒比码的主要优点是简单和适于用来传
34、输电传机或其恒比码的主要优点是简单和适于用来传输电传机或其他键盘设备产生的字母和符号。对于信源来的二进制他键盘设备产生的字母和符号。对于信源来的二进制随机数字序列，这种码就不适合使用了。随机数字序列，这种码就不适合使用了。30第11章差错控制编码n11.4.4 正反码正反码u正反码的编码：正反码的编码：p它是一种简单的能够纠正错码的编码。其中的监督位数它是一种简单的能够纠正错码的编码。其中的监督位数目与信息位数目相同，监督码元与信息码元相同或者相目与信息位数目相同，监督码元与信息码元相同或者相反则由信息码中反则由信息码中“1”的个数而定。的个数而定。p例如，若码长例如，若码长n=10，其中信息
35、位，其中信息位 k=5，监督位，监督位 r=5。其编码规则为：其编码规则为：当信息位中有奇数个当信息位中有奇数个“1”时，监督位是信息位的简时，监督位是信息位的简单重复；单重复；当信息位有偶数个当信息位有偶数个“1”时，监督位是信息位的反码。时，监督位是信息位的反码。例如，若信息位为例如，若信息位为11001，则码组为，则码组为1100111001；若；若信息位为信息位为10001，则码组为，则码组为1000101110。31第11章差错控制编码u正反码的解码正反码的解码p在上例中，先将接收码组中信息位和监督位按模在上例中，先将接收码组中信息位和监督位按模 2 相加，相加，得到一个得到一个5位
36、的合成码组。然后，由此合成码组产生一个位的合成码组。然后，由此合成码组产生一个校验码组。校验码组。p若接收码组的信息位中有奇数个若接收码组的信息位中有奇数个“1”，则合成码组就是，则合成码组就是校验码组；若接收码组的信息位中有偶数个校验码组；若接收码组的信息位中有偶数个“1”，则取，则取合成码组的反码作为校验码组。合成码组的反码作为校验码组。p最后，观察校验码组中最后，观察校验码组中“1”的个数，按下表进行判决及的个数，按下表进行判决及纠正可能发现的错码。纠正可能发现的错码。32第11章差错控制编码p校验码组和错码的关系校验码组和错码的关系 例如，若发送码组为例如，若发送码组为11001110
37、01，接收码组中无错码，则，接收码组中无错码，则合成码组应为合成码组应为11001 11001=00000。由于接收码组信息。由于接收码组信息位中有奇数个位中有奇数个“1”，所以校验码组就是，所以校验码组就是00000。按上表。按上表判决，结论是无错码。判决，结论是无错码。校验码组的组成错码情况1全为“0”无错码2有4个“1”和1个“0”信息码中有1位错码，其位置对应校验码组中“0”的位置3有4个“0”和1个“1”监督码中有1位错码，其位置对应校验码组中“1”的位置4其他组成错码多于1个33第11章差错控制编码若传输中产生了差错，使接收码组变成若传输中产生了差错，使接收码组变成10001110
38、01，则合成，则合成码组为码组为10001 1100101000。由于接收码组中信息位有偶数。由于接收码组中信息位有偶数个个“1”，所以校验码组应取合成码组的反码，即，所以校验码组应取合成码组的反码，即10111。由。由于其中有于其中有4个个“1”和和1个个“0”，按上表判断信息位中左边第，按上表判断信息位中左边第2位为错码。位为错码。若接收码组错成若接收码组错成1100101001，则合成码组变成，则合成码组变成11001 0100110000。由于接收码组中信息位有奇数个。由于接收码组中信息位有奇数个“1”，故校验码，故校验码组就是组就是10000，按上表判断，监督位中第，按上表判断，监督
39、位中第1位为错码。位为错码。最后，若接收码组为最后，若接收码组为1001111001，则合成码组为，则合成码组为10011 1100101010，校验码组与其相同，按上表判断，这，校验码组与其相同，按上表判断，这时错码多于时错码多于1个。个。p上述长度为上述长度为10的正反码具有纠正的正反码具有纠正1位错码的能力，并能检测位错码的能力，并能检测全部全部2位以下的错码和大部分位以下的错码和大部分2位以上的错码。位以上的错码。34第11章差错控制编码l11.5 线性分组码线性分组码n基本概念基本概念u代数码代数码：建立在代数学基础上的编码。建立在代数学基础上的编码。u线性码线性码：按照一组线性方程
40、构成的代数码。在线性：按照一组线性方程构成的代数码。在线性码中信息位和监督位是由一些线性代数方程联系着码中信息位和监督位是由一些线性代数方程联系着的。的。u线性分组码线性分组码：按照一组线性方程构成的分组码：按照一组线性方程构成的分组码。本节将以汉明码为例引入线性分组码的一般原理。本节将以汉明码为例引入线性分组码的一般原理。35第11章差错控制编码n汉明码汉明码能够纠正能够纠正1位错码且编码效率较高的一种线性分组码位错码且编码效率较高的一种线性分组码u汉明码的构造原理。汉明码的构造原理。p在偶数监督码中，由于使用了一位监督位在偶数监督码中，由于使用了一位监督位a0，它和信息，它和信息位位an-
41、1 a1一起构成一个代数式：一起构成一个代数式：在接收端解码时，实际上就是在计算在接收端解码时，实际上就是在计算若若S=0，就认为无错码；若，就认为无错码；若S=1，就认为有错码。现，就认为有错码。现将上式称为将上式称为监督关系式监督关系式，S称为称为校正子校正子。由于校正子。由于校正子S只只有两种取值，故它只能代表有错和无错这两种信息，而有两种取值，故它只能代表有错和无错这两种信息，而不能指出错码的位置。不能指出错码的位置。36第11章差错控制编码p若监督位增加一位，即变成两位，则能增加一个类似的监督若监督位增加一位，即变成两位，则能增加一个类似的监督关系式。由于两个校正子的可能值有关系式。
42、由于两个校正子的可能值有4中组合：中组合：00，01，10，11，故能表示，故能表示4种不同的信息。若用其中种不同的信息。若用其中1种组合表示无错，种组合表示无错，则其余则其余3种组合就有可能用来指示一个错码的种组合就有可能用来指示一个错码的3种不同位置。种不同位置。同理，同理，r个监督关系式能指示个监督关系式能指示1位错码的位错码的(2r 1)个可能位置。个可能位置。p一般来说，若码长为一般来说，若码长为n，信息位数为，信息位数为k，则监督位数，则监督位数rnk。如果希望用。如果希望用r个监督位构造出个监督位构造出r个监督关系式来指示个监督关系式来指示1位错码位错码的的n种可能位置，则要求种
43、可能位置，则要求下面通过一个例子来说明如何具体构造这些监督关系式。下面通过一个例子来说明如何具体构造这些监督关系式。37第11章差错控制编码p例：设例：设分组码分组码(n,k)中中k=4，为了纠正，为了纠正1位错码，由上式可知，位错码，由上式可知，要求监督位数要求监督位数 r 3。若取。若取 r=3，则，则n=k+r=7。我们用。我们用a6 a5 a0表示这表示这7个码元，用个码元，用S1、S2和和S3表示表示3个监督关系式中个监督关系式中的校正子，则的校正子，则S1、S2和和S3的值与错码位置的对应关系可以规的值与错码位置的对应关系可以规定如下表所列：定如下表所列：S1 S2 S3错码位置S
44、1 S2 S3错码位置001a0101a4010a1110a5100a2111a6011a3000无错码38第11章差错控制编码由表中规定可见，仅当一位错码的位置在由表中规定可见，仅当一位错码的位置在a2、a4、a5或或a6时，时，校正子校正子S1为为1；否则；否则S1为零。这就意味着为零。这就意味着a2、a4、a5和和a6四个四个码元构成偶数监督关系：码元构成偶数监督关系：同理，同理，a1、a3、a5和和a6构成偶数监督关系：构成偶数监督关系：以及以及a0、a3、a4 和和a6构成偶数监督关系构成偶数监督关系39第11章差错控制编码在发送端编码时，信息位在发送端编码时，信息位a6、a5、a4
45、和和a3的值决定于输入的值决定于输入信号，因此它们是随机的。监督位信号，因此它们是随机的。监督位a2、a1和和a0应根据信息应根据信息位的取值按监督关系来确定，即监督位应使上位的取值按监督关系来确定，即监督位应使上3式中式中S1、S2和和S3的值为的值为0（表示编成的码组中应无错码）：（表示编成的码组中应无错码）：上式经过移项运算，解出监督位上式经过移项运算，解出监督位给定信息位后，可以直接按上式算出监督位，给定信息位后，可以直接按上式算出监督位，结果见下表：结果见下表：40第11章差错控制编码信息位a6 a5 a4 a3监督位a2 a1 a0信息位a6 a5 a4 a3监督位a2 a1 a0
46、000000010001110001011100110000101011010010001111010110010100110110000101011011101010011001111101000111000111111141第11章差错控制编码接收端收到每个码组后，先计算出接收端收到每个码组后，先计算出S1、S2和和S3，再查表，再查表判断错码情况。例如，若接收码组为判断错码情况。例如，若接收码组为0000011，按上述公，按上述公式计算可得：式计算可得：S1=0，S2=1，S3=1。由于。由于S1 S2 S3 等于等于011，故查表可知在，故查表可知在a3位有位有1错码。错码。p按照上述
47、方法构造的码称为汉明码。表中所列的按照上述方法构造的码称为汉明码。表中所列的(7,4)汉明码汉明码的最小码距的最小码距d0=3。因此，这种码能够纠正。因此，这种码能够纠正1个错码或检测个错码或检测2个错码。由于码率个错码。由于码率k/n=(n-r)/n=1 r/n，故当，故当n很大和很大和r很很小时，码率接近小时，码率接近1。可见，汉明码是一种高效码。可见，汉明码是一种高效码。42第11章差错控制编码n线性分组码的一般原理线性分组码的一般原理u线性分组码的构造线性分组码的构造pH矩阵矩阵上面上面(7,4)汉明码的例子有汉明码的例子有现在将上面它改写为现在将上面它改写为上式中已经将上式中已经将“
48、”简写成简写成“+”。43第11章差错控制编码上式可以表示成如下矩阵形式：上式可以表示成如下矩阵形式：上式还可以简记为上式还可以简记为H AT=0T 或或A HT=044第11章差错控制编码H AT=0T 或或A HT=0式中式中 A=a6 a5 a4 a3 a2 a1 a00=000右上标右上标“T”表示将矩阵转置。例如，表示将矩阵转置。例如，HT是是H的转置，即的转置，即HT的第一行为的第一行为H的第一列，的第一列，HT的第二行为的第二行为H的第二列等等。的第二列等等。将将H称为称为监督矩阵监督矩阵。只要监督矩阵只要监督矩阵H给定，编码时监督位和信息位的关系就完全给定，编码时监督位和信息位
49、的关系就完全确定了。确定了。45第11章差错控制编码H矩阵的性质：矩阵的性质：1)H的行数就是监督关系式的数目，它等于监督位的数的行数就是监督关系式的数目，它等于监督位的数目目r。H的每行中的每行中“1”的位置表示相应码元之间存在的监的位置表示相应码元之间存在的监督关系。例如，督关系。例如，H的第一行的第一行1110100表示监督位表示监督位a2是由是由a6 a5 a4之和决定的。之和决定的。H矩阵可以分成两部分，例如矩阵可以分成两部分，例如 式中，式中，P为为r k阶矩阵，阶矩阵，Ir为为r r阶单位方阵。我们将具阶单位方阵。我们将具有有P Ir形式的形式的H矩阵称为矩阵称为典型阵典型阵。4
50、6第11章差错控制编码2)由代数理论可知，由代数理论可知，H矩阵的各行应该是线性无关的，矩阵的各行应该是线性无关的，否则将得不到否则将得不到 r个线性无关的监督关系式，从而也得不到个线性无关的监督关系式，从而也得不到 r个独立的监督位。若一矩阵能写成典型阵形式个独立的监督位。若一矩阵能写成典型阵形式P Ir，则，则其各行一定是线性无关的。因为容易验证其各行一定是线性无关的。因为容易验证Ir的各行是线的各行是线性无关的，故性无关的，故P Ir的各行也是线性无关的。的各行也是线性无关的。pG矩阵：矩阵：上面汉明码例子中的监督位公式为上面汉明码例子中的监督位公式为 也可以改写成矩阵形式：也可以改写成