第二节纠错编码原理

第二节纠错编码原理一、纠错编码的原理一般来讲，信源发出的消息均可用二进制信号来表示。例如，要传送的消息为A和B，则我们可以用1表示A，0表示B。在信道传输后产生了误码，0错为1，或1错为0，但接收端却无法判断这种错误，因此这种码没有任何抗干扰能力。如果在0或1的后面加上一位监督位（也称校验位），如以00表示A，11表示B。长度为2的二进制序列共有2=4种组合，即00、01、10、11。00和11是从这四种组合中选出来的，称其为许用码组，01、10为禁用码。当干扰只使其中一位发生错误，例如00变成了01或10，接收端的译码器就认为是错码，但这时接收端不能判断是哪一位发生了错误，因为信息码11也可能变为01或10，因而不能自动纠错。如果在传输中两位码发生了错误，例如由00变成了11，译码器会将它判为B，造成差错，所以这种1位信息位，一位监督位的编码方式，只能发现一位错误码。按照这种思路，使码的长度再增加，用000表示A，111表示B，这样势必会增强码的抗干扰能力。长度为3的二进制序列，共有8中组合：000、001、010、011、100、101、110、111。这8种组合中有三种编码方案：第一种是把8种组合都作为码字，可以表示8种不同的信息，显然，这种编码在传输中若发生一位或多位错误时，都使一个许用码组变成另一个许用码组，因而接收端无法发现错误，这种编码方案没有抗干扰能力；第二种方案是只选四种组合作为信息码字来传送信息，例如：000、011、101、110，其他4种组合作为禁用码，虽然只能传送4种不同的信息，但接收端有可能发现码组中的一位错误。例如，若000中错了一位，变为100，或001或010，而这3种码为禁用码组。接收端收到禁用码组时，就认为发现了错码，但不能确定错码的位置，若想能纠正错误就还要增加码的长度。第三种方案中规定许用码组为000和111两个，这时能检测两位以下的错误，或能纠正一位错码。例如，在收到禁用码组100时，若当作仅有一位错码，则可判断出该错码发生在“1”的位置，从而纠正为000，即这种编码可以纠正一位差错。但若假定错码数不超出两位，则存在两种可能性，000错一位及111错两位都可能变为100，因而只能检错而不能纠错。从上面的例子可以得到关于“分组码”的一般概念。如果不要求检错或纠错，为了传输两种不同的信息，只用1位码就够了，我们把代表所传信息的这位码称为信息位。若使用了2位码或3位码，多增加的码位数称为监督位。我们把每组信息码附加若干监督码的编码称为分组码。在分组码中，监督码元仅监督本码组中的信息码元。2图8-2分组码的结构其中k是每组码中信息码元的数目，n是码组的总位数，分组码一般用符号(n,k)表示，又称为码组的长度（码长），nk=r为每码组中的监督码元数目，或称为监督位数目。通常将分组码规定为如图8-2所示的结构，图中前面k位(an1,an2,...,ar)为信息位，后面附加r个监督位(ar1,...,a0)，此码又称为系统码。二、差错控制编码的基本概念1、编码效率设编码后的码组长度、码组中所含信息码元以及监督码元的个数分别为n,k和r，三者之间满足n=k+r，编码效率R=k/n=1r/n。R越大，说明信息位所占的比重越大，码组传输信息的有效性越高。所以，R说明了分组码传输信息的有效性。2、编码分类①根据已编码组中信息码元与监督码元之间的函数关系，可分为线性码和非线性码。若监督码元与信息码元之间的关系呈线性，即满足一组线性方程式，称为线性码。②根据信息码元与监督码元之间的约束方式不同，可分为分组码和卷积码。分组码的监督码元仅与本码组的信息码元有关；卷积码的监督码元不仅与本码组的信息码元有关，而且与前面码组的信息码元有约束关系。③根据编码后信息码元是否保持原来的形式，可分为系统码和非系统码。在系统码中，编码后的信息码元保持原样，而非系统码中的信息码元则改变了原来的信号形式。④根据编码的不同功能，可分为检错码和纠错码。⑤根据纠、检错误类型的不同，可分为纠、检随机性错误的码和纠、检突发性错误的码。⑥根据码元取值的不同，可分为二进制码和多进制码。本章只介绍二进制纠错码和检错码。3、编码增益由于编码系统具有纠错能力，因此在达到同样误码率要求时，编码系统会使所要求的输入信噪比低于非编码系统，为此引入了编码增益的概念。其定义为：对于相同的信息传输速。率，在给定误码率下，非编码系统与编码系统之间所需信噪比S0/N0之差（用dB表示）采用不同的编码会得到不同的编码增益，但编码增益的提高要以增加系统带宽或复杂度来换取。4、码重和码距对于二进制码组，码组中“1”码元的个数称为码组的重量，简称码重，用W表示。例如码组11001，它的码重W=2两个等长码组之间对应位不同的个数称为这两个码组的汉明距离，简称码距d。例如码组10001和01101，有三个位置的码元不同，所以码距d=3。码组集合中各码组之间距离的最小值称为码组的最小距离，用d0表示。最小码距d0是信道编码的一个重要参数，它体现了该码组的纠、检错能力。d0越大，说明码字间最小差别越大，抗干扰能力越强。但d0与所加的监督位数有关，所加的监督位越多，d0就越大，这又引起了编码效率R的降低，所以编码效率R与最小码距d0是一对矛盾。根据编码理论，一种编码的检错或纠错能力与码字间的最小距离有关。在一般情况下，分组码的最小汉明距离d0与检错和纠错能力之间满足下列关系：①当码字用于检测错误时，为了能检测出任意≤e个错误，最小码距应满足：d0≥e+1（8-1）这可以用图8-3(a)来说明。设一码组A位于O点，另一码组B与A最小码距为d0。当A码组发生e个误码时，可以认为A的位置将移动到以O为圆心、以e为半径的圆上，但其位置不会超出此圆。只要e比d0小1，发生e个错码后错成的码组不可能变成另一任何许用码组，即有e≤d01。②当码字用于纠错时，为了能纠正任意≤t个错误，最小码距应满足：d0≥2t+1（8-2）这可以用图8-3(b)来说明。若码组A和码组B发生不多于t位的错误，则其位置均不超出以O1和O2为圆心，t为半径的圆。只要这两个圆不相交，则当误码小于t时，根据它们落入哪个圆内，就可以正确地判断A或B，即可以纠正错误。以O1和O2为圆心，t为半径的两圆不相交的最近圆心距离为2t+1，此即为纠正t个误码的最小码距。③为了能纠正任意≤t个错误，同时又能检测出任意≤e个错误，最小码距应满足：d0≥e+t+1(e>t)（8-3）（简称纠检在解释此式之前，先来说明什么是“纠正t个错码，同时又检测e个错码”结合）。在某些情况下，要求对于出现较频繁但错码数很少的码组按前向纠错方式工作，以节省反馈重发时间，同时又希望对一些错码数较多的码组，在超过该码的纠错能力时，能自动按检错重发方式工作，以降低系统的总误码率。这种工作方式就是“纠检结合”。(a)(b)图8-3码距与检错和纠错能力之间的关系(c)在上述“纠检结合”系统中，差错控制设备按照接收码组与许用码组的距离自动改变工则将按