CODES (Избыточные коды)

М осковский Технический Университет Связи и Информатики

Кафедра Радиотехнических Систем

реферат по

избыточным кодам

Преподаватель: Смердова Н. Е.

Группа: РТ 9505

Студент: Матвеев А. Н.

Дата сдачи: Май 1999 года.

Москва, 1999 г.

Вступление.

Известно, что каналы, по которым передается информация, практически никогда не бывают идеальными (каналами без помех). В них почти всегда присутствуют помехи. Отличие лишь в уровне помех и их спектральном составе. Помехи в каналах образуются по различным причинам, но результат воздействия их на передаваемую информацию всегда один – информация теряется (искажается).

Для предотвращения потерь информации в канале были придуманы избыточные коды (коды с избыточностью). Преимущество избыточного кода в том, что при приеме его с искажением (количество искаженных символов зависит от степени избыточности и структуры кода) информация может быть восстановлена на приемнике.

Существуют избыточные коды с обнаружением (они только обнаруживают ошибку) и коды с исправлением (эти коды обнаруживают место ошибки и исправляют ее).

Для различных помех в канале существуют различные по своей структуре и избыточности коды. Обычно избыточность кодов находится в пределах 10…60% или чуть больше. Избыточность 1/4 (25%) применяется при записи информации на лазерные диски и в системах цифрового спутникового ТВ.

Классификация кодов.

Известно большое число помехоустойчивых кодов, которые классифицируются по различным признакам. По­мехоустойчивые коды можно разделить на два больших класса: блочные и непрерывные. При блочном кодировании последова­тельность элементарных сообщений источника разбивается на от­резки и каждому отрезку ставится в соответствие определенная последовательность (блок) кодовых символов, называемая обыч­но кодовой комбинацией. Множество всех кодовых комбинаций, возможных при данном способе блочного кодирования, и есть блочный код.

Длина блока может быть как постоянной, так и переменной. Различают равномерные и неравномерные блоч­ные коды. Помехоустойчивые коды являются, как правило, рав­номерными.

Блочные коды бывают разделимыми и неразделимыми. К разделимым относятся коды, в которых символы по их назначению могут быть разделены на информационные символы, несущие ин­формацию о сообщениях и проверочные. Такие коды обознача­ются как (n, k), где n- длина кода, k- число информационных символов. Число комбинаций в коде не превышает 2^k. К нераздели­мым относятся коды, символы которых нельзя разделить по их назначению на информационные и проверочные.

Коды с постоянным весом характеризуются тем, что их кодо­вые комбинации содержат одинаковое число единиц: Примером такого кода является код “3 из 7”, в котором каждая кодовая комбинация содержит три единицы и четыре нуля (стандартных телеграфный код № 3).

К
оды с постоянным весом позволяют обнаружить все ошибки кратности q=1,...,n за исключением случаев, когда число еди­ниц, перешедших в нули, равно числу нулей, перешедших в еди­ницы. В полностью асимметричных каналах, в ко­торых имеет место только один вид ошибок (преобразование ну­лей в единицы или единиц в нули), такой код дозволяет обнару­жить все ошибки. В симметричных каналах вероятность необна­руженной ошибки можно определить как вероятность одновременного искажения одной единицы и одного нуля:

где Pош вероятность искажения символа.

Среди разделимых кодов различают линейные и нелинейные. К линейным относятся коды, в которых поразрядная сумма по модулю 2 любых двух кодовых слов также является кодовым словом. Линейный код называется систематическим, если первые k символов его любой кодовой комбинации являются информаци­онными, остальные (n- k) символов — проверочными.

С
реди линейных систематических кодов наиболее простой код (n, n-k), содержащий один проверочный символ, ко­торый равен сумме по модулю 2 всех информационных символов. Этот код, называемый кодом с проверкой на четность, позволяет обнаружить все сочетания ошибок нечетной кратности. Вероятность необнаруженной ошибки в первом приближении можно определить как вероятность искажения двух символов:

Подклассом линейных кодов являются циклические коды. Они характеризуются тем, что все наборы, образованные циклической перестановкой любой кодовой комбинации, являются также кодо­выми комбинациями. Это свойство позволяет в значительной сте­пени упростить кодирующее и декодирующее устройства, особен­но при обнаружении ошибок и исправлении одиночной ошибки. Примерами циклических кодов являются коды Хэмминга, коды Боуза - Чоудхури - Хоквингема (БЧХ — коды) и др.

Примером нелинейного кода является код Бергера, у которо­го проверочные символы представляют двоичную запись числа единиц в последовательности информационных символов. Напри­мер, таким является код: 00000; 00101; 01001; O111O; 10001; 10110; 11010; 11111. Коды Бергера применяются в асиммет­ричных каналах. В симметричных каналах они обнаруживают все одиночные ошибки и некоторую часть многократных.

Непрерывные коды характеризуются тем, что операции коди­рования и декодирования производятся над непрерывной последо­вательностью символов без разбиения ее на блоки. Среди непре­рывных наиболее применимы сверточные коды.

Как известно различают каналы с независимыми и группирующимися ошибками. Соответственно помехоустойчивые коды можно разбить на два класса: исправляющие независимые ошибки и исправляющие пакеты ошибок. Далее будут рассматриваться в основном коды, исправляющие независимые ошибки. Это объясняется тем, что хотя для исправления пакетов ошибок раз­работано много эффективных кодов, на практике целесообразнее использовать коды, исправляющие независимые ошибки вместе с устройством перемежения символов или декорреляции ошибок. При этом символы кодовой комбинации не передаются друг за другом, перемешиваются с символами других кодовых комбинаций. Ес­ли интервал между символами, принадлежащими одной кодовой комбинации, сделать больше чем “память” канала, то ошибки в пределах кодовой комбинации можно считать независимыми, что и позволяет использовать коды, исправляющие независимые ошибки.

Блочные коды. Построение кодеков.

Линейные коды.

Из определения следует, что любой линейный код (п, k) мож­но получить из k линейно независимых кодовых комбинаций пу­тем их посимвольного суммирования по модулю 2 в различных сочетаниях. Исходные линейно независимые кодовые комбина­ции называются базисными.

Представим базисные кодовые комбинации в виде матрицы размерностью nXk

(7.7)

В теории кодирования она называется порождающей. Тогда про­цесс кодирования заключается в выполнении операции: B=AG,

где А- вектор размерностью k, соответствующий сообщению, В- вектор размерностью п, соответствующий кодовой комби­нации.

Т
аким образом, порождающая матрица (7.7) содержит всю не­обходимую для кодирования информацию. Она должна хранить­ся в памяти кодирующего устройства. Для двоичного кода объем памяти равен kXn двоичных символов. При табличном задании кода кодирующее устройство должно запоминать

двоичных символов.

Две порождающие матрицы, которые отличаются друг от дру­га только порядком расположения столбцов, задают коды, ко­торые имеют одинаковые расстояния Хэмминга между соответствующими кодовыми комбинациями, а следовательно, одинако­вые корректирующие способности. Такие коды называются экви­валентными.

В
качестве базисных комбинаций часто выбирают кодовые комбинации, содержащие по одной единице среди информационных символов. При этом порождающую матрицу удается записать в канонической форме (7.8)

где I- единичная kXk подматрица, P-kX(n-k)- подматрица проверочных символов, определяющая свойства кода. Матрица задает систематический код. Можно показать, что для лю­бого линейного кода существует эквивалентный систематический код.

Л
инейный (п, k) код может быть задан про­верочной матрицей Н размерности (rХп). При этом комбинация В принадлежит коду только в том случае, если вектор В ортого­нален всем строкам матрицы Н, т. е. если выполняется равенство (7.9)

г
де т—символ транспонирования матрицы. Так как это равенство справедливо для любой кодовой комбинации, то

К
аноническая форма матрицы Н имеет вид (7.10)

где P - подматрица, столбцами которой служат строки подмат­рицы Р (7.8), I-единичная rXr подматрица. Подставляя (7.10) в (7.9), можно получать п—k уравнений вида (7.11)

к
оторые называются уравнениями проверки. Из (7.11) следует, что проверочные символы кодовых комбинаций линейного кода образуются различными линейными комбинациями информаци­онных символов. Единицы в любой j-й строке подматрицы Р, входящей в проверочную матрицу (7.10), указывают, какие информационные символы участвуют в формировании j-го провероч­ного символа.

Очевидно, что линейный (п, k) код можно построить, исполь­зуя уравнения проверки (7.11). При этом первые k символов ко­довой комбинации информационные, а остальные п-k симво­лов - проверочные, образуемые в соответствии с (7.11).

С помощью проверочной матрицы сравнительно легко можно построить код с заданным кодовым расстоянием. Это построение основано на следующей теореме: кодовое расстояние линей­ного (п, k) кода равно d тогда и только тогда, когда любые d-1 столбцов проверочной матрицы этого кода линейно независимы, но некоторые d столбцов проверочной матрицы линейно зависимы.

Заметим, что строки проверочной матрицы линейно независи­мые. Поэтому проверочную матрицу можно использовать в ка­честве порождающей для некоторого другого линейного кода (п, п-k), называемого двойственным.

Кодирующее устройство для линейного (п,k) кода (рис. на предыдущей стр.) состоит из k-разрядного сдвигающего регистра и r=п-k бло­ков сумматоров по модулю 2. Информационные символы одно­временно поступают на вход регистра и на выход кодирующего устройства через коммутатор К. С поступлением k-го информаци­онного символа на выходах блоков сумматоров в соответствии с уравнениями (7.11) формируются проверочные символы, которые затем последовательно поступают на выход кодера. Процесс декодирования сводится к выполнению операции

,
где S — вектор размерностью (п-k), называемый синдромом, В- вектор принятой кодовой комбинации.

Е
сли принятая комбинация В совпадает с одной из разрешенных В (это имеет место тогда, когда либо ошибки в принятых символах отсутствуют, либо из-за действия помех одна разрешенная кодовая комбинация переходит в другую), то

В
противном случае S≠O, причем вид синдрома зависит только от вектора ошибок е. Действительно,

где В- вектор, соответствующий передаваемой кодовой комби­нации. При S=0 декодер принимает решение об отсутствии оши­бок, а при S≠O - о наличии ошибок. По конкретному виду синдрома можно в пределах кор­ректирующей способности кода указать на ошибочные символы и их исправить.

Декодер линейного кода (рис. на следующей стр.) состоит из k- разрядного сдвигающего регистра, (п-k) блоков сумматоров по модулю 2, схе­мы сравнения, анализатора ошибок и корректора. Регистр слу­жит для запоминания информационных символов принятой кодо­вой последовательности, из которых в блоках сумматоров формируются проверочные символы. Анализатор ошибок по конкретно­му виду синдрома, получаемого в результате сравнения формиру­емых на приемной стороне и принятых проверочных символов, оп­ределяет места ошибочных символов. Исправление информацион­ных символов производится в корректоре. Заметим, что в общем случае при декодировании линейного кода с исправлением ошибок в памяти декодера должна храниться таблица соответствий между синдромами и векторами ошибок. С приходом каждой кодовой комбина­ции декодер должен перебрать всю таблицу. При небольших зна­чениях (п-k) эта операция не вызывает затруднений. Однако для высокоэффективных кодов длиной п, равной нескольким десяткам, разность (п-k) принимает такие значения, что перебор таблицы оказывается практически невозможным. Например, для кода (63, 51), имеющего кодовое расстояние d=5, таблица состоит из 2^12 = 4096 строк.