将信源的信息序列按照独立的分组进行处理和编码,称为分组码。
正文
一类重要的纠错码,它把信源待发的信息序列按固定的κ位一组划分成消息组,再将每一消息组独立变换成长为n(n>κ)的二进制数字组,称为码字。如果消息组的数目为M(显然),由此所获得的M个码字的全体便称为码长为n、信息数目为M的分组码,记为。把消息组变换成码字的过程称为编码,其逆过程称为译码。
线性分组码与非线性分组码 分组码就其构成方式可分为线性分组码与非线性分组码。
线性分组码是指分组码中的M个码字之间具有一定的线性约束关系,即这些码字总体构成了n维线性空间的一个κ维子空间。称此κ维子空间为(n,κ)线性分组码,n为码长,κ为信息位。此处。
非线性分组码是指M个码字之间不存在线性约束关系的分组码。d为M个码字之间的最小距离。非线性分组码常记为。非线性分组码的优点是:对于给定的最小距离d,可以获得最大可能的码字数目。非线性分组码的编码和译码因码类不同而异。虽然预料非线性分组码会比线性分组码具有更好的特性,但在理论上和实用上尚缺乏深入研究(见非线性码)。
线性分组码的编码和译码 用Vn表示GF(2)域的n维线性空间,Vκ是Vn的κ维子空间,表示一个(n,κ)线性分组码。是代表Vκ的一组基底。以这组基底构成的矩阵
称为该线性码的生成矩阵。对于给定的消息组,按生成矩阵G,m被编为
这就是线性分组码的编码规则。若
之秩为并且满足仅当n满足HT =0时,才为κ中的码字。称H为线性分组码κ的均等校验矩阵,称HT为矢量的伴随式。假设v是发送的码矢量,在接收端获得一个失真的矢量,式中称为错误型。由此
线性码的译码原则便以此为基础。
汉明码 这是最早提出的一类线性分组码,已广泛应用于
计算机和通信设备。它是由R.W.汉明于1950年提出的。若码的均等校验矩阵H由个、按任一次序排列且彼此相异的二进制r维列矢量构成。这样得到的线性分组码称为汉明码,其分组长为,信息位为,即为码。例如,以矩阵
为均等校验矩阵的线性分组码便为(7,4)汉明码。汉明码的译码十分简单。例如, 假定=(1001100)为发送的码字,其第3位有错,即接收矢量为。于是
恰为矩阵H的第 3 列,因而判定原来发送的码字为=(1001100)。这种译码方式是一般性的。如果接收矢量r在第i位有错,则其伴随式HrT刚好为矩阵H的第i列。
汉明码是可以纠正单个错误的线性分组码。
循环码 具有某种循环特性的线性分组码,如果(n,κ)线性分组码Vκ具有如下的性质:对于每一个,)∈Vn,只要∈Vκ,其循环移位()亦属于Vκ,则称Vκ为循环码。循环码的优点在于其编码和译码手续比一般线性码简单,因而易于在设备上实现。使Vn中的每一个矢量),对应于域GF(2)上的
多项式xn-1。于是Vn中的全体n维矢量便与上述多项式之间建立了一一对应的关系。基于这种对应,使Vn中除了线性运算而外,还建立了矢量之间的乘法运算。A=(ɑ0,ɑ1,…,)与)的乘积ab可视为ɑ(x)所对应的矢量。因此,一个(n,κ)循环码的生成矩阵及均等校验矩阵可分别由生成
多项式及均等校验多项式h(x)所代替,从而简化了编码及译码运算。
BCH码 它是一类重要的循环码,能纠正多个错误。假设m是满足2m1(modn)的最小正整数,β是域GF(2m)的n次单位原根,作循环码的生成多项式g(x),以个接续的元素为根,其中m0,d0均为正整数,且。于是
其中mj(x)代表的最小
多项式。由这个g(x)所生成的,分组长为n的循环码称为BCH码。它由R.C.Bose,D.K.Ray-Chaudhuri及A.Hocquenghem三人研究而得名。BCH码的主要数量指标是:码长n,首元指数m0,设计距离d0,信息位数(表示多项式g(x)的次数)。BCH码的重要特性在于:设计距离为d0的BCH码,其最小距离至少为d0,从而可至少纠正个独立错误。BCH码译码的第一步是计算伴随式。假设为发送码矢量,为接收矢量,而为错误矢量,或记为称为错误
多项式。于是伴随矢量之诸分量Sκ由
决定(;为简便计,设)。假设有e个错误出现(),则对应于e个错误的Ei0。如果E 的第j个(从左至右)非零分量是Ei,则称为这个错误Ei的错位,而称Yj=Ei为这个错误的错值。称 为错位
多项式。BCH码译码的关键是由诸求出(z)。这可用著名的伯利坎普-梅西迭代算法来完成。这种算法相当于线性移位
寄存器的综合问题。最后一步是求出(z)的全部根,可用钱天闻搜索算法完成,从而可以定出接收矢量r的全部错位。
里德-索洛蒙码 这是一种特殊的非二进制BCH码。对于任意选取的正整数s,可构造一个相应的码长为的q进制BCH码,其中码元符号取自
有限域GF(q),其中q为某一素数的幂。当时所建立的码长为的q进制BCH码便称为里德-索洛蒙码,简称为RS码。当,码元符号取自域GF(2m)的二进制RS码可用来纠正成区间出现的突发错误。这种码在短波信道中特别有用。
戈帕码 这是一种重要的线性分组码,它不仅包括常见的诸如本原BCH码等大量的循环码类,还包括相当多的非循环线性分组码类,并且后一种码具有良好的渐近特性。戈帕码的理论实质在于将每一个码矢量与一个有理分式相对应。q是某一个素数幂,g(z)是域GF(qm)上的任意
多项式,L表示域GF(qm)中所有不为g(z)之根的元素所成之集合,|L|代表L中元素的数目。于是存在一个以GF(q)为符号域,以GF(qm)为位置域的线性分组码。码长为|L|,它的各码元用L中的元素来标志。这种码可定义为满足条件的一切GF(q)上的全体|L|维矢量的集合,式中 这种码称为戈帕码,称g(z)为戈帕多项式。
例如,α 是域GF(z2)上的本原元素
则
即为这一戈帕码的码字。戈帕码也有类似于BCH码的译码方法。
自50年代分组码的理论获得发展以来,分组码在数字通信系统和数据存储系统中已被广泛应用。由于大规模和超大规模集成电路的迅速发展,人们开始从易于实现的循环码理论研究中解脱出来,更重视研究性能良好的非循环线性分组码和非线性分组码。人们在分组码研究中又引进了频谱方法,这一研究方向受到了较多的注意。
参考资料
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