信息论与编码-第7章-第13讲-信道编码-线性分组码1

第六章信道编码2021/2/221思维世界的发展，在某种意义上说，就是对惊奇的不断摆脱。-爱因斯坦（美国）第六章信道编码2021/2/2226.2.1一般概念6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2.4线性分组码的编码6.2.5线性分组码的最小距离、检错和纠错能力6.2.6线性分组码的译码6.2.7线性分组码的性能6.2.8汉明码6.2.9由已知码构造新码的方法6.2.10线性分组码的码限6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/223线性分组码的编码：线性分组码的编码过程分为两步：把信息序列按一定长度分成若干信息码组，每组由k位组成；编码器按照预定的线性规则(可由线性方程组规定)，把信息码组变换成n重(nk)码字，其中(n－k)个附加码元是由信息码元的线性运算产生的。信息码组长k位，有2k个不同的信息码组，则有2k个码字与它们一一对应。6.2.1一般概念6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/224名词解释线性分组码：通过预定的线性运算将长为k位的信息码组变换成n重的码字(nk)。由2k个信息码组所编成的2k个码字集合，称为线性分组码。码矢：一个n重的码字可以用矢量来表示C=(Cn－1,Cn－2,…,C1,C0)所以码字又称为码矢。(n,k)线性码：信息位长为k，码长为n的线性码。编码效率/编码速率/码率/传信率：R=k/n。它说明了信道的利用效率，R是衡量码性能的一个重要参数。6.2.1一般概念6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/225(1)一致监督方程编码就是给已知信息码组按预定规则添加监督码元，以构成码字。在k个信息码元之后附加r(r=n－k)个监督码元，使每个监督元是其中某些信息元的模2和。举例：k=3,r=4，构成(7,3)线性分组码。设码字为(C6,C5,C4,C3,C2,C1,C0)C6,C5,C4为信息元，C3,C2,C1,C0为监督元，每个码元取“0”或“1”监督元可按下面方程组计算6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/226一致监督方程/一致校验方程：确定由信息元得到监督元规则的一组方程称为监督方程/校验方程。由于所有码字都按同一规则确定，又称为一致监督方程/一致校验方程。由于一致监督方程是线性的，即监督元和新信源之间是线性运算关系，所以由线性监督方程所确定的分组码是线性分组码。6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/227(2)举例信息码组(101)，即C6=1,C5=0,C4=1代入(6.2.1)得：C3=0,C2=0,C1=1,C0=1由信息码组(101)编出的码字为(1010011)。其它7个码字如表6.2.1。表6.2.1(7,3)分组码编码表信息组对应码字000000000000100111010100100111011011101010010011101011010011110110100111111101006.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码00000000000000000000451562456346CCCCCCCCCCCCC第六章信道编码2021/2/228(3)一致监督矩阵为了运算方便，将式(6.2.1)监督方程写成矩阵形式，得式(6.2.2)可写成HCT=0T或CHT=0CT、HT、0T分别表示C、H、0的转置矩阵。6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/229系数矩阵H的后四列组成一个(4×4)阶单位子阵，用I4表示，H的其余部分用P表示6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2210推广到一般情况：对(n,k)线性分组码，每个码字中的r(r=n－k)个监督元与信息元之间的关系可由下面的线性方程组确定6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2211令上式的系数矩阵为H，码字行阵列为C6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2212(4)一致监督矩阵特性对H各行实行初等变换，将后面r列化为单位子阵，于是得到下面矩阵，行变换所得方程组与原方程组同解。监督矩阵H的标准形式：后面r列是一单位子阵的监督矩阵H。H阵的每一行都代表一个监督方程，它表示与该行中“1”相对应的码元的模2和为0。6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2213H的标准形式还说明了相应的监督元是由哪些信息元决定的。例如(7,3)码的H阵的第一行为(1011000)，说明此码的第一个监督元等于第一个和第三个信息元的模2和，依此类推。H阵的r行代表了r个监督方程，也表示由H所确定的码字有r个监督元。为了得到确定的码，r个监督方程（或H阵的r行）必须是线性独立的，这要求H阵的秩为r。若把H阵化成标准形式，只要检查单位子阵的秩，就能方便地确定H阵本身的秩。6.2.2一致监督方程和一致监督矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2214(1)线性码的封闭性线性码的封闭性：线性码任意两个码字之和仍是一个码字。定理6.2.1：设二元线性分组码CI(CI表示码字集合)是由监督矩阵H所定义的，若U和V为其中的任意两个码字，则U+V也是CI中的一个码字。[证明]：由于U和V是码CI中的两个码字，故有HUT=0T，HVT=0T那么H(U+V)T=H(UT+VT)=HUT+HVT=0T即U+V满足监督方程，所以U+V一定是一个码字。一个长为n的二元序列可以看作是GF(2)(二元域)上的n维线性空间中的一点。长为n的所有2n个矢量集合构成了GF(2)上的n维线性空间Vn。把线性码放入线性空间中进行研究，将使许多问题简化而比较容易解决。(n,k)线性码是n维线性空间Vn中的一个k维子空间Vk。6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2215(2)线性分组码的生成矩阵在由(n,k)线性码构成的线性空间Vn的k维子空间中，一定存在k个线性独立的码字：g1,g2,…,gk,。码CI中其它任何码字C都可以表示为这k个码字的一种线性组合，即6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2216G中每一行gi=(gi1,gi2,…,gin)都是一个码字；对每一个信息组m，由矩阵G都可以求得(n,k)线性码对应的码字。生成矩阵：由于矩阵G生成了(n,k)线性码，称矩阵G为(n,k)线性码的生成矩阵。(n,k)线性码的每一个码字都是生成矩阵G的行矢量的线性组合，所以它的2k个码字构成了由G的行张成的n维空间的一个k维子空间Vk。6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2217线性系统分组码通过行初等变换，将G化为前k列是单位子阵的标准形式6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2218线性系统分组码：用标准生成矩阵Gk×n编成的码字，前面k位为信息数字，后面r=n－k位为校验字，这种信息数字在前校验数字在后的线性分组码称为线性系统分组码。当生成矩阵G确定之后，(n,k)线性码也就完全被确定了，只要找到码的生成矩阵，编码问题也同样被解决了。6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码图6.2.1系统码的码字结构信息数字校验数字第六章信道编码2021/2/2219(3)举例(7,4)线性码的生成矩阵为6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2220(4)生成矩阵与一致监督矩阵的关系由于生成矩阵G的每一行都是一个码字，所以G的每行都满足Hr×nCTn×1=0Tr×1，则有Hr×nGTn×k=0Tr×k或Gk×nHTn×r=0k×r线性系统码的监督矩阵H和生成矩阵G之间可以直接互换。6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2221举例已知(7,4)线性系统码的监督矩阵为6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2222(5)对偶码对偶码：对一个(n,k)线性码CI，由于Hr×nGTn×k=0Tr×k，如果以G作监督矩阵，而以H作生成矩阵，可构造另一个码CId，码CId是一个(n,n－k)线性码，称码CId为原码的对偶码。例如：(7,4)线性码的对偶码是(7,3)码：(7,3)码的监督矩阵H(7,3)是(7,4)码生成矩阵G(7,4)6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2223(7,3)码的生成矩阵G(7,3)是(7,4)码监督矩阵H(7,4)6.2.3线性分组码的生成矩阵6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2224(n,k)线性码的编码就是根据线性码的监督矩阵或生成矩阵将长为k的信息组变换成长为n(nk)的码字。利用监督矩阵构造(7,3)线性分组码的编码电路：设码字矢量为C=(C6C5C4C3C2C1C0)码的监督矩阵为6.2.4线性分组码的编码6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2225根据方程组可直接画出(7,3)码的并行编码电路和串行编码电路，如图6.2.2。6.2.4线性分组码的编码6.2线性分组码m0m1m2C6C5C4C3C2C1C0mC(a)并行编码电路（b）串行编码电路图6.2.2(7,3)线性系统编码电路第六章信道编码2021/2/2226(1)汉明距离、汉明重量和汉明球汉明距离/距离：在(n,k)线性码中，两个码字U、V之间对应码元位上符号取值不同的个数，称为码字U、V之间的汉明距离。例如：(7,3)码的两个码字U=0011101,V=0100111，它们之间第2、3、4和6位不同。因此，码字U和V的距离为4。线性分组码的一个码字对应于n维线性空间中的一点，码字间的距离即为空间中两对应点的距离。因此，码字间的距离满足一般距离公理：6.2.5线性分组码的最小距离、检错和纠错能力6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2227最小距离/dmin：在(n,k)线性码的码字集合中，任意两个码字间距离最小值，叫做码的最小距离。若C(i)和C(j)是任意两个码字，则码的最小距离表示为码的最小距离是衡量码的抗干扰能力（检、纠错能力）的重要参数。码的最小距离越大，码的抗干扰能力就越强。汉明球：以码字C为中心，半径为t的汉明球是与C的汉明距离≤t的向量全体SC(t)任意两个汉明球不相交最大程度取决于任意两个码字之间的最小汉明距离dmin。6.2.5线性分组码的最小距离、检错和纠错能力6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/22286.2.5线性分组码的最小距离、检错和纠错能力6.2线性分组码tVUdmin图6.2.3dmin=5,码距和纠错能力关系示意图第六章信道编码2021/2/2229汉明重量/码字重量/W：码字中非0码元符号的个数，称为该码字的汉明重量。在二元线性码中，码字重量就是码字中含“1”的个数。最小重量/Wmin：线性分组码CI中，非0码字重量最小值，叫做码CI的最小重量：Wmin=min{W(V),V∈CI,V≠0}最小距离与最小重量的关系：线性分组码的最小距离等于它的最小重量。[证明]：设线性码CI，且U∈CI,V∈CI，又设U－V=Z，由线性码的封闭性知，Z∈CI。因此，d(U,V)=W(Z)，由此可推知，线性分组码的最小距离必等于非0码字的最小重量。6.2.5线性分组码的最小距离、检错和纠错能力6.2线性分组码第六章信道编码2021/2/2230(2)最小距离与检、纠错能力一般地说，线性码的最小距离越大，意味着任意码字间的差别越大，则码的检、纠错能力越强。检错能力：如果一个线