数字通信原理 纠错编码幻灯片.ppt
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1、数字通信原理纠错编码第1页,共87页,编辑于2022年,星期六本章内容在数字通信系统中所处的位置:本章内容在数字通信系统中所处的位置:第2页,共87页,编辑于2022年,星期六 差错控制编码,又称信道编码、可靠性编码、差错控制编码,又称信道编码、可靠性编码、抗干扰编码或纠错码,它是提高数字信号传输抗干扰编码或纠错码,它是提高数字信号传输可靠可靠性性的有效方法之一。它产生于的有效方法之一。它产生于2020世纪世纪5050年代初,发展年代初,发展到到7070年代趋向成熟。本章将主要分析年代趋向成熟。本章将主要分析信道编码信道编码的基本的基本原理、介绍常用的检错码、线性分组码及卷积码的构原理、介绍常
2、用的检错码、线性分组码及卷积码的构造原理及其应用。造原理及其应用。10.1概概述述第3页,共87页,编辑于2022年,星期六一、信源编码和信道编码一、信源编码和信道编码 在在数数字字通通信信中中,根根据据不不同同的的目目的的,编编码码可可分分为为信信源编码和信道编码源编码和信道编码。信信源源编编码码是是为为了了提提高高数数字字通通信信的的有有效效性性以以及及使使模拟信号数字化而采取的编码技术。模拟信号数字化而采取的编码技术。信信道道编编码码是是为为了了降降低低误误码码率率,提提高高数数字字通通信信的的可可靠靠性而采取的编码。性而采取的编码。10.1概概述述第4页,共87页,编辑于2022年,星
3、期六数字信号在传输过程中受到干扰的影响,使信号波形变坏,发生误码,可以采用一些方法解决。差错出现原因v外界噪声v传输中码间串扰解决方法v合理地设计基带信号,选择调制、解调方式,采用均衡技术,提高发送功率等因素,使误比特率降低。v差错控制编码。第5页,共87页,编辑于2022年,星期六 差错控制的基本原理差错控制的基本原理差错控制的基本原理差错控制的基本原理n 在信息码上附加一定位数的监督码元,使其与信息位按某种规则相互在信息码上附加一定位数的监督码元,使其与信息位按某种规则相互关联;关联;n 若数据在传输过程中发生差错,关联关系被破坏,从而可若数据在传输过程中发生差错,关联关系被破坏,从而可
4、检出和检出和/或纠正错误。或纠正错误。第6页,共87页,编辑于2022年,星期六差错控制编码的分类差错控制编码的分类差错控制编码的分类差错控制编码的分类n 线性码线性码线性码线性码:信息码与监督码之间的关系为线性关系;信息码与监督码之间的关系为线性关系;非线性码非线性码非线性码非线性码:信息码与监督码之间的关系为非线性关系。:信息码与监督码之间的关系为非线性关系。n 分组码分组码分组码分组码:监督码只与本组信息码有系;:监督码只与本组信息码有系;卷积码卷积码卷积码卷积码:监督码与本组和前面码组中的信息码有关。:监督码与本组和前面码组中的信息码有关。n 系统码系统码系统码系统码:编码后码组中信息
5、码保持原图样顺序不变;编码后码组中信息码保持原图样顺序不变;非系统码非系统码非系统码非系统码:编码后码组中原信息码原图样发生变化。:编码后码组中原信息码原图样发生变化。第7页,共87页,编辑于2022年,星期六误码的主要形式误码的主要形式误码的主要形式误码的主要形式n 随机错误随机错误随机错误随机错误:误码的位置随机(误码间无关联),随机误码:误码的位置随机(误码间无关联),随机误码 主要由白噪声引起。主要由白噪声引起。n 突发错误突发错误突发错误突发错误:误码成串出现,主要由强脉冲及雷电等突发的:误码成串出现,主要由强脉冲及雷电等突发的 强干扰引起。强干扰引起。n 混合错误混合错误混合错误混
6、合错误:以上两种误码及产生原因的组合。:以上两种误码及产生原因的组合。第8页,共87页,编辑于2022年,星期六10.1.2差错控制类型差错控制类型1 1 1 1、检错重发、检错重发、检错重发、检错重发 (ARQ ARQ AutomaticRepeatRequest):在发送端采用具有在发送端采用具有检错检错功能的编码,接收端发现出错后自动请求重发功能的编码,接收端发现出错后自动请求重发.有以下三种方式:有以下三种方式:停止停止停止停止-等待等待等待等待ARQARQARQARQ第9页,共87页,编辑于2022年,星期六 具有回拉功能的连续具有回拉功能的连续具有回拉功能的连续具有回拉功能的连续A
7、RQARQARQARQ 具有选择性重发功能的连续具有选择性重发功能的连续具有选择性重发功能的连续具有选择性重发功能的连续ARQARQARQARQ特点:特点:设备较简单;传输序列中冗余量较小;设备较简单;传输序列中冗余量较小;需要有反向信道支持;出错后重传造成延时较大。需要有反向信道支持;出错后重传造成延时较大。第10页,共87页,编辑于2022年,星期六2、前向纠错方式、前向纠错方式(FECForwardErrorCorrection)发端发送能够纠纠正正错错误误的码,收端收到信码后自动地纠正传输中的错误特点:特点:无需反馈信道,无需重传,延时小;需反馈信道,无需重传,延时小;传输序列中冗余量
8、较大。传输序列中冗余量较大。运用在移动通信系统、军事系统通信中。运用在移动通信系统、军事系统通信中。3、混合纠错方式、混合纠错方式HEC(HybridErrorCorrection)混合纠错方式记作是FEC和ARQ方式的结合。出错较少时出错较少时FEC起作用;出错较多时起作用;出错较多时ARQ起作用起作用第11页,共87页,编辑于2022年,星期六图10-1差错控制方式总结:总结:第12页,共87页,编辑于2022年,星期六信道编码的核心问题信道编码的核心问题v发现错误发现错误v纠正错误纠正错误第13页,共87页,编辑于2022年,星期六码长:码字中码元的个数,通常用n表示。码重:码字中非零码
9、元的个数定义为该码字的重量,简称码重。如“10011”码字的码重为3。码距:两个等长码字之间对应码元不同的数目,通常用d表示。两个码字对应位模2相加得到的新码组的重量就是这两个码字之间的距离。(1)几个概念)几个概念第14页,共87页,编辑于2022年,星期六v编码效率:信息码元数与码长之比,通常用表示,其中k为信息码元的数目,n为码长。v最小码距:在一个码字集合中,任意两个码字间距离的最小值,即码字集合中任意两元素间的最小距离,记为dmin或d0纠错码的抗干扰能力完全取决于许用码字之间的距离,纠错码的抗干扰能力完全取决于许用码字之间的距离,码的最小距离越大,说明码字间的最小差别越大,抗干码的
10、最小距离越大,说明码字间的最小差别越大,抗干扰能力就越强。扰能力就越强。第15页,共87页,编辑于2022年,星期六举例说明:假如要传送举例说明:假如要传送A、B两个消息两个消息编码一:消息A-“0”;消息B-“1”最小码距1若传输中产生错码(“0”错成“1”或“1”错成“0”)收端无法发现,该编码无检错纠错能力。第16页,共87页,编辑于2022年,星期六编码二:消息A-“00”;消息B-“11”最小码距2若传输中产生一位错码,则变成“01”或“10”,收端判决为有错(因“01”“10”为禁用码组),但无法确定错码位置,不能纠正,该编码具有检出一位错码的能力。这表明增加一位冗余码元后码具有检
11、出一位错码的能力第17页,共87页,编辑于2022年,星期六编码三:消息A-“000”;消息B-“111”最小码距3传输中产生一位即使两位错码,都将变成禁用码组,收端判决传输有错。该编码具有检出两位错码的能力。在产生一位错码情况下,收端可根据“大数”法则进行正确判决,能够纠正这一位错码。例如收到110,认为是111。这表明增加两位冗余码元后码具有检出两位错码及纠正一位错码的能力。第18页,共87页,编辑于2022年,星期六一个码能检测e个错码,则要求其最小码dmine+1一个码能纠正t个错码,则要求其最小dmin2t+1一个码能纠正t个错码,同时能检测e个错码,则要求其最小码距 dmine+t
12、+1(et)(2)最小码距与检错和纠错能力的关系)最小码距与检错和纠错能力的关系第19页,共87页,编辑于2022年,星期六奇偶监督码二维奇偶监督码(略,见附录)恒比码10.2常用的几种简单分组码常用的几种简单分组码第20页,共87页,编辑于2022年,星期六10.2.1奇偶监督码奇偶监督码奇偶监督码:在信息码元后附加一位监督位,使得码组中奇偶监督码“1”的个数为偶数或奇数。第21页,共87页,编辑于2022年,星期六序号码长为4的奇奇监督码序号码长为4的偶偶监督码信息码元监督码元信息码元监督码元0000100000100101001120100201013011130110410004100
13、1510115101061101611007111071111表:码长为4的奇、偶监督码第22页,共87页,编辑于2022年,星期六v只能检测出单个或奇数个错误,不能检测偶数个错误v不能纠错。v应用:以随机错误为主的计算机通信系统,难于对付突发错误v编码效率=k/n=k/(k+1),是一种高效率码。10.2.2二维奇偶监督码见附录二维奇偶监督码见附录第23页,共87页,编辑于2022年,星期六表表10-13 2恒比码恒比码(是一种五中取三码)(是一种五中取三码)10.2.3恒比码恒比码 码字中码字中1 1的数目与的数目与0 0的数目保持恒定比例的的数目保持恒定比例的码称为恒比码。又称等码称为恒
14、比码。又称等重码,定重码,定1 1码。码。这种码在检测时,这种码在检测时,通过计算接收码元中通过计算接收码元中1 1的数目是否正确,就的数目是否正确,就知道有无错误。知道有无错误。第24页,共87页,编辑于2022年,星期六线性分组码:先将信息码分组,然后给每组信码附加若干监督码的编码称为分组码。若附加的监督码和信息码由一些线性代数方程相则称为线性分组码。用符号(n,k)表示,k是信息码的位数,n是编码组总位数,又称为码长,r=n-k为监督位数。1、基本概念、基本概念10.3线性分组码(重点)线性分组码(重点)第25页,共87页,编辑于2022年,星期六现以(7,4)分组码为例来说明线性分组码
15、的特点。设其码字为A=a6a5a4a3a2a1a0,其中前4位是信息元,后3位是监督元,可用下列线性方程组来描述该分组码,产生监督元。第26页,共87页,编辑于2022年,星期六表表10-2(7,4)码的码字表码的码字表第27页,共87页,编辑于2022年,星期六2、线性分组码的性质、线性分组码的性质v任意两个许用码组之和(逐位模2和)仍为一许用码组,即具有封闭性。v最小码距=非零码的最小码重(1的个数)。第28页,共87页,编辑于2022年,星期六10.3.2监督矩阵监督矩阵H和生成矩阵和生成矩阵G第29页,共87页,编辑于2022年,星期六其中,P为rk阶矩阵,Ir为rr阶单位矩阵。可以写
16、成H=P Ir形式的矩阵称为典型监督矩阵。HAT=0T,说明H矩阵与码字的转置乘积必为零,可以用来作为判断接收码字A是否出错的依据。并简记为第30页,共87页,编辑于2022年,星期六vrn阶矩阵v监督矩阵H确定了编码时监督码元与信息码元的关系v把具有PIr形式的H矩阵称为典型形式的监督矩阵,其中P为rk阶矩阵,Ir为rr阶单位方阵vH矩阵的各行应线性无关。矩阵若能写成典型形式,则其各行一定线性无关监督矩阵H特点第31页,共87页,编辑于2022年,星期六若把监督方程补充为下列方程第32页,共87页,编辑于2022年,星期六可改写为矩阵形式第33页,共87页,编辑于2022年,星期六第34页,
17、共87页,编辑于2022年,星期六kn阶矩阵把具有IkQ形式的G矩阵称为典型形式的生成矩阵,其中,Ik为kk阶单位方阵,Q为kr阶矩阵由典型生成矩阵产生的分组码一定是系统码G矩阵的各行应线性无关,每行均为许用码组生成矩阵G特点第35页,共87页,编辑于2022年,星期六已知(6,3)汉明码(能纠正单个错误的线性分组码)的生成矩阵如下,(1)列出所有许用码组;(2)最小码距d0;(3)检错纠错能力(4)编码效率第36页,共87页,编辑于2022年,星期六(1)信息码信息码编码码字编码码字码重码重000000000000100111030100100113011011101410010010131
18、01101011411011011041111110003第37页,共87页,编辑于2022年,星期六(3)(4)(2)第38页,共87页,编辑于2022年,星期六设(设(7,4)线性码的生成矩阵)线性码的生成矩阵G为:为:当信息位为当信息位为0001时,时,(1)试求其后的监督位。)试求其后的监督位。(2)监督矩阵)监督矩阵H第39页,共87页,编辑于2022年,星期六解:解:(1)第40页,共87页,编辑于2022年,星期六(2)监督矩阵)监督矩阵H根据生成矩阵和监督矩阵的关系:根据生成矩阵和监督矩阵的关系:G=IkQ,H=PIr其中其中P=QT,可得监督矩阵,可得监督矩阵H为:为:第41
19、页,共87页,编辑于2022年,星期六错误矩阵/错误图样E:设发送码组为A,接收码组为B,则错误矩阵10.3.3伴随式伴随式(校正子校正子)S第42页,共87页,编辑于2022年,星期六v接收端计算校正子S,即S=BHT=(A+E)HT=AHT+EHT=0+EHT=EHT校正子只与E有关,即错误图样与校正子之间有确定的关系.确定错误图样与校正子的关系表。可从表中找得错码位置,加以纠正。第43页,共87页,编辑于2022年,星期六表表10-3(7,4)码码S与与E的对应关系的对应关系第44页,共87页,编辑于2022年,星期六v以(7,4)汉明码为例设发送码组A=(0001011)接收码组B=(
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