Циклические коды
Циклические коды названы так потому, что в них часть комбинаций кода либо все комбинации могут быть получены путем циклического сдвига одной или нескольких комбинаций кода. Циклический сдвиг осуществляется справа налево, причем крайний левый символ каждый раз переносится в конец комбинации. Циклические коды, практически, все относятся к систематическим кодам, в них контрольные и информационные разряды расположены на строго определенных местах. Кроме того, коды относятся к числу блочных кодов. Каждый блок (одна буква является частным случаем блока) кодируется самостоятельно.
Идея построения циклических кодов базируется на использовании неприводимых в поле двоичных чисел многочленов. Неприводимыминазываются многочлены, которые не могут быть представлены в виде произведения многочленов низших степеней с коэффициентами из того же поля, так же, как простые числа не могут быть представлены произведением других чисел. Иными словами неприводимые многочлены делятся без остатка только на себя или на единицу.
Неприводимые многочлены в теории циклических кодов играет роль образующих многочленов. Если заданную кодовую комбинацию умножить на выбранный неприводимый многочлен, то получим циклический код, корректирующие способности которого определяются неприводимым многочленом.
Предположим, требуется закодировать одну из комбинаций четырехзначного двоичного кода. Предположим также, что эта комбинация G(x) = x3 + x2 + 1 ® 1011. Пока не обосновывая свой выбор, берем из таблицы неприводимых многочленов в качестве образующего многочлен P(x) = x3 + x + 1 ® 1011. Затем умножим G(x) на одночлен той же степени, что и образующий многочлен. От умножения многочлена на одночлен степени n степень каждого члена многочлена повысится на n, что эквивалентно приписыванию n нулей со стороны младших разрядов многочлена. Так как степень выбранного неприводимого многочлена равна трем, то исходная информационная комбинация умножается на одночлен трех степеней
G(x) • xn = (x3 + x2 + 1) • x3=x6 + x5 + x3 = 1101000.
Это делается для того, чтобы впоследствии в месте этих нулей можно было бы записать корректирующие разряды.
Значение корректирующих разрядов находят по результатам от деления G(x) • xn на P(x):
| 1 1 0 1 0 0 0 ½ 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 + 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 |
x6+x5+0+x3+0+0+0 ½x3+x+1
|
|
x6+0+x4+x3
x5+x4+0+0 x3+x2+x+1+ x5+0+x3+x2
x4+ x3+x2+0
x4+ 0 +x2+x
x3+0+x+0
x3+0+x+1
Таким образом,
или в общем виде
(5.1)
где Q(x) ¾ частное, а R(x) ¾ остаток от деления G(x)×xn на P(x).
Так как в двоичной арифметике 1 Å 1 = 0, а значит, -1 = 1, то можно при сложении двоичных чисел переносить слагаемые из одной части в другую без изменения знака (если это удобно), поэтому равенство вида a Å b = 0 можно записать и как a = b, и как a - b = 0. Все три равенства в данном случае означают, что либо a и b равны 0, либо a и b равны 1, т.е. имеют одинаковую четность.
Таким образом, выражение (5.1) можно записать как
F(x)=Q(x) • P(x)= G(x) • xn+R(x),
что в случае нашего примера даст
F(x)=(x3 + x2 + x + 1) • (x3 + x + 1)=(x3 + x2 + 1) • x3 + 1,
или
F(x)=1111 • 1011 = 1101000 + 001 = 1101001.
Многочлен 1101001 и есть искомая комбинация, где 1101‑ информационная часть, а 001 ‑ контрольные символы. Заметим, что искомую комбинацию мы получили бы и как в результате умножения одной из комбинаций полного четырехзначного двоичного кода (в данном случае 1111) на образующий многочлен, так и умножением заданной комбинации на одночлен, имеющий ту же степень, что и выбранный образующий многочлен (в нашем случае таким образом была получена комбинация 1101000) с последующим добавлением к полученному произведению остатка от деления этого произведения на образующий многочлен (в нашем примере остаток имеет вид 001).
И тут решающую роль играют свойства образующего многочлена P(x). Методика построения циклического кода такова, что образующий многочлен принимает участие в образовании каждой кодовой комбинации, поэтому любой многочлен циклического кода делится на образующий без остатка. Но без остатка делятся только те многочлены, которые принадлежат данному коду, т. е. образующий многочлен позволяет выбрать разрешенные комбинации из всех возможных. Если же при делении циклического кода на образующий многочлен будет получен остаток, то значит либо в коде произошла ошибка, либо это комбинация какого-то другого кода (запрещенная комбинация). По остатку и обнаруживается наличие запрещенной комбинации, т. е. обнаруживается ошибка. Остатки от деления многочленов являются опознавателями ошибок циклических кодов.
С другой стороны, остатки от деления единицы с нулями на образующий многочлен используются для построения циклических кодов.
При делении единицы с нулями на образующий многочлен следует помнить, что длина остатка должна быть не меньше числа контрольных разрядов, поэтому в случае нехватки разрядов в остатке к остатку приписывают справа необходимое число нулей.
|
10000000000 ½ 1011
|
1011
01100 11111+
1011
1110
1011
1010
1011
1000
1011
начиная с восьмого, остатки будут повторяться.
Остатки от деления используются для построения образующих матриц, которые, благодаря своей наглядности и удобству получения производных комбинаций, получили широкое распространение для построения циклических кодов. Построение образующей матрицы сводится к составлению единичной транспонированной и дополнительной матрицы, элементы которой представляют собой остатки от деления единицы с нулями на образующий многочлен P(x). Напомним, что единичная транспонированная матрица представляет собой квадратную матрицу, все элементы которой ‑ нули, кроме элементов расположенных по диагонали справа налево сверху вниз (в нетранспонированной матрице диагональ с единичными элементами расположена слева направо сверху вниз). Элементы дополнительной матрицы приписываются справа от единичной транспонированной матрицы. Использоваться могут лишь те остатки, вес которых W ³ d0 - 1, где d0 ‑ минимальное кодовое расстояние. Длина остатков должна быть не менее количества контрольных разрядов, а число остатков должно равняться числу информационных разрядов.
Строки образующей матрицы представляют собой первые комбинации исходного кода. Остальные комбинации кода получаются в результате суммирования по модулю 2 всевозможных сочетаний строк образующей матрицы.
Пример.
Построить полную образующую матрицу циклического кода, обнаруживающего все одиночные и двойные ошибки при передаче 10-разрядных двоичных комбинаций.
Решение.
По таблице 5.12 выбираем ближайшее значение k ³ 10.
Таблица 5.12 – Соотношения между информационными и проверочными символами для кода длиной до 16 разрядов
| n | k | ρ | n | k | ρ |
Согласно таблице таким значением будет k = 11, при этом r = 4, а
n = 15. Также выбираем образующий многочлен x4 + x3 +1.
Полную образующую матрицу строим из единичной транспонированной матрицы в канонической форме и дополнительной матрицы, соответствующей проверочным разрядам.
Транспонированная матрица для k = 11 имеет вид:
Дополнительная матрица может быть построена по остаткам деления комбинации в виде единицы с нулями (последней строки единичной транспонированной матрицы) на выбранный образующий многочлен.
Полная образующая матрица будет иметь вид:
Описанный выше метод построения образующих матриц не является единственным. Образующая матрица может быть построена в результате непосредственного умножения элементов единичной матрицы на образующий многочлен. Это часто бывает удобнее, чем нахождение остатков от деления. Полученные коды ничем не отличаются от кодов, построенных по образующим матрицам, в которых дополнительная матрица состоит из остатков от деления единицы с нулями на образующий многочлен.
Образующая матрица может быть построена так же путем циклического сдвига комбинации, полученной в результате умножения строки единичной матрицы ранга k на образующий многочлен.
Ошибки в циклических кодах обнаруживаются при помощи остатков от деления полученной комбинации на образующий многочлен. Остатки от деления являются опознавателями ошибок, но не указывают непосредственно на место ошибки в циклическом коде.
Идея исправления ошибок базируется на том, что ошибочная комбинация после определенного числа циклических сдвигов “подгоняется” под остаток таким образом, что в сумме с остатком она дает исправленную кодовую комбинацию. Остаток при этом представляет собой не что иное, как разницу между искаженными и правильными символами, единицы в остатке стоят как раз на местах искаженных разрядов в подогнанной циклическими сдвигами комбинации. Подгоняют искаженную комбинацию до тех пор, пока число единиц в остатке не будет равно числу ошибок в коде. При этом, естественно, число единиц может быть либо равно числу ошибок s, исправляемых данным кодом (код исправляет 3 ошибки и в искаженной комбинации 3 ошибки), либо меньше s (код исправляет 3 ошибки, а в принятой комбинации 1 ошибка).
Место ошибки в кодовой комбинации не имеет значения. Если k ³ (n / 2), то после определенного количества сдвигов все ошибки окажутся в зоне “разового” действия образующего многочлена, т. е. достаточно получить один остаток, вес которого W £ s, и этого уже будет достаточно для исправления искаженной комбинации.
Подробно процесс исправления ошибок рассматривается ниже на примерах построения конкретных кодов.