Построение двоичного группового кода 2 страница

В теории кодирования элементами матрицы являются элементы некоторого поля GF(P), а строки и столбцы матрицы рассматриваются как векторы. Сложение и умножение элементов матриц осуществляется по правилам поля GF(P).

Пример 30. Вычислим произведение матриц с элементами из поля GF (2):

Элементы c_ik матрицы произведения М = M₁M₂ будут равны:

c₁₁ = (011) (101) = 0 + 0 + 1 = 1

c₁₂ = (011) (110) = 0 + 1 + 0 = 1

c₁₃ = (011) (100) = 0 + 0 + 0 = 0

c₂₁ = (100) (101) = 1 + 0 + 0 = 1

c₂₂ = (100) (110) = 1 + 0 + 0 = 1

c₂₃ = (100) (100) = 1 + 0 + 0 = 1

c₃₁ = (001) (101) = 0 + 0 + 1 = 1

c₃₂ = (001) (110) = 0 + 0 + 0 = 0

c₃₃ = (001) (100) = 0 + 0 + 0 = 0

Следовательно,

Зная закон построения кода, определим все множество разрешенных кодовых комбинаций. Расположив их друг под другом, получим матрицу, совокупность строк которой является подпространством векторного пространства n-разрядных кодовых комбинаций (векторов) из элементов поля GF(P). В случае двоичного (n, k)-кода матрица насчитывает n столбцов и 2^k—1 строк (исключая нулевую). Например, для рассмотренного ранее кода (8,2), исправляющего все одиночные и двойные ошибки, матрица имеет вид

При больших n и k матрица, включающая все векторы кода, слишком громоздка. Однако совокупность векторов, составляющих линейное пространство разрешенных кодовых комбинаций, является линейно зависимей, так как часть векторов может быть представлена в виде линейной комбинации некоторой ограниченной совокупности векторов, называемой базисом пространства.

Совокупность векторов V₁, V₂, V₃, ..., V_n называют линейно зависимой, когда существуют скаляры с₁,..с_n (не все равные нулю), при которых

c₁V₁+ c₂V₂+…+ c_nV_n= 0

В приведенной матрице, например, третья строка представляет собой суммы по модулю два первых двух строк. Для полного определения пространства разрешенных кодовых комбинаций линейного кода достаточно записать в виде матрицы только совокупность линейно независимых векторов. Их число называют размерностью векторного пространства.

Среди 2^k – 1 ненулевых двоичных кодовых комбинаций — векторов их только k. Например, для кода (8,2)

Матрицу, составленную из любой совокупности векторов линейного кода, образующей базис пространства, называют порождающей (образующей) матрицей кода.

Если порождающая матрица содержит k строк по n элементов поля GF(q), то код называют (n, k)-кодом. В каждой комбинации (n, k)-кода k информационных символов и n – k проверочных. Общее число разрешенных кодовых комбинаций (исключая нулевую) Q = q^k-1.

Зная порождающую матрицу кода, легко найти разрешенную кодовую комбинацию, соответствующую любой последовательности А_ki из k информационных символов.

Она получается в результате умножения вектора А_ki на порождающую матрицу М_n,k:

А_ni = А_ki • М_n,k .

Найдем, например, разрешенную комбинацию кода (8,2), соответствующую информационным символам a₅=l, a₈ = 1:

.

Пространство строк матрицы остается неизменным при выполнении следующих элементарных операций над строками: 1) перестановка любых двух строк; 2) умножение любой строки на ненулевой элемент поля; 3) сложение какой-либо строки с произведением другой строки на ненулевой элемент поля, а также при перестановке столбцов.

Если образующая матрица кода M₂ получена из образующей матрицы кода M₁ с помощью элементарных операций над строками, то обе матрицы порождают один и тот же код. Перестановка столбцов образующей матрицы кода приводит к образующей матрице эквивалентного кода. Эквивалентные коды весьма близки по своим свойствам. Корректирующая способность таких кодов одинакова.

Для анализа возможностей линейного (n, k)-кода, а также для упрощения процесса кодирования удобно, чтобы порождающая матрица (М_n,k) состояла из двух матриц: единичной матрицы размерности k k и дописываемой справа матрицы-дополнения (контрольной подматрицы) размерности k • (n – k), которая соответствует n – k проверочным разрядам:

(4.3)

Разрешенные кодовые комбинации кода с такой порождающей матрицей отличаются тем, что первые k символов в них совпадают с исходными информационными, а проверочными оказываются (n - k) последних символов. Действительно, если умножим вектор-строку A_k,i = = (a₁ a₂…a_i...a_k) на матрицу М_n,k= [I_kP_k,n-k], получим вектор

A_n,i = (a₁a₂...a_i...a_k...a_k+1...a_j...a_n),

где проверочные символы а_j(k +1 j n) являются линейными комбинациями информационных:

(4.4)

Коды, удовлетворяющие этому условию, называют систематическими. Для каждого линейного кода существует эквивалентный систематический код. Как следует из (4.3), (4.4), информацию о способе построения такого кода содержит матрица-дополнение. Если правила построения кода (уравнения кодирования) известны, то значения символов любой строки матрицы-дополнения получим, применяя эти правила к символам соответствующей строки единичной матрицы.

Пример 31. Запишем матрицы I_k, Р_k,n-k_и M_n,k для двоичного кода (7,4).

Единичная матрица на четыре разряда имеет вид

Один из вариантов матрицы дополнения можно записать, используя соотношения (4.1)

Тогда для двоичного кода Хэммннга имеем:

Запишем также матрицу для систематического кода (7,4):

В свою очередь, по заданной матрице-дополнению P_k,n-k можно определить равенства, задающие правила построения кода. Единица в первой строке каждого столбца указывает на то, что в образовании соответствующего столбцу проверочного разряда участвовал первый информационный разряд. Единица в следующей строке любого столбца говорит об участии в образовании проверочного разряда второго информационного разряда и т, д.

Так как матрица-дополнение содержит всю информацию о правилах построения кода, то систематический код с заданными свойствами можно синтезировать путем построения соответствующей матрицы-дополнения.

Так как минимальное кодовое расстояние d для линейного кода равно минимальному весу его ненулевых векторов, то в матрицу-дополнение должны быть включены такие k строк, которые удовлетворяли бы следующему общему условию: вектор-строка образующей матрицы, получающаяся при суммировании любых l (1 l k) строк, должна содержать не менее d – l отличных от нуля символов.

Действительно, при выполнении указанного условия любая разрешенная кодовая комбинация, полученная суммированием l строк образующей матрицы, имеет не менее d ненулевых символов, так как l ненулевых символов она всегда содержит в результате суммирования строк единичной матрицы. Синтезируем таким путем образующую матрицу двоичного систематического кода (7,4) с минимальным кодовым расстоянием d = 3. В каждой вектор-строке матрицы-дополнения согласно сформулированному условию (при l=1) должно быть не менее двух единиц. Среди трехразрядных векторов таких имеется четыре: 011, 110, 101, 111.

Эти векторы могут быть сопоставлены со строками единичной матрицы в любом порядке. В результате получим матрицы систематических кодов, эквивалентных коду Хэмминга, например:

Нетрудно убедиться, что при суммировании нескольких строк такой матрицы (l>1) получим вектор-строку, содержащую не менее d=3 ненулевых символов.

Имея образующую матрицу систематического кодаМ_n,k= [I_kP_k,n-k], можно построить так называемую проверочную (контрольную) матрицу Н размерности (n – k) n:

При умножении неискаженного кодового вектора А_ni на матрицу, транспонированную к матрице Н, получим вектор, все компоненты которого равны нулю:

Каждая компонента S_j является результатом проверки справедливости соответствующего уравнения декодирования:

В общем случае, когда кодовый вектор А_ni =(a_1, a₂,…, a_i,…,a_k,a_k+1,…,a_j,…,a_n) искажен вектором ошибкиξ_ni =(ξ_1, ξ₂,…, ξ_i,…,ξ_k,aξ_k+1,…,ξ_j,…,ξ_n), умножение вектора (А_ni + ξ_ni) на матрицу Н^т дает ненулевые компоненты:

Отсюда видно, что S_j(k +1 j n) представляют собой символы, зависящие только от вектора ошибки, а вектор S= (S_{k + 1}, S_{k + 2}, ...,, S_j, ..., S_n) является не чем иным, как опознавателем ошибки (синдромом).

Для двоичных кодов (операция сложения тождественна операции вычитания) проверочная матрица имеет вид

Пример 32.Найдем проверочную матрицу Н для кода (7,4) с образующей матрицей М:

Определим синдромы в случаях отсутствия и наличия ошибки в кодовом векторе 1100011.

Выполним транспонирование матрицы P_4,3

Запишем проверочную матрицу:

Умножение на Н^т неискаженного кодового вектора 1100011 дает нулевой синдром:

При наличии в кодовом векторе ошибки, например, в 4-м разряде (1101011) получим:

Следовательно, вектор-строка 111 в данном коде является опознавателем (синдромом) ошибки в четвертом разряде. Аналогично можно найти и синдромы других ошибок. Множество всех опознавателей идентично множеству опознавателей кода Хэмминга (7,4), но сопоставлены они конкретным векторам ошибок по-иному, в соответствии с образующей матрицей данного (эквивалентного) кода.

4.8.5 Технические средства кодирования и декодирования для групповых кодов

Кодирующее устройство строится на основании совокупности равенств, отражающих правила построения кода. Определение значений символов в каждом из n – k проверочных разрядов в кодирующем устройстве осуществляется посредством сумматоров по модулю два.

На каждый разряд сумматора (кроме первого) используется четыре элемента И (вентиля) и два элемента ИЛИ.

Сумматор по модулю два выпускают в виде отдельного логического элемента, который на схеме изображается прямоугольником с надписью внутри -М2. Приведем несколько примеров реализации кодирующих и декодирующих устройств групповых кодов.

Пример 33. Рассмотрим техническую реализацию кода (7,4), имеющего целью исправление одиночных ошибок.

Правила построения кода определяются равенствами

a₁=a₃ a₅ a₇,

a₂=a₃ a₆ a₇,

a₄=a₅ a₆ a₇.

Схема кодирующего устройства приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6.

При поступлении импульса синхронизации со схемы управления подлежащая кодированию k-разрядная комбинация неизбыточного кода переписывается, например, с аналого-кодового преобразователя в информационные разряды n-разрядного регистра. Предположим, что в результате этой операции триггеры регистра установились в состояния, указанные в табл. 4.9.

С некоторой задержкой формируются выходные импульсы сумматоров С₁, С₂ С₃, которые устанавливают триггеры проверочных разрядов в положение 0 или 1 в соответствии с приведенными выше равенствами. Например, в нашем случае ко входам сумматора C₁ подводится информация, записанная в 3, 5 и 7-разрядах и, следовательно, триггер Тг₁ первого проверочного разряда устанавливается в положение 1, аналогично триггер Тг₂ устанавливается в положение 0, а триггер Тг₄ — в положение 1.

Сформированная в регистре разрешенная комбинация (табл. 4.10) импульсом, поступающим с блока управления, последовательно или параллельно считывается в линию связи. Далее начинается кодирование следующей комбинации.

Рассмотрим теперь схему декодирования и коррекции ошибок (рис. 4.7), строящуюся на основе совокупности проверочных равенств. Для кода (7, 4) они имеют вид:

a₁ a₃ a₅ a₇= 0 ,

a₂ a₃ a₆ a₇= 0,

a₄ a₅ a₆ a₇= 0 .

Таблица 4.9.

Кодовая комбинация, возможно содержащая ошибку, поступает на n-разрядный приемный регистр (на рис. 4.7 триггеры Тг₁ –Тг₇). По окончании переходного процесса в триггерах с блока управления на каждый из сумматоров (C₁ – С₃) поступает импульс опроса.

Таблица 4.10.

Рис. 4.7.

Выходные импульсы сумматоров устанавливают в положение 0 или 1 триггеры регистра опознавателей. Если проверочные равенства выполняются, все триггеры регистра опознавателей устанавливаются в положение 0, что соответствует отсутствию ошибок. При наличии ошибки в регистр опознавателей запишется опознаватель этого вектора ошибки. Дешифратор ошибки DC ставит в соответствие множеству опознавателей множество векторов ошибок. При опросе выходных вентилей дешифратора сигналы коррекции поступают только на те разряды, в которых вектор ошибки, соответствующий записанному на входе опознавателю, имеет единицы. Сигналы коррекции воздействуют на счетные входы триггеров. Последние изменяют свое состояние, и, таким образом, ошибка исправлена. На триггеры проверочных разрядов импульсы коррекции можно не посылать, если после коррекции информация списывается только с информационных разрядов. Для кода Хэмминга (7,4) любой опознаватель представляет собой двоичное трехразрядное число, равное номеру разряда приемного регистра, в котором записан ошибочный символ.

Предположим, что сформированная ранее в кодирующем устройстве комбинация при передаче исказилась и на приемном регистре была зафиксирована в виде, записанном в табл. 4.11.

Таблица 4.11.

По результатам опроса сумматоров получаем:

на выходе С₁ a₁ a₃ a₅ a₇= 1+1+1+0=1,

на выходе С₂ a₂ a₃ a₆ a₇= 0+1+1+0=0,

на выходе С₃ a₄ a₅ a₆ a₇= 1+1+1+0=1 .

Рис. 4.8.

Следовательно, номер разряда, в котором произошло искажение, 101 или 5. Импульс коррекции поступит на счетный вход триггера Тг₅, и ошибка будет исправлена.

Пример 34. Реализуем мажоритарное декодирование для группового кода (8,2), рассчитанного на исправление двойных ошибок.

В случае мажоритарного декодирования сигналы с триггеров приемного регистра поступают непосредственно или после сложения по модулю два в соответствии с уравнениями системы разделённых проверок на мажоритарные элементы М, формирующие скорректированные информационные символы.

Схема декодирования представлена на рис. 4.8. На входах мажоритарных элементов указаны сигналы, соответствующие случаю поступления из канала связи кодовой информации, искаженной в обоих информационных разрядах (5-м и 8-м). Реализуя принцип решения «по большинству», мажоритарные элементы восстанавливают на выходе правильные значения информационных символов.