信息论与编码课程设计
——线性分组码(6,3)编译
08 信息工程
XXX
1. 摘要
在通信系统中,要提高信息传输的有效性,我们将信源的输出经
过信源编码用较少的符号来表达信源消息,这些符号的冗余度很小,
效率很高,但对噪声干扰的抵抗能力很弱。为了提高信息传输的准确
性,我们引进了差错控制技术。而该技术采用可靠的,有效的信道编
码方法来实现的。
纠错码是一种差错控制技术,目前已广泛应用于各种通信系统和
计算机系统中,纠错编码主要用于数字系统的差错控制,对于保证通
信、存储、媒体播放和信息转移等数字传递过程的质量有着重要意义,
是通信、信息类科知识结构中不可缺少的一部分。
本次课程设计系统地介绍了信道编码概述,以及线性分组码的基
本原理和含义,常用纠错码的简介和分类,同时也应用 Matlab 实现(6,
3)线性分组码的编码和译码。
2. 关键字
通信系统、信道编码、线性分组码、汉明码、Matlab
3.概念与原理
3.1 信道编码概述
数字信号在传输中往往由于各种原因,使得在传送的数据流中产
生误码,从而使接收端产生图像跳跃、不连续、出现马赛克等现象。
所以通过信道编码这一环节,对数码流进行相应的处理,使系统具有
一定的纠错能力和抗干扰能力,可极大地避免码流传送中误码的发生。
误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。
信道编码理论是指通过信道编码器和译码器实现的用于提高信
道可靠性的理论和方法,是信息论的内容之一。提高数据传输效率,
降低误码率是信道编码的任务。
信道编码的本质是增加通信的可靠性。但信道编码会使有用的信
息数据传输减少,信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元,
从而达到在接收端进行判错和纠错的目的,这就是我们常常说的开销。
这就好像我们运送一批玻璃杯一样,为了保证运送途中不出现打烂玻
璃杯的情况,我们通常都用一些泡沫或海绵等物将玻璃杯包装起来,
这种包装使玻璃杯所占的容积变大,原来一部车能装 5000 个玻璃杯
的,包装后就只能装 4000 个了,显然包装的代价使运送玻璃杯的有
效个数减少了。同样,在带宽固定的信道中,总的传送码率也是固定
的,由于信道编码增加了数据量,其结果只能是以降低传送有用信息
码率为代价了。将有用比特数除以总比特数就等于编码效率了,不同
的编码方式,其编码效率有所不同。
例如,数字电视中常用的纠错编码,通常采用两次附加纠错码的
前向纠错(FEC)编码。前向纠错码(FEC)的码字是具有一定纠错能
力的码型,它在接收端解码后,不仅可以发现错误,而且能够判断错
误码元所在的位置,并自动纠错。这种纠错码信息不需要储存,不需
要反馈,实时性好。所以在广播系统(单向传输系统)都采用这种信
道编码方式。
信道编码大致分为两类 :①信道编码定理,从理论上解决理想
编码器、译码器的存在性问题,也就是解决信道能传送的最大信息率
的可能性和超过这个最大值时的传输问题。②构造性的编码方法以及
这些方法能达到的性能界限。
一方面,无线信道的恶劣性使接受信号展现出非常差的错误率,
迫使译码器在非常低的信噪比下工作。另一方面,“频带”是无线通
信系统宝贵而紧张的资源,尤其是在用户密集的闹市区和室内通信系
统中。为此,对编译码器的设计提出了很高的要求,驱使译码要充分
用到所以已知的信号特点;而且,会占用带宽信息的“冗余”必须谨
慎使用。
与此同时,集成电路技术的快速发展也使得信道编译码器四要素,
即系统性能、宽带资源、传输约束条件和实现复杂度可以再更高层次
上获得平衡,这促使了信道编译码技术应用于民用数字通信系统中,
尤其是无线通信系统中。
3.2 线性分组码的基本概念
线性分组码(n,k)中许用码字(组)为 2
k
个。定义线性分组
码的加法为模 2 和,乘法为二进制乘法。即 1+1=0、1+0=1、0+1=1、
0+0=0;1×1=1、1×0=0、0×0=0、0×1=0。且码字
与码字 的运算在各个相应比特位上符合上述二进制
加法运算规则。
线性分组码具有如下性质(n,k)的性质:
1、封闭性。任意两个码组的和还是许用的码组。
2、码的最小距离等于非零码的最小码重。
对于码组长度为 n、信息码元为 k 位、监督码元为 r=n-k 位的
分组码,常记作(n,k)码,如果满足 2
r
-1≥n,则有可能构造出纠
正一位或一位以上错误的线性码。
一个编码系统中任意两个合法编码(码字)之间不同的二进数位
(bit)数叫这两个码字的码距,而整个编码系统中任意两个码字的
的最小距离就是该编码系统的码距。码距越大,纠错能力越强,但数
据冗余也越大,即编码效率低了。所以,选择码距要取决于特定系统
的参数。
线性码具有很多优点。首先,线性码比非线性码更容易编码和译码。
其次,线性码传送信息更快。而且码的所有码字可由它的基底表示,
线性码的最小距离和它的最小重量相等。
线性分组码是同时具有分组特性(码字和消息长度恒定)和
线性特性(消息相加后的编码等于各自编码后相加)的纠错码。
一个(n,k)线性分组码的码字 c 可表示为
c=mG
【其中,m 为任意的 k 向量(称为消息向量),G 是 k 行 n 列(n>=k)的秩为 k 的矩
阵(称为生成矩阵)。】
对于二元编码,c 和 m 都是二元向量,G 也是一个二元矩阵,
ij
g
�
{0,1},向量与矩阵之间、矩阵与矩阵之间的基本运算是模二加
和模二乘运算,如表:
00 0, 1
1,0 1, 1
n
k k n
g g
G
g g
-
- - -
é ù
ê ú
=
ê ú
ê ú
ë û
L
M M
L