Учебно-методический центр языковой подготовки автф кц. Процесс циклического кодирования Кодирование циклическим кодом пример

К числу эффективных кодов, обнаруживающих одиночные, кратные ошибки и пачки ошибок, относятся циклические коды (CRC - Cyclic Redundance Code). Они высоконадежны и могут применяться при блочной синхронизации, при которой выделение, например, бита нечетности было бы затруднительно.

Один из вариантов циклического кодирования заключается в умножении исходного кода на образующий полином g(x), а декодирование - в делении на g(x). Если остаток от деления не равен нулю, то произошла ошибка. Сигнал об ошибке поступает на передатчик, что вызывает повторную передачу.

Образующий полином есть двоичное представление одного из простых множителей, на которые раскладывается число X n -1, где X n обозначает единицу в n-м разряде, n равно числу разрядов кодовой группы. Так, если n = 10 и Х = 2, то X n -1 = 1023 = 11*93, и если g(X)=11 или в двоичном коде 1011, то примеры циклических кодов A i *g(Х) чисел A i в кодовой группе при этом образующем полиноме можно видеть в следующей табл. 3.1.

Основной вариант циклического кода, широко применяемый на практике, отличается от предыдущего тем, что операция деления на образующий полином заменяется следующим алгоритмом: 1) к исходному кодируемому числу А справа приписывается К нулей, где К - число битов в образующем полиноме, уменьшенное на единицу; 2) над полученным числом А*(2 К) выполняется операция О, отличающаяся от деления тем, что на каждом шаге операции вместо вычитания выполняется поразрядная операция "исключающее ИЛИ": 3) полученный остаток В и есть CRC - избыточный К-разрядный код, который заменяет в закодированном числе С приписанные справа К нулей, т.е.

С= А*(2 К)+В.

На приемном конце над кодом С выполняется операция О. Если остаток не равен нулю, то при передаче произошла ошибка и нужна повторная передача кода А.

П р и м е р. Пусть А = 1001 1101, образующий полином 11001.

Так как К = 4, то А*(2 K)=100111010000. Выполнение операции О расчета циклического кода показано на рис. 3.2.

Таблица 3.1

Положительными свойствами циклических кодов являются малая вероятность необнаружения ошибки и сравнительно небольшое число избыточных разрядов.

Рис. 3.2. Пример получения циклического кода

6. Исправление ошибок с помощью циклических кодов

В разделе 3 было показано, что для декодирования правильно принятого кодового слова, т. е. нахождения соответствующего информационного слова, достаточно многочлен, соответствующий принятому кодовому слову, разделить на порождающий многочлен кода. Однако если при передаче произошли ошибки, то в процессе декодирования необходимо эти ошибки исправить.

Поскольку циклические коды являются линейными, то процесс обнаружения и исправления ошибок связан с нахождением синдрома принятого вектора. Напомним, что синдром вектора u вычисляется как произведение вектора на транспонированную проверочную матрицу кода, т. е. s u = uH T . В случае циклического кода синдром равен остатку от деления соответствующего многочлена на порождающий многочлен кода, если проверочная матрица строится определенным образом. Иными словами, если g (x ) - порождающий многочлен кода, то синдром вектора u равен остатку от деления u (x ) на g (x ). Если ошибок не было, то остаток, а следовательно, и синдром принятого вектора, равен 0.

Для того чтобы произвести исправление ошибок нам необходимо построить таблицу, в которой в одном столбце будут все возможные векторы ошибок, которые данный код может исправить, а во втором столбце - соответствующие им синдромы. Исправление ошибок, общее для всех линейных кодов, будет следующим:

1. Для принятого слова находим синдром многочлена, соответствующего принятому слову.

2. Если синдром не равен 0, то по полученному синдрому (остатку от деления) находим в таблице соответствующий ему вектор ошибок.

3. Исправляем принятое слово путем сложения по модулю 2 с вычисленным вектором ошибок.

Первый шаг, который выполняется умножением принятого слова на транспонированную проверочную матрицу, для циклических кодов очень простой, если матрица H является проверочной матрицей систематического кода. В этом случае, j -я строка транспонированной матрицы H T соответствует остатку от деления многочлена x n -1- j на порождающий многочлен кода, и синдром равен остатку от деления многочлена, соответствующего принятому слову, на порождающий многочлен кода.

Пример: Рассмотрим циклический (7,1)-код, порожденный многочленом g (x ) = x 6 + x 5 + x 4 + x 3 + x 2 + x +1. Код состоит из двух слов 0000000 и 1111111 и исправляет все комбинации из 3 или менее ошибок. Образующими являются все булевы векторы длины 7 веса 0, 1, 2 и 3. Проверочная матрица строится по частному (x +1) от деления x 7 +1 на x 6 + x 5 + x 4 + x 3 + x 2 + x +1 и имеет вид

Пусть принято слово 11101101, которое соответствует многочлену x 6 + x 5 + x 4 + x 2 + 1. Остаток от деления этого многочлена на порождающий многочлен кода равен x 3 + x . Непосредственной проверкой можно убедиться, что при умножении вектора u = 1110101 на транспонированную матрицу H T , так же как и при умножении вектора 0001010 на H T получается вектор 0001010, который соответствует многочлену x 3 + x . Вектор, соответствующий многочлену x 3 + x , имеет вес 2, т. е. является образующим смежного класса. Сложив принятый вектор 11101101 с образующим 0001010, мы получим кодовое слово 1111111, т. е. ошибка будет исправлена.

Для линейных кодов число различных синдромов равно 2 n - k , где n -k - число проверочных символов. Поэтому для кодов с большой длиной кодового слова, т. е. с достаточно большим числом проверочных символов, таблица синдромов получается очень большая, и потребуется много времени на поиск вектора ошибок. Для уменьшения количества строк в этой таблице для циклических кодов можно воспользоваться строгой математической структурой таких кодов. Основной теоремой является теорема Мегитта, которая устанавливает связь между циклическими сдвигами вектора и их остатками от деления на порождающий многочлен кода.

Теорема 6.1 . (Меггит). Пусть s - синдром вектора u длины n . Синдром циклического сдвига вектора u совпадает с синдромом вектора, соответствующего полиному xs (x ).

Пример: Рассмотрим (7,4)-код Хэмминга, который является циклическим кодом, порожденным многочленом g (x ) = x 3 + x + 1. двоичный вектор 1011000 является кодовым словом, так как соответствующий многочлен x 6 + x 4 + x 3 делится на g (x ). Предположим, что при передаче этого кодового слова произошла одна ошибка в разряде, соответствующем x 4 , и принято слово u = 1001000. Синдром s принятого вектора равен 110, что соответствует многочлену x 2 + x .

Рассмотрим циклический сдвиг 0010001 вектора u . Ему соответствует многочлен x 4 + 1. Непосредственной проверкой можно убедиться, что остаток от деления многочлена x 4 + 1 на многочлен x 3 + x + 1 равен x 2 + x + 1, т. е. синдром вектора 0010001 равен 111. Остаток от деления полинома xs (x ) = x 3 + x 2 на x 3 + x + 1 также равен x 2 + x + 1.

Используя теорему Мегитта, в таблице синдромов можно хранить только синдромы векторов ошибок, соответствующие ошибкам в старшем разряде. Процедура исправления ошибок содержит следующие шаги:

1. Находим синдром принятого вектора, разделив соответствующий многочлен на порождающий многочлен кода. Если остаток от деления, содержащийся в регистре равен 0, то ошибок не было, и частное от деления есть искомое информационное слово. Иначе сравниваем остаток от деления со всеми синдромами, содержащимися в таблице.

2. Если остаток совпал с одним из синдромов таблицы, то прибавляем соответствующий вектор ошибок к принятому слову, делим полученное слово на порождающий многочлен кода; частное от деления есть искомое информационное слово. Если остаток xs (x ) не совпадает ни с одним из синдромов таблицы, умножаем s (x ) на x и делим многочлен xs (x ) на порождающий многочлен кода.

3. Выполняем Шаг 2 до тех пор, пока после p шагов остаток не совпадет с одним из синдромов таблицы. После этого циклически сдвигаем соответствующий вектор ошибок p раз, прибавляем полученный вектор к принятому слову, делим полученное слово на порождающий многочлен кода; частное от деления есть искомое информационное слово.

Пример: Рассмотрим циклический (7,4)-код Хэмминга, порожденным многочленом g (x ) = x 3 + x + 1. Соответствующая таблица декодирования с синдромами имеет следующий вид.

и предположим, что в переданном кодовом слове 0001011 произошла одна ошибка, т. е. принято, например, слово 0101011, которому соответствует многочлен x 5 + x 3 + x + 1. Остаток от деления многочлена x 5 + x 3 + x + 1 на порождающий многочлен кода g (x ) = x 3 + x + 1 равен x 2 + x + 1, т. е. синдром принятого вектора отличен от 0 и равен 111. Такого синдрома в таблице нет, и следовательно, в старшем разряде ошибок нет. Умножаем многочлен x 2 + x + 1, соответствующий синдрому 111, на x и делим полученный многочлен x 3 + x 2 + x на g (x ). Остаток от деления многочлена x 3 + x 2 + x на x 3 + x + 1 равен x 2 + 1, т. е. синдром 101, соответствующий остатку, совпадает с синдромом в сокращенной таблице декодирования. Соответственно, образующий 100000 смежного класса сдвигается на один разряд влево, и полученный вектор 0100000 складывается с принятым вектором 0101011. В результате получается слово 0001011, которое и является переданным кодовым словом, т. е. ошибка будет исправлена.

Можно упростить этот декодер. В частности, при циклическом сдвиге принятого слова многие из исправляемых конфигураций ошибок могут появиться несколько раз. Если удалить один из этих синдромов, то при соответствующем циклическом сдвиге ошибка все-таки будет найдена. Следовательно, для каждой такой пары достаточно запоминать только один синдром.

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. Неприводимыми называются 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) = x 3 + x 2 + 1 ® 1011. Пока не обосновывая свой выбор, берем из таблицы неприводимых многочленов в качестве образующего многочлен P(x) = x 3 + 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) x n = (x 3 + x 2 + 1 ) x 3 =x 6 + x 5 + x 3 = 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) x n на P(x) :

x 6 +x 5 +0+x 3 +0+0+0 ½x 3 +x+1

x 6 +0+x 4 +x 3

x 5 +x 4 +0+0 x 3 +x 2 +x+1+ x 5 +0+x 3 +x 2

x 4 + x 3 +x 2 +0

x 4 + 0 +x 2 +x

x 3 +0+x+0

x 3 +0+x+1

Таким образом,

или в общем виде

где Q(x) ¾ частное, а R(x) ¾ остаток от деления G(x)×x n 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) x n +R(x),

что в случае нашего примера даст

F(x)= (x 3 + x 2 + x + 1) (x 3 + x + 1)= (x 3 + x 2 + 1) x 3 + 1,

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.

01100 11111+

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 d 0 - 1, где d 0 ‑ 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

Согласно таблице таким значением будет k = 11, при этом r = 4, а

n = 15. Также выбираем образующий многочлен x 4 + x 3 +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.

Соответствующий этому слову, от формальной переменной x . Видно, что это соответствие не просто взаимнооднозначное, но и изоморфное . Так как «слова» состоят из букв из поля, то их можно складывать и умножать (поэлементно), причём результат будет в том же поле. Полином, соответствующий линейной комбинации пары слов и , равен линейной комбинации полиномов этих слов

Это позволяет рассматривать множество слов длины n над конечным полем как линейное пространство полиномов со степенью не выше n-1 над полем

Алгебраическое описание

Если кодовое слово, получающееся циклическим сдвигом на один разряд вправо из слова , то ему соответствующий полином c 1 (x ) получается из предыдущего умножением на x:

Пользуясь тем, что ,

Сдвиг вправо и влево соответственно на j разрядов:

Если m (x ) - произвольный полином над полем G F (q ) и c (x ) - кодовое слово циклического (n ,k ) кода, то m (x )c (x )m o d (x n − 1) тоже кодовое слово этого кода.

Порождающий полином

Определение Порождающим полиномом циклического (n ,k ) кода C называется такой ненулевой полином из C , степень которого наименьшая и коэффициент при старшей степени g r = 1 .

Теорема 1

Если C - циклический (n ,k ) код и g (x ) - его порождающий полином, тогда степень g (x ) равна r = n − k и каждое кодовое слово может быть единственным образом представлено в виде

c (x ) = m (x )g (x ) ,

где степень m (x ) меньше или равна k − 1 .

Теорема 2

g (x ) - порождающий полином циклического (n ,k ) кода является делителем двучлена x n − 1

Следствия: таким образом в качестве порождающего полинома можно выбирать любой полином, делитель x n − 1 . Степень выбранного полинома будет определять количество проверочных символов r , число информационных символов k = n − r .

Порождающая матрица

Полиномы линейно независимы, иначе m (x )g (x ) = 0 при ненулевом m (x ) , что невозможно.

Значит кодовые слова можно записывать, как и для линейных кодов, следущим образом:

, где G является порождающей матрицей , m (x ) - информационным полиномом.

Матрицу G можно записать в символьной форме:

Проверочная матрица

Для каждого кодового слова циклического кода справедливо . Поэтому проверочную матрицу можно записать как:

Кодирование

Несистематическое

При несистематическом кодирование кодовое слово получается в виде произведения информационного полинома на порождающий

c (x ) = m (x )g (x ) .

Оно может быть реализовано при помощи перемножителей полиномов.

Систематическое

При систематическом кодировании кодовое слово формируется в виде информационного подблока и проверочного

Пусть информационное слово образует старшие степени кодового слова, тогда

c (x ) = x r m (x ) + s (x ),r = n − k

Тогда из условия , следует

Это уравнение и задает правило систематичекого кодирования. Оно может быть реализовано при помощи многотактных линейных фильтров(МЛФ)

Примеры

Двоичный (7,4,3) код

В качестве делителя x 7 − 1 выберем порождающий полином третьей степени g (x ) = x 3 + x + 1 , тогда полученный код будет иметь длину n = 7 , число проверочных символов (степень порождающего полинома) r = 3 , число информационных символов k = 4 , минимальное расстояние d = 3 .

Порождающая матрица кода:

,

где первая строка представляет собой запись полинома g (x ) коэффициентами по возрастанию степени. Остальные строки - циклические сдвиги первой строки.

Проверочная матрица:

,

где i-ый столбец, начиная с 0-ого, представляет собой остаток от деления x i на полином g (x ) , записанный по возрастанию степеней, начиная сверху.

Так, например, 3-ий столбец получается , или в векторной записи .

Легко убедиться, что G H T = 0 .

Двоичный (15,7,5) БЧХ код

В качестве порождающего полинома g (x ) можно выбрать произведение двух делителей x 15 − 1 ^

g (x ) = g 1 (x )g 2 (x ) = (x 4 + x + 1)(x 4 + x 3 + x 2 + x + 1) = x 8 + x 7 + x 6 + x 4 + 1 .

Тогда каждое кодовое слово можно получить с помощью произведения информационного полинома m (x ) со степенью k − 1 таким образом:

c (x ) = m (x )g (x ) .

Например, информационному слову соответствует полином m (x ) = x 6 + x 5 + x 4 + 1 , тогда кодовое слово c (x ) = (x 6 + x 5 + x 4 + 1)(x 8 + x 7 + x 6 + x 4 + 1) = x 14 + x 12 + x 9 + x 7 + x 5 + 1 , или в векторном виде

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Циклические формы в музыке
• Цикличные граничные условия

Смотреть что такое "Циклические коды" в других словарях:

укороченные циклические коды - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN shortened cyclic codes …

Коды Рида-Соломона - недвоичные циклические коды, позволяющие исправлять ошибки в блоках данных. Элементами кодового вектора являются не биты, а группы битов (блоки). Очень распространены коды Рида Соломона, работающие с байтами (октетами). Код Рида Соломона является … Википедия

коды Голея - Семейство совершенных линейных блоковых кодов с исправлением ошибок. Наиболее полезным является двоичный код Голея. Известен также троичный код Голея. Коды Голея можно рассматривать как циклические коды. … … Справочник технического переводчика

Коды, исправляющие ошибки

Коды исправляющие ошибки - Обнаружение ошибок в технике связи действие, направленное на контроль целостности данных при записи/воспроизведении информации или при её передаче по линиям связи. Исправление ошибок (коррекция ошибок) процедура восстановления информации после… … Википедия

Исправляющие ошибки Коды - Обнаружение ошибок в технике связи действие, направленное на контроль целостности данных при записи/воспроизведении информации или при её передаче по линиям связи. Исправление ошибок (коррекция ошибок) процедура восстановления информации после… … Википедия

Широкое распространение на практике получил класс линейных кодов, которые называются цшаическими кодами . Название происходит от основного свойства этих кодов: если некоторая кодовая комбинация принадлежит циклическому коду, то комбинация, полученная циклической перестановкой исходной комбинации (циклическим сдвигом), также принадлежит данному коду:

Вторым свойством всех разрешенных комбинаций циклических кодов является их делимость без остатка на некоторый выбранный полином, называемый производящим.

Эти свойства используются при построении кодов кодирующих и декодирующих устройств, а также при обнаружении и исправлении ошибок.

Циклические коды - это целое семейство помехоустойчивых кодов (одной из разновидностей которых являются коды Хэмминга), обеспечивающее большую гибкость с точки зрения возможности реализации кодов с необходимой способностью обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче кодовых комбинаций по каналу связи. Циклический код относится к систематическим блочным (л, &)-кодам, в которых к первых разрядов представляют собой комбинацию первичного кода, а последующие (л - к) разрядов являются проверочными.

В основе построения циклических кодов лежит операция деления передаваемой кодовой комбинации на порождающий неприводимый полином степени г. Остаток от деления используется при формировании проверочных разрядов. При этом операции деления предшествует операция умножения, осуществляющая сдвиг влево ^-разрядной информационной кодовой комбинации на г разрядов.

При декодировании принятой л-разрядной кодовой комбинации опять производится деление на порождающий (производящий, образующий) полином.

Синдромом ошибки в этих кодах является наличие остатка от деления принятой кодовой комбинации на порождающий полином. Если синдром равен нулю, то считается, что ошибок нет. В противном случае с помощью полученного синдрома можно определить номер разряда принятой кодовой комбинации, в котором произошла ошибка, и исправить ее.

Однако не исключается возможность возникновения в кодовых комбинациях многократных ошибок, что может привести к ложным исправлениям и (или) необнаружению ошибок при трансформации одной разрешенной комбинации в другую.

Пусть общее число битов в блоке равно я, из них полезную информацию несут в себе т битов, тогда в случае ошибки имеется возможность исправить j битов. Зависимость 5 от п и т для кодов можно определить по табл. 2.6.

Таблица 2.6

Зависимость общего числа разрядов комбинаций от количества информационных и исправляемых разрядов

Увеличивая разность (п - т), можно не только нарастить число исправляемых бит s, но и обнаружить множественные ошибки. Проценты обнаруживаемых множественных ошибок приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7

Проценты обнаруживаемых множественных ошибок

Описание циклических кодов и их построение удобно проводить с помощью многочленов (или полиномов). Запись комбинации в виде полинома используется для того, чтобы отобразить формализованным способом операцию циклического сдвига исходной кодовой комбинации. Так, «-элементную кодовую комбинацию можно описать полиномом (п - 1) степени:

где a„_j = {0, 1}, причем а„_, = 0 соответствуют нулевым элементам комбинации, д„_, = 1 - ненулевым; i - номер разряда кодовой комбинации.

Представим полиномы для конкретных 4-элементных комбинаций:

Операции сложения и вычитания являются эквивалентными и ассоциативными и выполняются по модулю 2:

Примеры выполнения операций:

Операция деления является обычным делением многочленов, только вместо вычитания используется сложение по модулю 2:

Циклический сдвиг кодовой комбинации - перемещение ее элементов справа налево без нарушения порядка их следования, так что крайний левый элемент занимает место крайнего правого.

Основные свойства и название циклических кодов связаны с тем, что все разрешенные комбинации битов в передаваемом сообщении (кодовые слова) могут быть получены путем операции циклического сдвига некоторого исходного кодового слова.

Допустим, задана исходная кодовая комбинация и соответствующий ей полином:

Умножим а(х) на х:

Так как максимальная степень х в кодовой комбинации длиной п не превышает (л - 1), то из правой части полученного выражения для получения исходного полинома необходимо вычесть а„(х" - 1). Вычитание а„(х" - 1) называется взятием остатка по модулю (х п - 1).

Сдвиг исходной комбинации на / тактов можно представить следующим образом: а(х) ? У - а„(х" - 1), т.е. умножением а(х) нах" и взятием остатка по модулю (х" - 1). Взятие остатка необходимо при получении многочлена степени, большей или равной п.

Идея построения циклических кодов базируется на использовании неприводимых многочленов. Неприводимым называется многочлен, который не может быть представлен в виде произведения многочленов низших степеней, т.е. делиться только на самого себя или на единицу и не делиться ни на какой другой многочлен. На такой многочлен делится без остатка двучлен (х" + 1). Неприводимые многочлены в теории циклических кодов играют роль порождающих полиномов.

Возвращаясь к определению циклического кода и учитывая запись операций циклического сдвига кодовых комбинаций, можно записать порождающую матрицу циклического кода в следующем виде:

где Р(х) - исходная кодовая комбинация, на базе которой получены все остальные (т - 1) базовые комбинации;

С, = 0 или Cj = 1 («О», если результирующая степень полинома Р(х)-х‘ не превосходит (л - 1), или «1» - если превосходит).

Комбинация Р(х) называется порождающей (генераторной) комбинацией. Для построения циклического кода достаточно верно выбрать Р(х). Затем все остальные кодовые комбинации получаются такими же, как и в групповом коде.

Порождающий полином должен удовлетворять следующим требованиям:

• Р(х) должен быть ненулевым;
• вес Р(х ) не должен быть меньше минимального кодового расстояния: V(P(x)) > d mm ;
• Р(х) должен иметь максимальную степень к (к - число избыточных элементов в коде);
• Р(х) должен быть делителем полинома (х" - 1).

Выполнение последнего условия приводит к тому, что все рабочие кодовые комбинации циклического кода приобретают свойство делимости на Р(х) без остатка. Учитывая это, можно дать другое определение циклического кода: циклический код - это код, все рабочие комбинации которого делятся на порождающий полином без остатка.

Для определения степени порождающего полинома можно воспользоваться выражением г > log 2 (и + 1), где п - размер передаваемого пакета за один раз, т.е. длина строящегося циклического кода.

Примеры порождающих полиномов приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Примеры порождающих полиномов

Алгоритм получения разрешенной кодовой комбинации циклического кода из комбинации простого кода следующий.

Пусть заданы полином Р(х) = а г _ { х г + а г _ 2 х г ~ 1 + ... + 1, определяющий корректирующую способность кода, и число проверочных разрядов к, а также исходная комбинация простого от-элементного кода и информационные разряды в виде многочлена А т (х).

Требуется определить разрешенную кодовую комбинацию циклического кода (и, к).

• 1. Представляем исходную кодовую комбинацию в виде многочлена А т (х). Умножаем многочлен исходной кодовой комбинации на х г: А т (х ) х г. Степень порождающего полинома г равна значению старшего разряда исходной кодовой комбинации.
• 2. Определяем проверочные разряды, дополняющие исходную информационную комбинацию до разрешенной, как остаток от деления полученного в предыдущем пункте произведения на порождающий

полином:

Остаток деления обозначим как R(x).

3. Окончательно разрешенная кодовая комбинация циклического

кода определится как = А т (х) ? x r + R(x).

Для определения ошибок в принятой кодовой комбинации достаточно разделить ее на порождающий полином. Если принятая комбинация - разрешенная, то остаток от деления будет нулевым. Ненулевой остаток свидетельствует о том, что принятая комбинация содержит ошибки. По виду остатка (синдрома) можно в некоторых случаях также сделать вывод о характере ошибки и ее местоположении и исправить ошибку.

Алгоритм определения ошибки следующий.

Пусть заданы «-элементные комбинации (п = к + т).

• 1. Выявляем факт наличия ошибки. Получаем остаток от деления принятой комбинации А п -(х) на порождающий полином Р(х): А (х)
• --- = Rq(x). Наличие остатка R 0 (x) при (Л 0 (х) ф 0) свидетельствует Р(х)

об ошибке.

2. Делим полученный полином #(х) = Л„_, (х) 0 Rq (х) на образующий Р г (х): Ш-1 = R(x), где R(x) - текущий остаток.

3. Сравниваем ЛДх) и R(x). Если они равны, то ошибка произошла в старшем разряде. Если нет, то увеличиваем степень принятого полинома на х и снова делим:

4. Сравниваем полученный остаток с Rq(x). Если они равны, то ошибка произошла во втором разряде. Если они не равны, то умножаем Щх) х 2 и повторяем эти операции до тех пор, пока не получим

R(x) = ад.

Ошибка будет в разряде, соответствующем числу, на которое повышена степень Щх), плюс 1. Например, в случае равенства R(x) и ЛДх)