循环码的编码、译码与循环冗余校验

timerring
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循环码的编码

循环码编码用硬件实现时, 可用除法电路来实现。 除法电路主要是由移位寄存器和模 2 加法器组成。

r(x)=xn−ku(x) mod g(x)c(x)=xn−ku(x)+r(x)\begin{array}{c} r(x)=x^{n-k} u(x) \bmod g(x) \\ c(x)=x^{n-k} u(x)+r(x) \end{array}

码多项式中 x 的幂次代表移位的次数。

例如图给出 (7,3) 循环码编码器的组成。g(x)=1+x+x2+x4g(x)=1+x+x^{2}+x^{4}。图中对应 g(x) 有4级移位寄存器, 分别用 D1,D2,D3,D4D_{1}, D_{2}, D_{3} , D_{4}表示。

g(x) 多项式中系数是 1 或 0 表示该位上反馈线的有无, 信号 Φ1\Phi_{1}, Φ2\quad \Phi_{2} , 控制门电路1-3。当信息位输入时, 控制信号使门1, 门3打开, 门2关闭, 输入信息码元一方面送 除法器进行运算, 另一方面直接输出。

在信息位全部输入除法器之后, 控制信号使门1, 3关闭, 门2打开, 这 时寄存器通过门2直接输出, 将寄位寄存器中的除法余项依次取出, 即 将监督码元附加在信息码元之后。则编出的码组前面是原来 k\mathbf{k} 个信息 码元，后面是(n-k)个监督码元，从而得到系统分组码。

为便于理解，下表给出这一编码器的工作过程。这里设信息码元为110，编出的监督码元为0101，循环码组为1100101。

循环码的伴随多项式译码

循环码的译码电路如图所示。

无错: y(x) mod g(x)=0y(x)_{\bmod g(x)}=0 ;

有错: y(x) mod g(x)≠0y(x)_{\bmod g(x)} \neq 0 。

收、发码字与错误图样多项式关系:

错误图样: e→=[e0e1⋯en−1]⇒e(x)\overrightarrow{\boldsymbol{e}}=\left[e_{0} e_{1} \cdots e_{n-1}\right] \Rightarrow e(x);

接收码字: y(x)=c(x)⨁e(x)\mathrm{y}(x)=c(x) \bigoplus e(x)

伴随式译码：

(1)对最可能出现的错误图样计算相应的伴随多项式: S(x)=e(x) mod g(x)S(x)=e(x) \bmod g(x) , 并构造伴随式一错误图样表 [(S⃗,e⃗)][(\vec{S}, \vec{e})] ;

(2)根据接收码式计算伴随多项式; S(x)=y(x) mod g(x)S(x)=y(x) \bmod g(x)

(3)由伴随式 S⃗\vec{S} 查错误图样 e⃗\vec{e} ;

(4)对接收码字进行纠错, 得到发送码字的估计值:

c^=y→−e→=y→⊕e→\hat{\mathbf{c}}=\overrightarrow{\mathbf{y}}-\overrightarrow{\mathbf{e}}=\overrightarrow{\mathbf{y}} \oplus \overrightarrow{\mathbf{e}}

(5)循环码可以用移位寄存器实现伴随式译码

循环冗余校验 (Cyclic Redundancy Check, CRC)

适合于检测错误, 具有很强的检错能力, 且实现简单。

CRC检错性能如下:

  • 可以检测出突发长度 <n−k+1<\boldsymbol{n}-\boldsymbol{k}+\boldsymbol{1} 的突发错误
  • 大部分突发长度 =n−k+1=\boldsymbol{n}-\boldsymbol{k}+1 的错误可以检测出, 其中不可检出的错误占 2−(n−k−1)2^{-(n-k-1)} ;
  • 大部分突发长度 >n−k+1>\boldsymbol{n}-\boldsymbol{k}+\mathbf{1} 的错误可以检测出, 其中不可检出的错误占 2−(n−k)2^{-(n-k)} ;
  • 可以检测出所有与许用码字码距 ≤dmin⁡−1\leq d_{\min }-1 的错误;
  • 可以检测出所有奇数个错误。
  • CRC不一定是循环码。但是码多项式一定是生成多 项式的倍式。

常用的CRC冗余校验码生成方程

CRC-16 g(x)=X16+X15+X2+1g(x)=X^{16}+X^{15}+X^{2}+1 (USB)

CRC-ITU g(x)=X16+X12+X5+1g(x)=X^{16}+X^{12}+X^{5}+1 (HDLC, PPP)

CRC-32 g(x)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1g(x)=X^{32}+X^{26}+X^{23}+X^{22}+X^{16}+X^{12}+ X^{11}+X^{10}+X^{8}+X^{7}+X^{5}+X^{4}+X^{2}+X+1 (LANS, PPP)

注意:

  1. CRC不一定是循环码, 它是 (k+r, k) 线性分组码，其中 r 为 g(x) 的阶数;
  2. CRC码多项式一定是生成多项式的倍式;
  3. 生成多项式不一定是 xn+1x^{n}+1 的因式;
  4. 编码过程和系统型循环码一样;
  5. 检错过程就是用接收码多项式除以生成多项式, 余式 ≠0\neq \mathbf{0} , 即为有错。

讨论：若已知CRC生成多项式 g(x) ，要信息位为 k\mathrm{k} ，需 加入r位校验位，如何编码?

例: 若 g(x)=x4+x+1g(x)=x^{4}+x+1 ，已知数据信息为 110010110，现要对其进行CRC编码，如何编? 若收到的码字为 1100101001010 ，请问是否出错?

r=4 ; k\mathrm{k}=9

码多项式的最高阶次为 12 .

x4u(x)=x12+x11+x8+x6+x5r(x)=x4u(x) mod g(x)=x3+x2+x\begin{array}{c} x^{4} u(x)=x^{12}+x^{11}+x^{8}+x^{6}+x^{5} \\ r(x)=x^{4} u(x) \bmod g(x)=x^{3}+x^{2}+x \end{array}

故编码为 1100101101110，码字1100101001010，有错, r(x)=x≠0r(x)=x \neq 0

参考文献：

  1. Proakis, John G., et al. Communication systems engineering. Vol. 2. New Jersey: Prentice Hall, 1994.
  2. Proakis, John G., et al. SOLUTIONS MANUAL Communication Systems Engineering. Vol. 2. New Jersey: Prentice Hall, 1994.
  3. 周炯槃. 通信原理（第3版）[M]. 北京：北京邮电大学出版社, 2008.
  4. 樊昌信, 曹丽娜. 通信原理（第7版） [M]. 北京：国防工业出版社, 2012.
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