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  • 1 # 西北第一美男

    夏農提出了通道編碼定理,並在其證明中引用了三個基本條件:

    採用隨機編碼方式;

    碼字長度趨於無窮大;

    採用最大似然譯碼演算法。

    一個隨機選擇的碼以很高的機率為好碼,對於隨機碼的最大似然譯碼,其譯碼複雜度G與所傳輸的資訊位元數呈指數關係,即為G=exp(NR),隨機碼的誤位元速率上限為以Pe~G-Eb(R)/R,誤位元速率隨著碼長N趨於無窮大而趨向於0的同時,譯碼複雜度以指數增長,可見隨機碼在實際系統裡其實並不實用。

    由於通道編碼定理證明的非構造性,並沒有給出如何構造逼近夏農容量限的編碼方法,構造一個逼近夏農容量限的糾錯碼成了眾多學者爭相研究的課題,並逐漸形成了資訊理論的一個重要分支—通道編碼理論。

    從構造方法上看,糾錯碼可分為分組碼和卷積碼兩大類。在20世紀50年代到60年代,人們主要研究了線性分組碼。這類編碼以代數中的群論、域論等理論為數學基礎,利用各種代數方法設計好的糾錯碼,並研究與之相適應的譯碼演算法。

    第一個分組碼是1950年發現的能糾正單個錯誤的漢明(Hamming)碼。1950年漢明(Hanmming .R.W)發表的論文《檢錯碼與糾錯碼》是開拓編碼理論研究的第一篇論文,考慮在計算機中糾正單個錯誤。漢明碼(7,4),位元速率為4/7,需要3個監督位,位元速率不高,同時糾錯能力有限,只能糾正單一錯誤。

    M.Golay針對漢明碼的缺點提出了效能更好的格雷(Galay)碼,Golay發現了兩種編碼,一種是二元Golay碼,採用12個數據位元,11個校驗位元為一組,能糾正3個錯誤。第二種是三元Golay碼,以三進位制數為運算域,6個數據符號,5個校驗符號為一組,可以糾正2個錯誤。

    這兩種碼基本原理相同,都是將q元符號按每k個分為一組,然後透過編碼得到n-k個q元符號作為冗餘校驗符號,最後由校驗符號和資訊符號組成有n個q元符號的碼子符號,編碼位元速率為r=k/n。

    Muller在1954年以布林邏輯代數方式提出了Reed.Muller碼(RM碼),它比Hamming碼和Golay碼好的地方是它可以改變碼字大小和糾錯能力,是Reed在Muller基礎上得到的一種新的分組碼,也是繼格雷碼之後提出的最主要的一類分組碼。

    繼RM碼之後,Prange於1957年又提出了迴圈碼的概念。迴圈碼實際上也是一類分組碼,但是它的碼字具有迴圈移位特性,即碼字位元經過迴圈移位以後仍然是碼字集合中的碼字。這種迴圈結構使碼字的設計範圍大大增加,同時大大的簡化了編譯碼結構。

    迴圈碼的一個非常重要的子集就是分別由Hocquenghem在1959年以及Bose和Ray—Chuadhuri研究組在1 960年幾乎同時提出的BCH(Bose Chuadhuri Hocquen曲em)碼,CH碼的碼字長度為n=qm-1,其中m為一個整數。二元BCH碼(q=2)的糾錯能力限為,t《(2m-1)。

    1960年Reed和Solomon將BCH碼擴充套件到非二元(q》2)的情況,得到了RS(Reed.Solomon)碼。RS碼的最大優點是其非二元特性可以糾正突發錯誤並日.它也能糾正隨機錯誤。

    但直到1967年Berlekamp給出了一個非常有效的譯碼演算法之後,RS碼才在實際系統中嶄露頭角,比如在CD播放器、DVD播放器以及CDPD(Cellular Digital Packet Data)標準中都得到了很好的應用。

    上述討論的這些都是分組碼,分組碼存在一些不足,應用受限。首先,必須是按幀傳輸、按幀譯碼,這樣在幀長較長時會帶來一定的時延。其次,要求準確的幀同步,這樣才能準確譯碼。多數分組碼要求解調器的硬判決輸出,這樣又會帶來一些判決誤差,影響效能。此外,分組碼的譯碼方法通常都採用大數邏輯譯碼和捕錯譯碼,其譯碼複雜度與碼長成指數關係,碼長越長,譯碼複雜度越大,而且上升趨勢很快,所以基本上不實用。

    1955年,Elias等人首先提出了卷積碼。卷積碼不是將資料分割成不同的分組,而是透過移位暫存器將校驗位元加入輸入資料流中。每n位元輸出是當前k位元輸入和暫存器中的m位元的線性組合,每次輸出總的位元數與約束長度k有關,其位元速率為存一次編碼間隔中資料位元k與輸出位元數n之比。

    卷積碼與分組碼不同在於它在編碼的過程中引入了暫存器,增加了碼元之間的相關性,在相同的複雜度下可以獲得比分組碼更高的編碼增益,但是這種相關性同時也增加了分析和設計卷積碼的複雜性。

    隨著人們對卷積碼研究的深入,在卷積碼的譯碼演算法方面出現了序列譯碼演算法、門限譯碼演算法和維特比(Viterbi)譯碼演算法。

    維特比(Viterbi)譯碼演算法的出現,使卷積碼逐漸成為研究和應用的重點,以後出現的TCM(柵格編碼調製)技術進一步確立了卷積碼在糾錯碼應用中的主導地位,特別是在通訊系統中得到了極為廣泛的應用。

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