循环码的编码,译码与循环冗余校验的区别_LDPC编译码原理

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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。
$$\begin{array}{c}r(x)=x^{n-k}u(x)\mathrm{mod}g(x)\\ c(x)=x^{n-k}u(x)+r(x)\end{array}$$
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。$g(x)=1+x+x^2+x^4$。图中对应 g(x) 有4级移位寄存器, 分别用 $D_1,D_2,D_3,D_4$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 ${\Phi }_1$, ${\Phi }_2$ , 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 $\mathbf{k}$ 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: $y(x{)}_{\mathrm{mod}g(x)}=0$ ;

有错: $y(x)_{\bmod g(x)} \neq 0 $ 。

收、发码字与错误图样多项式关系:

错误图样: $\overrightarrow{\mathbf{e}}=\left[e_0{e}_1\cdots e_{n-1}\right]\Rightarrow e(x)$;

接收码字: $\mathrm{y}(x)=c(x)⨁e(x)$

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: $S(x)=e(x)\mathrm{mod}g(x)$ , 并构造伴随式一错误图样表 $[(\vec{S},\vec{e})]$ ;

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

(3)由伴随式 $\vec{S}$ 查错误图样 $\vec{e}$ ;

(4)对接收码字进行纠错, 得到发送码字的估计值:
$$\hat{\mathbf{c}}=\overrightarrow{\mathbf{y}}-\overrightarrow{\mathbf{e}}=\overrightarrow{\mathbf{y}}\oplus \overrightarrow{\mathbf{e}}$$

(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 $<\mathbf{n}-\mathbf{k}+1$ 的突发错误
• 大部分突发长度 $=\mathbf{n}-\mathbf{k}+1$ 的错误可以检测出, 其中不可检出的错误占 $2^{-(n-k-1)}$ ;
• 大部分突发长度 $>\mathbf{n}-\mathbf{k}+1$ 的错误可以检测出, 其中不可检出的错误占 $2^{-(n-k)}$ ;
• 可以检测出所有与许用码字码距 $\le d_{\min }-1$ 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 $g(x)=X^{16}+X^{15}+X^2+1$ (USB)

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

CRC-32 $g(x)=X^{32}+X^{26}+X^{23}+X^{22}+X^{16}+X^{12}+X^{11}+X^{10}+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1$ (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 $x^n+1$ 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 $\ne 0$ , 即为有错。

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

例: 若 $g(x)=x^4+x+1$ ，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 ; $\mathrm{k}$=9

码多项式的最高阶次为 12 .
$$\begin{array}{c}{x}^{4}u(x)=x^{12}+x^{11}+x^8+x^6+x^5\\ r(x)=x^{4}u(x)\mathrm{mod}g(x)=x^3+x^2+x\end{array}$$
故编码为 1100101101110，码字1100101001010，有错, $r(x)=x\ne 0$

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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