3.8.10. Двоичные циклические коды

Вышеприведенная процедура построения линейного кода имеет ряд недостатков. Она неоднозначна (МДР можно задать различным образом) и неудобна в реализации в виде технических устройств. Этих недостатков лишены линейные корректирующие коды, принадлежащие к классу циклических.

Циклическими называют линейные (n,k)-коды, обладающие следующим свойством: для любого кодового слова:

;

существует другое кодовое слово:

,

полученное циклическим сдвигом элементов исходного кодового слова ||KC|| вправо или влево, и которое также принадлежит этому коду.

Для описания циклических кодов используют полиномы с фиктивной переменной. Будем обозначать эту переменную буквой Х.

Например, кодовое слово ||KC|| = ||011010|| .

Его можно описать полиномом

А(Х) = 0*Х⁵+1*Х⁴+1*Х³+0*Х²+1*Х¹+0*Х⁰ .

Таким образом, разряды кодового слова в описывающем его полиноме используются в качестве коэффициентов при степенях фиктивной переменной Х.

Наибольшая степень фиктивной переменной Х в слагаемом с ненулевым коэффициентом называется степенью полинома. В вышеприведенном примере получился полином 4-й степени.

Теперь действия над кодовыми словами сводятся к действиям над полиномами. Вместо алгебры матриц здесь используется алгебра полиномов.

Рассмотрим алгебраические действия над полиномами, используемые в теории циклических кодов.

Суммирование полиномов разберем на примере С(Х) = А(Х) + В(Х).

Пусть ||A|| = ||011010||, ||B|| = ||110111||.

Тогда:

A (X)

=

0

+

X4

+

X3

+

0

+

X1

+

0

B(X)

=

X5

+

X4

+

0

+

X2

+

X1

+

X0

C(X)

=

X5

+

0

+

X3

+

X2

+

0

+

X0

Таким образом, при суммировании коэффициентов при Х в одинаковой степени результат берется по модулю 2. При таком правиле вычитание эквивалентно суммированию.

Умножение выполняется как обычно, но с использованием суммирования по модулю 2.

Рассмотрим умножение на примере умножения полинома (Х³+Х¹+Х⁰) на полином (Х¹+Х⁰).

		Х3	+	0	+	Х1	+	Х0
						Х1	+	Х0
		Х3	+	0	+	Х1	+	Х0
Х4	+	0	+	Х2	+	Х1
Х4	+	Х3	+	Х2	+	0	+	Х0

Операция обратная умножению – деление. Деление полиномов выполняется как обычно, за исключением того, что вычитание выполняется по модулю 2 (вспомним, что вычитание по модулю 2 эквивалентно сложению по модулю 2).

Пример деления полинома (Х⁶+Х⁴+Х³) на полином (Х³+Х²+Х⁰):

Х6

+

0

+

Х4

+

Х3

+

0

+

0

+

0

Х3

+

Х2

+

0

+

Х0

Х6

+

Х5

+

0

+

Х3

Результат ==

Х3

+

Х2

Х5

+

Х4

+

0

+

0

Х5

+

Х4

+

0

+

Х2

Остаток ==

0

+

Х2

.

Циклический сдвиг влево на одну позицию коэффициентов полинома степени n-1 получается путем его умножения на Х с последующим вычитанием из результата умножения полинома Xⁿ+1, если его порядок n. Последнее эквивалентно вычислению остатка от деления результата умножения на Xⁿ+1.

Проверим это на примере.

Пусть требуется выполнить циклический сдвиг влево на одну позицию коэффициентов полинома С(Х) = Х⁵+Х³+Х²+Х⁰.

В результате должен получиться полином = Х⁴+Х³+Х¹+Х⁰ .

Это легко доказывается:

= С(Х)*Х-(Х⁶+1)=(Х⁶⁺Х⁴+Х³+Х¹)+(Х⁶+Х⁰) = Х⁴+Х³+Х¹+Х⁰ .

В основе циклического кода лежит образующий полином m-го порядка (напомним, что m – число дополнительных разрядов). Будем обозначать его g_m(X).

Образование кодовых слов (кодирование) KC выполняется путем умножения информационного полинома (информационный полином – полином с коэффициентами, являющимися информационной последовательностью) И_i(X) порядка i<k на образующий полином:

КС_m+i(Х) = g_m(X) * И_i(X) .

Принятое кодовое слово может отличаться от переданного искаженными разрядами – результатом действия искажающих передаваемую информацию помех.

ПКС(Х) = КС(Х) + ВО(Х),

где ВО(Х) – полином вектора ошибки, а суммирование, как обычно, ведется по модулю 2.

Декодирование, как и раньше начинается с нахождения опознавателя, в данном случае в виде полинома ОП(Х). Этот полином вычисляется как остаток от деления полинома принятого кодового слова ПКС(Х) на образующий полином g_m(X):

.

Первое слагаемое остатка не имеет, т.к. кодовое слово было образовано путем умножения полинома информационной последовательности на образующий полином. Следовательно, и в данном случае опознаватель полностью зависит от вектора ошибки.

.

Образующий полином выбирается таким, чтобы при данном m как можно больше число отношений ВО(Х)/g_m(Х) давало различные остатки.

Такому требованию отвечают так называемые неприводимые полиномы, которые не делятся без остатка ни на один полином степени m и ниже, кроме как сам на себя и на 1.

Приведенная здесь процедура образования кодового слова неудобна тем, что такой код получается несистематическим, т.е. таким, в кодовых словах которого нельзя выделить информационные и дополнительные разряды.

Этот недостаток был устранен.

Способ кодирования, приводящий к получению систематического линейного циклического кода, состоит в приписывании к информационной последовательности И дополнительных разрядов ДР.

Эти дополнительные разряды предлагается находить по следующей формуле:

Порядок полинома ДР(Х) гарантировано меньше m (поскольку это остаток).

Приписывание дополнительных разрядов к информационной последовательности, используя алгебру полиномов, можно описать формулой:

KC(X) = И(Х)*Х^m + ДР(Х)

Одним из свойств циклических линейных кодов является то, что результат деления любого разрешенного кодового слова КС на образующий полином g также является разрешенным кодовым словом.

Докажем, что получаемые по вышеприведенному алгоритму кодовые слова являются кодовыми словами циклического линейного кода. Для этого нужно убедиться в том, что произвольное разрешенное кодовое слово делится на образующий полином без остатка:

.

Рассмотрим первое слагаемое: ,

где d(X) – целая часть результата деления.

Подставим полученную сумму на место первого слагаемого:

.

Суммирование последних двух слагаемых дает нулевой результат (напомним, что суммирование выполняется по модулю 2).

Значит − целая часть деления. Остатка нет. Это означает, что описанный выше способ кодирования соответствует циклическому коду.