汉明码

✍ dations ◷ 2025-11-28 18:46:48 #电信,错误检测与校正

在电信领域中,汉明码(英语:hamming code),也称为海明码,是(7,4)汉明码(英语:Hamming(7,4))推广得到的一种线性纠错码,由理查德·卫斯里·汉明于1950年发明。相比而言,简单的奇偶检验码除了不能纠正错误之外,也只能侦测出奇数个的错误。汉明码是完备码(英语:perfect code),它在于它分组长度相同、最小距离为3的码中能达到最高的码率。

用数学术语来说,汉明码是一种二元线性码。对于所有整数 ≥ 2,存在一个分组长度 = 2 − 1、 = 2 − − 1 编码。因此汉明码的码率为 = / = 1 − / (2 − 1),对于最小距离为3、分组长度为 2 − 1 的码来说是最高的。汉明码的奇偶检验矩阵的是通过列出所有长度为 的非零列向量构成的。

汉明码的发明者理查德汉明在1940年代晚期,运用贝尔模型V(Bell Model V)电脑于贝尔实验室(Bell Labs)工作。输入端是依靠打孔卡(Punched Card),这不免会造成些读取错误。在工作日,当机器检测到错误将停止并闪灯(flash lights),使得操作员能够解决这个错误。在周末和下班期间,没有操作者的情况下,机器只会简单地转移到下一个工作。

汉明在周末工作,他对于不可靠的读卡机发生错误后,总是不得不重新启动程序变得愈来愈沮丧。在接下来的几年中,他为了解决侦错的问题,开发了功能日益强大的侦错算法。在1950年,他发表了今日所称的汉明码,并且时至今日仍在ECC memory上显示其应用价值。

人们在汉明码出现之前使用过多种检查错误的编码方式,但是没有一个可以在和汉明码在相同空间消耗的情况下,得到相等的效果。

奇偶校验是一种添加一个奇偶位用来指示之前的数据中包含有奇数还是偶数个1的检验方式。如果在传输的过程中,有奇数个位发生了改变,那么这个错误将被检测出来(注意奇偶位本身也可能改变)。一般来说,如果数据中包含有奇数个1的话,则将奇偶位设定为1;反之,如果数据中有偶数个1的话,则将奇偶位设定为0。换句话说,原始数据和奇偶位组成的新数据中,将总共包含偶数个1.

奇偶校验并不总是有效,如果数据中有偶数个位发生变化,则奇偶位仍将是正确的,因此不能检测出错误。而且,即使奇偶校验检测出了错误,它也不能指出哪一位出现了错误,从而难以进行更正。数据必须整体丢弃并且重新传输。在一个噪音较大的媒介中,成功传输数据可能需要很长时间甚至不可能完成。虽然奇偶校验的效果不佳,但是由于他只需要一位额外的空间开销,因此这是开销最小的检测方式。并且,如果知道了发生错误的位,若将该位取反,奇偶校验还可以恢复数据。

如果一条信息中包含更多用于纠错的位,且通过妥善安排这些纠错位使得不同的出错位产生不同的错误结果,那么我们就可以找出出错位了。在一个7位的信息中,单个位出错有7种可能,因此3个错误控制位就足以确定是否出错及哪一位出错了。

汉明研究了包括五取二码在内的编码方案,并归纳了他们的想法。

下列通用算法可以为任意位数字产生一个可以纠错一位(英语:Single Error Correcting)的汉明码。

采用奇校验还是偶校验都是可行的。偶校验从数学的角度看更简单一些,但在实践中并没有区别。

校验位一般的规律可以如下表示:

表中只给出了20个编码后的位(5个奇偶校验位,15个数据位)。观察上表可发现一个比较直观的规律:第i个检验位是第2i-1位,从该位开始,检验2i-1位,跳过2i-1位……依次类推。例如上表中第3个检验位p4从第23-1=4位开始,检验4、5、6、7共4位,然后跳过8、9、10、11共4位,再检验12、13、14、15共4位……

要检查某一位的错误,则需检查某一位所包含的所有奇偶校验位。这种错误的模式被叫做伴随式错误。如果所有奇偶校验位是正确的,就没有错误。除此以外的情况,错误的奇偶校验位的位置的和将识别错误的位。例如,如果位置为1、2、8的奇偶校验位指示了一个错误,那么位置为1+2+8=11的位出错了。如果只有一个奇偶校验位指示了错误,那么该奇偶校验位自身出错了。



对11000010进行汉明编码,求编码后的码字。

1.列出表格,从左往右(或从右往左)填入数字,但2的次方的位置不填。

2.把数据行有1的列的位置写为二进制。

3.收集所有二进制数字,求异或。 0011 0101 1011 = 1101 {\displaystyle 0011\oplus 0101\oplus 1011=1101} ,,1,0,,1,1)。

(7,4)汉明码可以很容易地编码为一个(8,4)码,通过在(7,4)编码词()上附加一个额外的奇偶位。

这可以用下面修正的矩阵相加:

注意, H {\displaystyle \mathbf {H} } 并非用标准形式表示。为了得到 G {\displaystyle \mathbf {G} } ,原子行操作能够被用来获得一个等价的矩阵对陈形式的 H {\displaystyle \mathbf {H} }

相关

  • 威尼斯共和国威尼斯共和国(威尼斯语:Serenìsima Repùblica Vèneta;意大利语:Serenissima Repubblica di Venezia)是意大利北部威尼斯人的城邦,以威尼斯为中心。它存在于8世纪至1797年。拉丁
  • 华沙犹太区起义犹太地下抵抗运动 犹太战斗组织(ŻOB) 犹太军事联盟(ŻZW) 波兰抵抗运动(英语:第二次世界大战时期的波兰抵抗运动) 波兰救国军纳粹集中营转移营比利时:布伦东克堡垒 · 梅赫伦转
  • 泊松回归在统计学上,泊松回归(英语:Poisson regression)是用来为计数资料和列联表建模的一种回归分析。泊松回归假设反应变量Y是泊松分布,并假设它期望值的对数可由一组未知参数进行线性
  • 灰海豹灰海豹(学名:Halichoerus grypus)是海豹科中其中一个主要物种,主要分布于北大西洋一带的海岸。它们是海豹科中的一种大型海豹,亦是灰海豹属(Halichoerus)中的唯一成员。它们亦有另
  • 北苏门答腊北苏门答腊省(印尼语:Sumatera Utara)是印度尼西亚省份之一。它的省府是棉兰。该省面积共71,680平方公里,西北与亚齐省接壤,南面与西苏门答腊省相连,东南与廖内省为邻。北苏门答腊
  • 1999年法国网球公开赛女子单打比赛阿兰查·桑切斯·维卡里奥是上届冠军,但在半决赛败给本届亚军玛蒂娜·辛吉斯。施特菲·格拉芙是本届冠军,决赛以4-6 7-5 6-2逆转击败玛蒂娜·辛吉斯,夺得第6座法网女子单打冠军
  • 鲍里斯·迈斯纳鲍里斯·迈斯纳(英语:Boris Meissner,1915年8月10日-2003年9月10日)。德国律师、研究国际法和东欧历史与政治的学者。早年曾就学于塔尔图大学并获得经济学硕士学位。后长年于德意
  • 阿方索·洛佩斯·米切尔森阿方索·洛佩斯·米切尔森(西班牙语:Alfonso López Michelsen,1913年6月30日-2007年7月17日), 哥伦比亚总统(1974—1978年)。洛佩斯·米切尔森是前总统阿方索·洛佩斯·普雷马霍(两
  • 感觉阈限感觉阈限(英语:Sensory threshold)是学术研究中的常用语,指令对象发生某种变化所需的某种条件的值。阈值根据条件本身可以有不同的单位。阈值被广泛运用在包括建筑学、生物学、
  • 限制性股票限制性股票(英语:Restricted stock),又称信函股票(letter stock,又译非注册股票)、受限证券(restricted securities),是一种公司 股票,需要完成某种条件之后,才会完全移转。在完成某种条