основным принципом построения кода для дальнейшего обнаружения ошибки является
Принципы обнаружения и исправления ошибок с использованием кодов
Как было показано ранее, ошибка в одном лишь разряде может испортить все сообщение. Чтобы избежать таких тяжелых последствий, сообщения, закодированные каким-либо экономным кодом, перед направлением в канал делятся на блоки одинаковой длины и каждый блок передается отдельно. При этом методы, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, применяются к каждому блоку. Такой прием напоминает разделение большого судна на несколько изолированных друг от друга отсеков, что позволяет при пробоине в одном отсеке сохранить судно и груз в других отсеках.
Рассмотрим схему передачи данных, показанную на рис.7.3.
С кодирующего устройства в канал поступают закодированные блоки (кодовые слова) одинаковой длины 
. В канале в результате действия различных помех в некоторых битах передаваемого сообщения могут происходить ошибки. Процедуру кодирования при передаче и
Рис. 7.3.Схема передачи данных
декодирования при приеме с использованием одной и той же кодовой таблицы иллюстрируем рис.7.4. Предполагается, что появление ошибок описывается моделью дискретного симметричного канала
Рис. 7.4.Использование кодовой таблицы для кодирования и декодирования
В геометрической интерпретации эти блоки можно рассматривать как точки n-мерного пространства 
, где 
. Точки этого пространства представляют собой последовательности чисел 0 и 1 длины . Пространства для 
можно представить в виде угловых точек единичного интервала (
), вершин квадрата со стороной, равной 1 (
), и вершин куба с ребрами длины 1 (
). Эти пространства условно изображены на рис.7.5.
Код, используемый для обнаружения и исправления ошибок, представляет собой некоторое подмножество пространства . В качестве примера можно привести код 
. Кодовые слова этого кода как точки пространства 
изображены на рис. 7.6 белыми кружками. Если представить куб расположенным в трехмерном пространстве, то словам данного кода соответствуют вершины тетраэдра. Более полезным
Рис. 7.5.Геометрическое представление пространства Bn для n = 1, 2 и 3
с практической точки зрения является то, что каждое слово кода содержит четное число единиц. Если при передаче кодового слова через канал произойдет одна ошибка, то число единиц в слове станет нечетным. Проверяя свойство четности числа единиц в слове после получения его из канала на приемном конце, можно обнаружить одну ошибку. В данном случае для кодирования четырех знаков используется 3 двоичных разряда, хотя достаточно двух. Однако благодаря такой избыточности удается обнаружить одну ошибку.
Рис. 7.6.Код в B3, обнаруживающий одну ошибку
В соответствии с общей схемой передачи сообщений в кодирующем и декодирующем устройствах используется одна и та же кодовая таблица и, следовательно, множество кодовых слов. При передаче кодового слова через канал возможны следующие ситуации.
Передавалось и было получено некоторое кодовое слово 
. Эта ситуация, которая показана в верхней части рис.7.7, соответствует отсутствию ошибок при передаче.
Передавалось кодовое слово ci, а получено было сообщение, которое не является кодовым словом. При попытке декодировать это сообщение будет обнаружено, что такого слов в кодовой таблице нет. Это означает, что ошибка, произошедшая при передаче и исказившая кодовое слово, обнаружена. Эта ситуация изображена в средней части рис.7.7.
Рис. 7.7.Возможные варианты передачи кодового слова через канал
В процессе передачи кодовое слово 
может так исказиться из-за ошибок, что оно превратится в другое кодовое слово 
. В этом случае ошибка не обнаруживается, поскольку полученное сообщение также является кодовым словом, и декодирование будет выполнено неверно. Такая ситуация показана в нижней части рис.7.7.
Алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок
Пусть А и Б — две двоичные кодовые последовательности равной длины. Расстояние Хэмминга между двумя этими кодовыми последовательностями равно числу символов, которыми они отличаются. Например, расстояние Хэмминга между кодами 00111 и 10101 равно 2.
4.1. Алгоритмы коррекции ошибок
Исправлять ошибки труднее, чем их детектировать или предотвращать. Процедура коррекции ошибок предполагает два совмещеных процесса: обнаружение ошибки и определение места (идентификации сообщения и позиции в сообщении). После решения этих двух задач исправление тривиально — надо инвертировать значение ошибочного бита. В наземных каналах связи, где вероятность ошибки невелика, обычно используется метод детектирования ошибок и повторной пересылки фрагмента, содержащего дефект. Для спутниковых каналов с типичными для них большими задержками системы коррекции ошибок становятся привлекательными. Здесь используют коды Хэмминга или коды свертки.
Код Хэмминга представляет собой блочный код, который позволяет выявить и исправить ошибочно переданный бит в пределах переданного блока. Обычно код Хэмминга характеризуется двумя целыми числами, например, (11,7), используемыми при передаче 7-битных ASCII-кодов. Такая запись говорит, что при передаче 7-битного кода используется 4 контрольных бита (7 + 4 = 11). При этом предполагается, что имела место ошибка в одном бите и что ошибка в двух или более битах существенно менее вероятна. С учетом этого исправление ошибки осуществляется с определенной вероятностью. Например, пусть возможны следующие правильные коды (все они, кроме первого и последнего, отстоят друг от друга на расстояние Хэмминга 4):
Коды с обнаружением и исправлением ошибок
Принцип обнаружения и исправления ошибок корректирующими кодами
В общем случае для блочного равномерного кода с основанием код имеет возможных кодовых слов. Используемые для передачи сообщений кодовые слова из множества называют разрешенными, остальные кодовые слова измножества не используются и называются запрещенными (неразрешенными для передачи).
Сущность обнаружения ошибок схематично поясняется на Рисунок 48а. Если в результате искажений в канале связи переданное (разрешенное) кодовое слово Ai (i= 1,2, …Nр)превращается в одно из запрещённых Bj (j= 1,2, …Nз), то ошибка обнаруживается, так как такое слово не могло быть передано. Ошибка не обнаруживается только в том случае, когда очередное передаваемое кодовое слово превращается в другое разрешенное, например Aj, которое также могло быть передано.
Если принятое кодовое слово попадает в подмножество запрещенных слов, не принадлежащих ни к одному из подмножеств ( i ) (i= 1,2, …Nр), то ошибка только обнаруживается, но не исправляется. Этот признак может быть использован для исправления ошибки другими методами, например, методом переспроса.
Свойства кода по обнаружению и исправлению ошибок характеризуются количественно коэффициентами обнаружения Kоб и исправления ошибок Kис, которые показывают, во сколько раз уменьшается вероятность ошибки после декодирования по сравнению с её величиной на входе приемного устройства (декодера), благодаря обнаружению ошибок или их исправлению соответственно. Ошибки в кодовых словах могут иметь произвольную конфигурацию, что определяется случайным характером помех в канале связи. Число ошибочных символов в принятом кодовом слове называется кратностью ошибки t, при длине кодового слова из nсимволов она изменяется в пределах от 0 до n.
Коэффициент исправления ошибок будет определяться выражением
где Pис— вероятность исправления ошибок в декодере.
Последняя численно равна вероятности ошибок в кодовом слове, кратность которых не превышает величины кратности гарантированно исправляемых ошибок tис, то есть Pис= Pвх(£tис, n).
Коэффициент исправления кода всегда меньше коэффициента обнаружения, что является общим условием для любых корректирующих кодов.
Для реализации потенциальных возможностей кода, исправляющего ошибки, необходимо учитывать статистический характер ошибок в реальных каналах связи, в которых предполагается применение этого кода. Разбиение неразрешенных комбинаций на подмножества ( i ) должно выполняться таким образом, чтобы исправлялись ошибки, появление которых наиболее вероятно в данном канале связи.
В общем случае передаваемая кодовая комбинация искажается случайным образом, что определяется случайным характером помех в канале связи. В реальных системах связи при многообразии характера действующих в линии связи помех распределение кратностей ошибок в дискретном канале связи может быть самым различным. Поэтому построению декодера, исправляющего ошибки, должно предшествовать изучение статистических свойств канала связи. В качестве примера, на Рисунок 49 приведены кривые распределения кратностей ошибок Pn(t) для двух случаев: для двоичного канала с независимыми ошибками в кодовых символах p – кривая 1 (биномиальное распределение)
и кривая 2 для канала, в котором передаваемое кодовое слово с одинаковой вероятностью может превратиться в другое кодовое слово данного кода (из множества N)
Вероятность ошибки в передаваемом кодовом слове в канале с распределением кратностей ошибок Pn(t), соответствующим кривой 1(Рисунок 49), и вероятностью искажения символа кода p = 0,1 равна
Вероятность исправления ошибки (вероятность ошибки с кратностьюt=1):
В канале связи с распределением кратностей ошибок Pn(t), соответствующим кривой 2 (Рисунок 49), вероятность исправления ошибки (вероятность ошибки с кратностьюt=1) равна
Таким образом, один и тот же код в первом случае исправляет примерно в четыре раза больше ошибок, чем во втором. Это объясняется тем, что в первом случае наибольшее количество ошибок имееткратностьt=1 и исправляется данным кодом, у которого каждому разрешенному кодовому слову приписывается подмножество ближайших неразрешенных слов, а во втором случае наибольшее количество ошибок имееткратностьt>1, которые не исправляются данным кодом.
Очевидно, что, если в канале связи преобладают ошибки большой кратности, целесообразно к разрешенным кодовым словам приписывать подмножество таких неразрешенных слов, которые удалены от данного разрешенного на расстояние, соответствующее этим ошибкам.
Корректирующие коды «на пальцах»
Корректирующие (или помехоустойчивые) коды — это коды, которые могут обнаружить и, если повезёт, исправить ошибки, возникшие при передаче данных. Даже если вы ничего не слышали о них, то наверняка встречали аббревиатуру CRC в списке файлов в ZIP-архиве или даже надпись ECC на планке памяти. А кто-то, может быть, задумывался, как так получается, что если поцарапать DVD-диск, то данные всё равно считываются без ошибок. Конечно, если царапина не в сантиметр толщиной и не разрезала диск пополам.
Как нетрудно догадаться, ко всему этому причастны корректирующие коды. Собственно, ECC так и расшифровывается — «error-correcting code», то есть «код, исправляющий ошибки». А CRC — это один из алгоритмов, обнаруживающих ошибки в данных. Исправить он их не может, но часто это и не требуется.
Давайте же разберёмся, что это такое.
Для понимания статьи не нужны никакие специальные знания. Достаточно лишь понимать, что такое вектор и матрица, как они перемножаются и как с их помощью записать систему линейных уравнений.
Внимание! Много текста и мало картинок. Я постарался всё объяснить, но без карандаша и бумаги текст может показаться немного запутанным.
Каналы с ошибкой
Разберёмся сперва, откуда вообще берутся ошибки, которые мы собираемся исправлять. Перед нами стоит следующая задача. Нужно передать несколько блоков данных, каждый из которых кодируется цепочкой двоичных цифр. Получившаяся последовательность нулей и единиц передаётся через канал связи. Но так сложилось, что реальные каналы связи часто подвержены ошибкам. Вообще говоря, ошибки могут быть разных видов — может появиться лишняя цифра или какая-то пропасть. Но мы будем рассматривать только ситуации, когда в канале возможны лишь замены нуля на единицу и наоборот. Причём опять же для простоты будем считать такие замены равновероятными.
Ошибка — это маловероятное событие (а иначе зачем нам такой канал вообще, где одни ошибки?), а значит, вероятность двух ошибок меньше, а трёх уже совсем мала. Мы можем выбрать для себя некоторую приемлемую величину вероятности, очертив границу «это уж точно невозможно». Это позволит нам сказать, что в канале возможно не более, чем 
ошибок. Это будет характеристикой канала связи.
Для простоты введём следующие обозначения. Пусть данные, которые мы хотим передавать, — это двоичные последовательности фиксированной длины. Чтобы не запутаться в нулях и единицах, будем иногда обозначать их заглавными латинскими буквами (
, 
, 
, …). Что именно передавать, в общем-то неважно, просто с буквами в первое время будет проще работать.
Кодирование и декодирование будем обозначать прямой стрелкой (
), а передачу по каналу связи — волнистой стрелкой (
). Ошибки при передаче будем подчёркивать.
Например, пусть мы хотим передавать только сообщения 
и 
. В простейшем случае их можно закодировать нулём и единицей (сюрприз!):
Передача по каналу, в котором возникла ошибка будет записана так:
Цепочки нулей и единиц, которыми мы кодируем буквы, будем называть кодовыми словами. В данном простом случае кодовые слова — это 
и 
.
Код с утроением
Давайте попробуем построить какой-то корректирующий код. Что мы обычно делаем, когда кто-то нас не расслышал? Повторяем дважды:
Правда, это нам не очень поможет. В самом деле, рассмотрим канал с одной возможной ошибкой:
Какие выводы мы можем сделать, когда получили 
? Понятно, что раз у нас не две одинаковые цифры, то была ошибка, но вот в каком разряде? Может, в первом, и была передана буква . А может, во втором, и была передана .
То есть, получившийся код обнаруживает, но не исправляет ошибки. Ну, тоже неплохо, в общем-то. Но мы пойдём дальше и будем теперь утраивать цифры.
Получили 
. Тут у нас есть две возможности: либо это и было две ошибки (в крайних цифрах), либо это и была одна ошибка. Вообще, вероятность одной ошибки выше вероятности двух ошибок, так что самым правдоподобным будет предположение о том, что передавалась именно буква . Хотя правдоподобное — не значит истинное, поэтому рядом и стоит вопросительный знак.
Если в канале связи возможна максимум одна ошибка, то первое предположение о двух ошибках становится невозможным и остаётся только один вариант — передавалась буква .
Про такой код говорят, что он исправляет одну ошибку. Две он тоже обнаружит, но исправит уже неверно.
Это, конечно, самый простой код. Кодировать легко, да и декодировать тоже. Ноликов больше — значит передавался ноль, единичек — значит единица.
Если немного подумать, то можно предложить код исправляющий две ошибки. Это будет код, в котором мы повторяем одиночный бит 5 раз.
Расстояния между кодами
Рассмотрим поподробнее код с утроением. Итак, мы получили работающий код, который исправляет одиночную ошибку. Но за всё хорошее надо платить: он кодирует один бит тремя. Не очень-то и эффективно.
И вообще, почему этот код работает? Почему нужно именно утраивать для устранения одной ошибки? Наверняка это всё неспроста.
Давайте подумаем, как этот код работает. Интуитивно всё понятно. Нолики и единички — это две непохожие последовательности. Так как они достаточно длинные, то одиночная ошибка не сильно портит их вид.
Пусть мы передавали 
, а получили 
. Видно, что эта цепочка больше похожа на исходные , чем на 
. А так как других кодовых слов у нас нет, то и выбор очевиден.
Но что значит «больше похоже»? А всё просто! Чем больше символов у двух цепочек совпадает, тем больше их схожесть. Если почти все символы отличаются, то цепочки «далеки» друг от друга.
Можно ввести некоторую величину 
, равную количеству различающихся цифр в соответствующих разрядах цепочек 
и 
. Эту величину называют расстоянием Хэмминга. Чем больше это расстояние, тем меньше похожи две цепочки.
Например, 
, так как все цифры в соответствующих позициях равны, а вот 
.
Расстояние Хэмминга называют расстоянием неспроста. Ведь в самом деле, что такое расстояние? Это какая-то характеристика, указывающая на близость двух точек, и для которой верны утверждения:
Достаточно разумные требования.
Математически это можно записать так (нам это не пригодится, просто ради интереса посмотрим):
Предлагаю читателю самому убедиться, что для расстояния Хэмминга эти свойства выполняются.
Окрестности
Таким образом, разные цепочки мы считаем точками в каком-то воображаемом пространстве, и теперь мы умеем находить расстояния между ними. Правда, если попытаться сколько нибудь длинные цепочки расставить на листе бумаги так, чтобы расстояния Хэмминга совпадали с расстояниями на плоскости, мы можем потерпеть неудачу. Но не нужно переживать. Всё же это особое пространство со своими законами. А слова вроде «расстояния» лишь помогают нам рассуждать.
Пойдём дальше. Раз мы заговорили о расстоянии, то можно ввести такое понятие как окрестность. Как известно, окрестность какой-то точки — это шар определённого радиуса с центром в ней. Шар? Какие ещё шары! Мы же о кодах говорим.
Но всё просто. Ведь что такое шар? Это множество всех точек, которые находятся от данной не дальше, чем некоторое расстояние, называемое радиусом. Точки у нас есть, расстояние у нас есть, теперь есть и шары.
Так, скажем, окрестность кодового слова радиуса 1 — это все коды, находящиеся на расстоянии не больше, чем 1 от него, то есть отличающиеся не больше, чем в одном разряде. То есть это коды:
Да, вот так странно выглядят шары в пространстве кодов.
А теперь посмотрите. Это же все возможные коды, которые мы получим в канале в одной ошибкой, если отправим ! Это следует прямо из определения окрестности. Ведь каждая ошибка заставляет цепочку измениться только в одном разряде, а значит удаляет её на расстояние 1 от исходного сообщения.
Аналогично, если в канале возможны две ошибки, то отправив некоторое сообщение 
, мы получим один из кодов, который принадлежит окрестности радиусом 2.
Тогда всю нашу систему декодирования можно построить так. Мы получаем какую-то цепочку нулей и единиц (точку в нашей новой терминологии) и смотрим, в окрестность какого кодового слова она попадает.
Сколько ошибок может исправить код?
Чтобы код мог исправлять больше ошибок, окрестности должны быть как можно шире. С другой стороны, они не должны пересекаться. Иначе если точка попадёт в область пересечения, непонятно будет, к какой окрестности её отнести.
В коде с удвоением между кодовыми словами 
и 
расстояние равно 2 (оба разряда различаются). А значит, если мы построим вокруг них шары радиуса 1, то они будут касаться. Это значит, точка касания будет принадлежать обоим шарам и непонятно будет, к какому из них её отнести.
Именно это мы и получали. Мы видели, что есть ошибка, но не могли её исправить.
Что интересно, точек касания в нашем странном пространстве у шаров две — это коды и 
. Расстояния от них до центров равны единице. Конечно же, в обычно геометрии такое невозможно, поэтому рисунки — это просто условность для более удобного рассуждения.
В случае кода с утроением, между шарами будет зазор.
Минимальный зазор между шарами равен 1, так как у нас расстояния всегда целые (ну не могут же две цепочки отличаться в полутора разрядах).
В общем случае получаем следующее.
Этот очевидный результат на самом деле очень важен. Он означает, что код с минимальным кодовым расстоянием 
будет успешно работать в канале с ошибками, если выполняется соотношение
Полученное равенство позволяет легко определить, сколько ошибок будет исправлять тот или иной код. А сколько код ошибок может обнаружить? Рассуждения такие же. Код обнаруживает ошибок, если в результате не получится другое кодовое слово. То есть, кодовые слова не должны находиться в окрестностях радиуса других кодовых слов. Математически это записывается так:
Рассмотрим пример. Пусть мы кодируем 4 буквы следующим образом.
Чтобы найти минимальное расстояние между различными кодовыми словами, построим таблицу попарных расстояний.
| A | B | C | D | |
|---|---|---|---|---|
| A | — | 3 | 3 | 4 |
| B | 3 | — | 4 | 3 |
| C | 3 | 4 | — | 3 |
| D | 4 | 3 | 3 | — |
Минимальное расстояние 
, а значит 
, откуда получаем, что такой код может исправить до 
ошибок. Обнаруживает же он две ошибки.
Чтобы декодировать полученное сообщение, посмотрим, к какому символу оно ближе всего.
Минимальное расстояние получилось для символа , значит вероятнее всего передавался именно он:
Итак, этот код исправляет одну ошибку, как и код с утроением. Но он более эффективен, так как в отличие от кода с утроением здесь кодируется уже 4 символа.
Таким образом, основная проблема при построении такого рода кодов — так расположить кодовые слова, чтобы они были как можно дальше друг от друга, и их было побольше.
Для декодирования можно было бы использовать таблицу, в которой указывались бы все возможные принимаемые сообщения, и кодовые слова, которым они соответствуют. Но такая таблица получилась бы очень большой. Даже для нашего маленького кода, который выдаёт 5 двоичных цифр, получилось бы 
варианта возможных принимаемых сообщений. Для более сложных кодов таблица будет значительно больше.
Попробуем придумать способ коррекции сообщения без таблиц. Мы всегда сможем найти полезное применение освободившейся памяти.
Интерлюдия: поле GF(2)
Для изложения дальнейшего материала нам потребуются матрицы. А при умножении матриц, как известно мы складываем и перемножаем числа. И тут есть проблема. Если с умножением всё более-менее хорошо, то как быть со сложением? Из-за того, что мы работаем только с одиночными двоичными цифрами, непонятно, как сложить 1 и 1, чтобы снова получилась одна двоичная цифра. Значит вместо классического сложения нужно использовать какое-то другое.
Введём операцию сложения как сложение по модулю 2 (хорошо известный программистам XOR):
Умножение будем выполнять как обычно. Эти операции на самом деле введены не абы как, а чтобы получилась система, которая в математике называется полем. Поле — это просто множество (в нашем случае из 0 и 1), на котором так определены сложение и умножение, чтобы основные алгебраические законы сохранялись. Например, чтобы основные идеи, касающиеся матриц и систем уравнений по-прежнему были верны. А вычитание и деление мы можем ввести как обратные операции.
Множество из двух элементов 
с операциями, введёнными так, как мы это сделали, называется полем Галуа GF(2). GF — это Galois field, а 2 — количество элементов.
У сложения есть несколько очень полезных свойств, которыми мы будем пользоваться в дальнейшем.
Это свойство прямо следует из определения.
А в этом можно убедиться, прибавив 
к обеим частям равенства. Это свойство, в частности означает, что мы можем переносить в уравнении слагаемые в другую сторону без смены знака.
Проверяем корректность
Вернёмся к коду с утроением.
Для начала просто решим задачу проверки, были ли вообще ошибки при передаче. Как видно, из самого кода, принятое сообщение будет кодовым словом только тогда, когда все три цифры равны между собой.
Пусть мы приняли вектор-строку из трёх цифр. (Стрелочки над векторами рисовать не будем, так как у нас почти всё — это вектора или матрицы.)
Математически равенство всех трёх цифр можно записать как систему:
Или, если воспользоваться свойствами сложения в GF(2), получаем
В матричном виде эта система будет иметь вид
Транспонирование здесь нужно потому, что — это вектор-строка, а не вектор-столбец. Иначе мы не могли бы умножать его справа на матрицу.
Будем называть матрицу 
проверочной матрицей. Если полученное сообщение — это корректное кодовое слово (то есть, ошибки при передаче не было), то произведение проверочной матрицы на это сообщение будет равно нулевому вектору.
Умножение на матрицу — это гораздо более эффективно, чем поиск в таблице, но у нас на самом деле есть ещё одна таблица — это таблица кодирования. Попробуем от неё избавиться.
Кодирование
Итак, у нас есть система для проверки
Её решения — это кодовые слова. Собственно, мы систему и строили на основе кодовых слов. Попробуем теперь решить обратную задачу. По системе (или, что то же самое, по матрице ) найдём кодовые слова.
Правда, для нашей системы мы уже знаем ответ, поэтому, чтобы было интересно, возьмём другую матрицу:
Соответствующая система имеет вид:
Чтобы найти кодовые слова соответствующего кода нужно её решить.
В силу линейности сумма двух решений системы тоже будет решением системы. Это легко доказать. Если 
и 
— решения системы, то для их суммы верно
что означает, что она тоже — решение.
Поэтому если мы найдём все линейно независимые решения, то с их помощью можно получить вообще все решения системы. Для этого просто нужно найти их всевозможные суммы.
Выразим сперва все зависимые слагаемые. Их столько же, сколько и уравнений. Выражать надо так, чтобы справа были только независимые. Проще всего выразить 
.
Если бы нам не так повезло с системой, то нужно было бы складывая уравнения между собой получить такую систему, чтобы какие-то три переменные встречались по одному разу. Ну, или воспользоваться методом Гаусса. Для GF(2) он тоже работает.
Чтобы получить все линейно независимые решения, приравниваем каждую из зависимых переменных к единице по очереди.
Всевозможные суммы этих независимых решений (а именно они и будут кодовыми векторами) можно получить так:
где 
равны либо нулю или единице. Так как таких коэффициентов два, то всего возможно 
сочетания.
Но посмотрите! Формула, которую мы только что получили — это же снова умножение матрицы на вектор.
Строчки здесь — линейно независимые решения, которые мы получили. Матрица 
называется порождающей. Теперь вместо того, чтобы сами составлять таблицу кодирования, мы можем получать кодовые слова простым умножением на матрицу:
Найдём кодовые слова для этого кода. (Не забываем, что длина исходных сообщений должна быть равна 2 — это количество найденных решений.)
Итак, у нас есть готовый код, обнаруживающий ошибки. Проверим его в деле. Пусть мы хотим отправить 01 и у нас произошла ошибка при передаче. Обнаружит ли её код?
А раз в результате не нулевой вектор, значит код заподозрил неладное. Провести его не удалось. Ура, код работает!
Для кода с утроением, кстати, порождающая матрица выглядит очень просто:
Подобные коды, которые можно порождать и проверять матрицей называются линейными (бывают и нелинейные), и они очень широко применяются на практике. Реализовать их довольно легко, так как тут требуется только умножение на константную матрицу.
Ошибка по синдрому
Ну хорошо, мы построили код обнаруживающий ошибки. Но мы же хотим их исправлять!
Для начала введём такое понятие, как вектор ошибки. Это вектор, на который отличается принятое сообщение от кодового слова. Пусть мы получили сообщение , а было отправлено кодовое слово 
. Тогда вектор ошибки по определению
Но в странном мире GF(2), где сложение и вычитание одинаковы, будут верны и соотношения:
В силу особенностей сложения, как читатель сам может легко убедиться, в векторе ошибки на позициях, где произошла ошибка будет единица, а на остальных ноль.
Как мы уже говорили раньше, если мы получили сообщение с ошибкой, то 
. Но ведь векторов, не равных нулю много! Быть может то, какой именно ненулевой вектор мы получили, подскажет нам характер ошибки?
Назовём результат умножения на проверочную матрицу синдромом:
И заметим следующее
Это означает, что для ошибки синдром будет таким же, как и для полученного сообщения.
Разложим все возможные сообщения, которые мы можем получить из канала связи, по кучкам в зависимости от синдрома. Тогда из последнего соотношения следует, что в каждой кучке будут вектора с одной и той же ошибкой. Причём вектор этой ошибки тоже будет в кучке. Вот только как его узнать?
А очень просто! Помните, мы говорили, что у нескольких ошибок вероятность ниже, чем у одной ошибки? Руководствуясь этим соображением, наиболее правдоподобным будет считать вектором ошибки тот вектор, у которого меньше всего единиц. Будем называть его лидером.
Давайте посмотрим, какие синдромы дают всевозможные 5-элементные векторы. Сразу сгруппируем их и подчеркнём лидеров — векторы с наименьшим числом единиц.
 | |
|---|---|
|  |
|  |
|  |
 |  |
 |  |
 |  |
 |  |
|  |
В принципе, для корректирования ошибки достаточно было бы хранить таблицу соответствия синдрома лидеру.
Обратите внимание, что в некоторых строчках два лидера. Это значит для для данного синдрома два паттерна ошибки равновероятны. Иными словами, код обнаружил две ошибки, но исправить их не может.
Лидеры для всех возможных одиночных ошибок находятся в отдельных строках, а значит код может исправить любую одиночную ошибку. Ну, что же… Попробуем в этом убедиться.
Вектор ошибки равен 
, а значит ошибка в третьем разряде. Как мы и загадали.
Что же дальше?
Чтобы попрактиковаться, попробуйте повторить рассуждения для разных проверочных матриц. Например, для кода с утроением.
Логическим продолжением изложенного был бы рассказ о циклических кодах — чрезвычайно интересном подклассе линейных кодов, обладающим замечательными свойствами. Но тогда, боюсь, статья уж очень бы разрослась.
Если вас заинтересовали подробности, то можете почитать замечательную книжку Аршинова и Садовского «Коды и математика». Там изложено гораздо больше, чем представлено в этой статье. Если интересует математика кодирования — то поищите «Теория и практика кодов, контролирующих ошибки» Блейхута. А вообще, материалов по этой теме довольно много.
Надеюсь, когда снова будет свободное время, напишу продолжение, в котором расскажу про циклические коды и покажу пример программы для кодирования и декодирования. Если, конечно, почтенной публике это интересно.