海明距离

本文深入解析了海明距离的概念,包括其定义、计算方法及其在编码中的关键作用,如检错和纠错能力。文章还探讨了海明距离在CAN网络中的具体应用,展示了其在检测随机和突发性错误方面的效能。

信息编码中,两个合法代码对应位上编码不同的位数称为码距,又称海明距离。举例如下:10101和00110从第一位开始依次有第一位、第四、第五位不同,则海明距离为3。

几何意义:

n位的码字可以用n维空间的超立方体的一个顶点来表示。两个码字之间的海明距离就是超立方体两个顶点之间的一条边,而且是这两个顶点之间的最短距离。

作用:

用于编码的检错和纠错

为了检测d个错误,需要一个海明距离为d+1的编码方案。因为在这样的编码方案中,d个1位错误不可能将一个有效码字改编成另一个有效码字(至少需要d+1位才能将一个有效码转换为另一个有效码,因为海明距离为d+1)。当接收方看到一个无效码字的时候,它就知道已经发生了传输错误。类似地,为了纠正d个错误,需要一个距离为2d+1的编码方案,因为在这样的编码方案中,合法码字之间的距离足够远,因而即使发生了d位变化,则还是原来的码字离它最近,(离原来的码字距离为d位,离其他码字距离为d+1),从而可以唯一确定原来的码字,达到纠错的目的。

计算方法:

计算海明距离的一种方法,就是对两个位串进行异或(xor)运算,并计算出异或运算结果中1的个数。例如110和011这两个位串,对它们进行异或运算,其结果是:

110⊕011=101

异或结果中含有两个1,因此110和011之间的海明距离就等于2。

CAN中的用途:

CAN提供海明距离6(CAN网络的理论值)。这表示可检测到五个随机分布的位错误。
此外,可检测到最多15位的突发性错误。CAN不提供位校正机制。

海明距离是一种常用的度量两个等长字符串之间差异的方法,在信息编码中,两个合法代码对应位上编码不同的位数就是海明距离。计算海明距离,需确保两个字符串长度相等,然后逐位比较两个字符串对应位置的字符,统计不同字符的数量,该数量即为海明距离。 例如,对于字符串“10101”和“00110”,从第一位开始依次比较,第一位、第四位、第五位不同,所以海明距离3 [^2]。 以下是不同编程语言实现海明距离计算的示例代码: ### C++ 实现 ```cpp #include <iostream> #include <string> // 计算海明距离的函数 int hammingDistance(const std::string& str1, const std::string& str2) { if (str1.length() != str2.length()) { throw std::invalid_argument("输入的字符串长度必须相同"); } int distance = 0; for (size_t i = 0; i < str1.length(); ++i) { if (str1[i] != str2[i]) { ++distance; } } return distance; } int main() { std::string str1 = "10101"; std::string str2 = "00110"; try { int distance = hammingDistance(str1, str2); std::cout << "海明距离是: " << distance << std::endl; } catch (const std::invalid_argument& e) { std::cerr << e.what() << std::endl; } return 0; } ``` ### Java 实现 ```java package sk.ml; public class HammingDistance { public static void main(String[] args) { String strA = "10101"; String strB = "00110"; // 对两个二进制字符串,字符数相同,统计差异数 int count = 0; int len = strA.length(); for (int i = 0; i < len; i++) { if (strA.charAt(i) != strB.charAt(i)) { count++; } } System.out.println("海明距离是:" + count); } } ```
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