循环冗余校验码(CRC)的基本原理

循环冗余校验码(CRC)的基本原理
 

循环冗余校验码(CRC)的基本原理是:在K位信息码后再拼接R位的校验码,整个编码长度为N位,因此,这种编码又叫(N,K)码。对于一个给定的(N,K)码,可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码,而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。
校验码的具体生成过程为:假设发送信息用信息多项式C(X)表示,将C(x)左移R位,则可表示成C(x)*2R,这样C(x)的右边就会空出R位,这就是校验码的位置。通过C(x)*2R除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。
几个基本概念
1、多项式与二进制数码
多项式和二进制数有直接对应关系:x的最高幂次对应二进制数的最高位,以下各位对应多项式的各幂次,有此幂次项对应1,无此幂次项对应0。可以看出:x的最高幂次为R,转换成对应的二进制数有R+1位。
多项式包括生成多项式G(x)和信息多项式C(x)。
如生成多项式为G(x)=x4+x3+x+1, 可转换为二进制数码11011。
而发送信息位 1111,可转换为数据多项式为C(x)=x3+x2+x+1。
2、生成多项式
是接受方和发送方的一个约定,也就是一个二进制数,在整个传输过程中,这个数始终保持不变。
在发送方,利用生成多项式对信息多项式做模2除生成校验码。在接受方利用生成多项式对收到的编码多项式做模2除检测和确定错误位置。
应满足以下条件:
a、生成多项式的最高位和最低位必须为1。
b、当被传送信息(CRC码)任何一位发生错误时,被生成多项式做模2除后应该使余数不为0。
c、不同位发生错误时,应该使余数不同。
d、对余数继续做模2除,应使余数循环。
将这些要求反映为数学关系是比较复杂的。但可以从有关资料查到常用的对应于不同码制的生成多项式如图9所示:
N           K           码距d           G(x)多项式           G(x)
7           4           3           x3+x+1           1011
7           4           3           x3+x2+1           1101
7           3           4           x4+x3+x2+1           11101
7           3           4           x4+x2+x+1           10111
15           11           3           x4+x+1           10011
15           7           5           x8+x7+x6+x4+1           111010001
31           26           3           x5+x2+1           100101
31           21           5           x10+x9+x8+x6+x5+x3+1           11101101001
63           57           3           x6+x+1           1000011
63           51           5           x12+x10+x5+x4+x2+1           1010000110101
1041           1024                       x16+x15+x2+1           11000000000000101
图9 常用的生成多项式
3、模2除(按位除)
模2除做法与算术除法类似,但每一位除(减)的结果不影响其它位,即不向上一位借位。所以实际上就是异或。然后再移位移位做下一位的模2减。步骤如下:
a、用除数对被除数最高几位做模2减,没有借位。
b、除数右移一位,若余数最高位为1,商为1,并对余数做模2减。若余数最高位为0,商为0,除数继续右移一位。
c、一直做到余数的位数小于除数时,该余数就是最终余数。
【例】1111000除以1101:
1011———商
————
1111000-----被除数
1101———— 除数
————
010000
1101
————
01010
1101
————
111————余数
CRC码的生成步骤
1、将x的最高幂次为R的生成多项式G(x)转换成对应的R+1位二进制数。
2、将信息码左移R位,相当与对应的信息多项式C(x)*2R
3、用生成多项式(二进制数)对信息码做模2除,得到R位的余数。
4、将余数拼到信息码左移后空出的位置,得到完整的CRC码。
【例】假设使用的生成多项式是G(x)=x3+x+1。4位的原始报文为1010,求编码后的报文。
解:
1、将生成多项式G(x)=x3+x+1转换成对应的二进制除数1011。
2、此题生成多项式有4位(R+1),要把原始报文C(x)左移3(R)位变成1010000
3、用生成多项式对应的二进制数对左移4位后的原始报文进行模2除:
1001-------商
------------------------
1010000
1011----------除数
------------
1000
1011
------------
011-------余数(校验位)
5、编码后的报文(CRC码):
1010000
+          011
------------------
1010011
CRC的和纠错
在接收端收到了CRC码后用生成多项式为G(x)去做模2除,若得到余数为0,则码字无误。若如果有一位出错,则余数不为0,而且不同位出错,其余数也不同。可以证明,余数与出错位的对应关系只与码制及生成多项式有关,而与待测碼字(信息位)无关。图10给出了G(x)=1011,C(x)=1010的出错模式,改变C(x)(码字),只会改变表中码字内容,不改变余数与出错位的对应关系。
            收到的CRC码字           余数           出错位
码位           A7           A6           A5           A4           A3           A2           A1
                
正确           1           0           1           0           0           1           1
           000           无
错 误           1           0           1           0           0           1           0
1           0           1           0           0           0           1
1           0           1           0           1           1           1
1           0           1           1           0           1           1
1           0           0           0           0           1           1
1           1           1           0           0           1           1
0           0           1           0           0           1           1
           001010100011110111101           1234567
图10 (7,4)CRC码的出错模式(G(x)=1011)
如果循环码有一位出错,用G(x)作模2除将得到一个不为0的余数。如果对余数补0继续除下去,我们将发现一个有趣的结果;各次余数将按图10顺序循环。例如第一位出错,余数将为001,补0后再除,第二次余数为010,以后依次为100,0ll…,反复循环,这就是“循环码”名称的由来。这是一个有价值的特点。如果我们在求出余数不为0后,一边对余数补0继续做模2除,同时让被检测的校验码字循环左移。图10说明,当出现余数(101)时,出错位也移到A7位置。可通过异或门将它纠正后在下一次移位时送回A1。这样我们就不必像海明校验那样用译码电路对每一位提供纠正条件。当位数增多时,循环码校验能有效地降低硬件代价,这是它得以广泛应用的主要原因。
通信与网络中常用的CRC
在数据通信与网络中,通常k相当大,由一千甚至数千数据位构成一帧,而后采用CRC码产生r位的校验位。它只能检测出错误,而不能纠正错误。一般取r=16,标准的16位生成多项式有CRC-16=x16+x15+x2+1 和 CRC-CCITT=x16+x15+x2+1。
一般情况下,r位生成多项式产生的CRC码可检测出所有的双错、奇数位错和突发长度小于等于r的突发错以及(1-2-(r-1))的突发长度为r+1的突发错和(1-2-r)的突发长度大于r+1的突发错。例如,对上述r=16的情况,就能检测出所有突发长度小于等于16的突发错以及99.997%的突发长度为17的突发错和99.998%的突发长度大于17的突发错。所以CRC码的检错能力还是很强的。这里,突发错误是指几乎是连续发生的一串错,突发长度就是指从出错的第一位到出错的最后一位的长度(但是,中间并不一定每一位都错)。
【例1】某循环冗余码(CRC)的生成多项式 G(x)=x3+x2+1,用此生成多项式产生的冗余位,加在信息位后形成 CRC 码。若发送信息位 1111 和 1100 则它的 CRC 码分别为_A_和_B_。由于某种原因,使接收端收到了按某种规律可判断为出错的 CRC 码,例如码字_C_、_D_、和_E_。(1998年试题11)
供选择的答案
A:① lllll00           ② 1111101           ③ 1111110           ④ 1111111
B:① 1100100           ② 1100101           ③ 1100110           ④ 1100111
C~E:① 0000000           ② 0001100           ③ 0010111        
         ⑤ 1000110           ⑥ 1001111           ⑦ 1010001           ⑧ 1011000
解:
A:G(x)=1101,C(x)=1111 C(x)*23÷G(x)=1111000÷1101=1011余111
得到的CRC码为1111111
B:G(x)=1101,C(x)=1100 C(x)*23÷G(x)=1100000÷1101=1001余101
得到的CRC码为1100101
C~E:
分别用G(x)=1101对①~⑧ 作模2除: ① 0000000÷1101 余000     ② 1111101÷1101 余001
③ 0010111÷1101 余000     ④ 0011010÷1101 余000     ⑤ 1000110÷1101 余000
⑥ 1001111÷1101 余100     ⑦ 1010001÷1101 余000     ⑧ 1011000÷1101 余100
所以_C_、_D_和_E_的答案是②、⑥、⑧
【例2】计算机中常用的一种检错码是CRC,即 _A_ 码。在进行编码过程中要使用 _B_ 运算。假设使用的生成多项式是 G(X)=X4+X3+X+1, 原始报文为11001010101,则编码后的报文为 _C_ 。CRC码 _D_ 的说法是正确的。
在无线电通信中常采用它规定码字长为7位.并且其中总有且仅有3个“1”。这种码的编码效率为_E_。
供选择的答案:
A:① 水平垂直奇偶校验                        ② 循环求和                           ③ 循环冗余                           ④正比率
B:① 模2除法                        ②定点二进制除法                      ③二-十进制除法                    ④循环移位法
C:① 1100101010111              ② 110010101010011         ③ 110010101011100         ④ 110010101010101
D:① 可纠正一位差错                                                   ②可检测所有偶数位错
③ 可检测所有小于校验位长度的突发错                     ④可检测所有小于、等于校验位长度的突发错
E:① 3/7          ② 4/7          ③ log23/log27        ④ (log235)/7
解:从前面有关CRC的论述中可得出:     A:③ 循环冗余     B:① 模2除法
C:G(x)=11011,C(x)=11001010101,C(x)*24÷G(x)=110010101010000÷11011 余0011
得到的CRC码为② 110010101010011
D:从前面有关通信与网络中常用的CRC的论述中可得出:④ 可检测所有小于、等于校验位长度的突发错
E:定比码又叫定重码,是奇偶校验的推广。在定比码中,奇数或偶数的性质保持不变,然而附加一种限制,每个字中1的总数是固定的。随用途之不同,定比码要求的附加校验位可能多于一个,但较之单一的奇偶校验将增加更多的检错能力。
所谓7中取3定比码,就是整个码字长度为7位,其中1的位数固定为3。所有128个7位代码(0000000~1111111)中只有1的位数固定为3的才是其合法码字。可以用求组合的公式求出其合法码字数为:C73=7!/(3!*(7-3)!)=7*6*5/(1*2*3)=35
编码效率=合法码字所需位数/码字总位数=(log235)/7

 

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