RS编码和纠错算法

13.2 RS编码和纠错算法 13.2.1. GF(2m)域 RS(Reed-Solomon)码在伽罗华域(Galois Field，GF)中运算的，因此在介绍RS码之前先简要介绍一下伽罗华域。 CD-ROM中的数据、地址、校验码等都可以看成是属于GF(2m) = GF(28)中的元素或称符号。GF(28)表示域中有256个元素，除0，1之外的254个元素由本原多项式P(x)生成。本原多项式的特性是得到的余式等于0。CD-ROM用来构造GF(28)域的是 (13－1) 而GF(28)域中的本原元素为 α = (0 0 0 0 0 0 1 0) 下面以一个较简单例子说明域的构造。 [例13.1] 构造GF(23)域的本原多项式假定为 α定义为 = 0的根，即 α3＋α＋1 = 0 和 α3 = α＋1 GF(23)中的元素可计算如下： 0 mod(α3＋α＋1) = 0 α0 mod(α3＋α＋1) = α0 = 1 α1 mod(α3＋α＋1) = α1 α2 mod(α3＋α＋1) = α2 α3 mod(α3＋α＋1) = α＋1 α4 mod(α3＋α＋1) = α2＋α α5 mod(α3＋α＋1) = α2＋α1＋1 α6 mod(α3＋α＋1) = α2＋1 α7 mod(α3＋α＋1) = α0 α8 mod(α3＋α＋1) = α1 …… 　 用二进制数表示域元素得到表13-01所示的对照表 表13-01 GF(23)域中与二进制代码对照表, GF(23)域元素 二进制对代码 0 (000) α0 (001) α1 (010) α2 (100) α3 (011) α4 (110) α5 (111) α6 (101) 这样一来就建立了GF(23)域中的元素与3位二进制数之间的一一对应关系。用同样的方法可建立GF(28)域中的256个元素与8位二进制数之间的一一对应关系。在纠错编码运算过程中，加、减、乘和除的运算是在伽罗华域中进行。现仍以GF(23)域中运算为例： 加法例：α0＋α3 = 001＋011 = 010 = α1 减法例：与加法相同 乘法例：α5·α4 = α(5＋4)mod7 = α2 除法例：α5/α3 = α2 α3/α5 = α－2 = α(－2＋7) = α5 取对数：log(α5) = 5 这些运算的结果仍然在GF(23)域中。 13.2.2 RS的编码算法 RS的编码就是计算信息码符多项式除以校验码生成多项式之后的余数。 在介绍之前需要说明一些符号。在GF(2m)域中，符号(n，k)RS的含义如下： m 表示符号的大小，如m = 8表示符号由8位二进制数组成 n 表示码块长度， k 表示码块中的信息长度 K=n－k = 2t 表示校验码的符号数 t 表示能够纠正的错误数目 例如，(28，24)RS码表示码块长度共28个符号，其中信息代码的长度为24，检验码有4个检验符号。在这个由28个符号组成的码块中，可以纠正在这个码块中出现的2个分散的或者2个连续的符号错误，但不能纠正3个或者3个以上的符号错误。 对一个信息码符多项式，RS校验码生成多项式的一般形式为 (13－2) 式中，m0是偏移量，通常取K0 = 0或K0 = 1，而(n-k)≥2t (t为要校正的错误符号数)。 下面用两个例子来说明RS码的编码原理。 [例13.2] 设在GF(23)域中的元素对应表如表13-01所示。假设(6，4)RS码中的4个信息符号为m3、m2、m1和m0，信息码符多项式为 (13－3) 并假设RS校验码的2个符号为Q1和Q0，的剩余多项式为 这个多项式的阶次比的阶次少一阶。 如果K0 = 1，t = 1，由式(13－2)导出的RS校验码生成多项式就为 = (13－4) 根据多项式的运算，由式(13－3)和式(13－4)可以得到 m3x5＋m2x4＋m1x3＋m0x2＋Q1x＋Q0 = (x－α)(x－α2)Q(x) 当用x = α和x = α2代入上式时，得到下面的方程组， 经过整理可以得到用矩阵表示的(6，4)RS码的校验方程： 求解方程组就可得到校验符号： 在读出时的校正子可按下式计算： 　 [例13.3] 在例13.2中，如果K0 = 0，t = 1，由式(13－2)导出的RS校验码生成多项式就为 = (13－5) 根据多项式的运算，由(13－3)和(13－5)可以得到下面的方程组： 方程中的αi也可看成符号的位置，此处i = 0，1，…，5。 求解方程组可以得到RS校验码的2个符号为Q1和Q0， (13－6) 假定mi为下列值： 信息符号 m3 = α0 = 001 m2 = α6 = 101 m1 = α3 = 011 m0 = α2 = 100 校验符号 Q1 = α6 = 101 Q0 = α4 = 110 校正子 s0 = 0 s1 = 0 代入(13－6)式可求得校验符号： Q1 = α6 = 101 Q0 = α4 = 110 13.2.3 RS码的纠错算法 RS码的错误纠正过程分三步： (1)计算校正子(syndrome)，(2)计算错误位置，(3)计算错误值。现以例13.3为例介绍RS码的纠错算法。 校正子使用下面的方程组来计算： 为简单起见，假定存入光盘的信息符号m3、m2、m1、m0和由此产生的检验符号Q1、Q0均为0，读出的符号为m3′、m2′、m1′、m0′、Q1′和Q0′。 如果计算得到的s0和s1不全为0，则说明有差错，但不知道有多少个错，也不知道错在什么位置和错误值。如果只有一个错误，则问题比较简单。假设错误的位置为αx，错误值为mx，那么可通过求解下面的方程组： 得知错误的位置和错误值。 如果计算得到s0 = α2和s1 = α5，可求得αx = α3和mx = α2，说明m1出了错，它的错误值是α2。校正后的m1 = m1′＋mx ，本例中m1=0。 如果计算得到s0 = 0，而s1≠0，那基本可断定至少有两个错误，当然出现两个以上的错误不一定都是s0 = 0和s1≠0。如果出现两个错误，而又能设法找到出错的位置，那么这两个错误也可以纠正。如已知两个错误和的位置和，那么求解方程组： 就可知道这两个错误值。 CD-ROM中的错误校正编码CIRC和里德-索洛蒙乘积码(Reed Solomon Product－like Code，RSPC)就是采用上述方法导出的。

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