在串行传送(磁盘、通讯)中,广泛采用循环冗余校验码(CRC)。CRC也是给信息码加上几位校验码,以增加整个编码系统的码距和查错纠错能力。
CRC的理论很复杂,一般书上只介绍已有生成多项式后计算校验码的方法。检错能力与生成多项式有关,只能根据书上的结论死记。 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 | | 1011 | 7 | 4 | 3 | | 1101 | 7 | 3 | 4 | | 11101 | 7 | 3 | 4 | | 10111 | 15 | 11 | 3 | | 10011 | 15 | 7 | 5 | | 111010001 | 31 | 26 | 3 | | 100101 | 31 | 21 | 5 | | | 63 | 57 | 3 | | | 63 | 51 | 5 | | | 1041 | 1024 | | | |
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。
| | 余数 | 出错位 | 码位 | | 正确 | | 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 |
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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(补0后若最高位为1,则用除数做模2减取余;若最高位为0,则其最低3位就是余数),得到第二次余数为 010。以后继续补0作模2除,依次得到余数为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。 【例】 对图10的CRC码(G(x)=1011,C(x)=1010),若接收端收到的码字为1010111,用G(x)=1011做模2除得到一个不为0的余 数100,说明传输有错。将此余数继续补0用G(x)=1011作模2除,同时让码字循环左移1010111。做了4次后,得到余数为101,这时码字也 循环左移4位,变成1111010。说明出错位已移到最高位A7,将最高位1取反后变成0111010。再将它循环左移3位,补足7次,出错位回到A3位,就成为一个正确的码字1010011。
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