Difference between revisions of "Channel Coding/Error Probability and Application Areas"

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Hint:   Die nachfolgend nur angedeutete Berechnung sollen Sie in der  [[Aufgaben:Aufgabe_2.15:_RS-Blockfehlerwahrscheinlichkeit_bei_AWGN|Aufgabe 2.15]]  für den  $\text{RSC (7, 3, 5)}_{8}$  – also für etwas übersichtlichere Parameter – vollständig durchführen.
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Hint:   You are to perform the calculation only hinted at below in the  [[Aufgaben:Exercise_2.15:_Block_Error_Probability_with_AWGN|"Exercise 2.15"]]  for the  $\text{RSC (7, 3, 5)}_{8}$  – thus for somewhat clearer parameters – completely.
 
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Wir analysieren den in der Grafik gelb hinterlegten Punkt, gültig für den&nbsp; $\text{RSC (255, 239, 17)}_{256}$&nbsp; und&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 7.1 \,\rm dB$ &nbsp; &#8658; &nbsp; $\varepsilon = 0.007$. Die dazugehörige Blockfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich entsprechend der Grafik zu
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We analyze the point highlighted in yellow in the graph, valid for the&nbsp; $\text{RSC (255, 239, 17)}_{256}$&nbsp; and&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 7.1 \,\rm dB$ &nbsp; &#8658; &nbsp; $\varepsilon = 0.007$. The corresponding block error probability results according to the diagram to
  
::<math>{\rm Pr(Blockfehler)}  =
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::<math>{\rm Pr(Block\:error)}  =
 
\sum_{f =9}^{255} {255 \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{255-f}\approx 10^{-4} \hspace{0.05cm}.</math>
 
\sum_{f =9}^{255} {255 \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{255-f}\approx 10^{-4} \hspace{0.05cm}.</math>
  
Dominant ist hierbei der erste Term&nbsp; $($für&nbsp; $f=9)$, der bereits etwa&nbsp; $80\%$&nbsp; ausmacht:
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Dominant here is the first term&nbsp; $($for&nbsp; $f=9)$, which already accounts for about&nbsp; $80\%$&nbsp;:
  
 
::<math>{255 \choose 9} \approx 1.1 \cdot 10^{16}\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}
 
::<math>{255 \choose 9} \approx 1.1 \cdot 10^{16}\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}
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\hspace{0.05cm}.</math>
 
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Dies soll als Beleg dafür gelten, dass man die Summation schon nach wenigen Termen abbrechen darf.<br>
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This should be taken as proof that one may stop the summation already after a few terms.<br>
  
Die in der Grafik dargestellten Ergebnisse kann man wie folgt zusammenfassen:
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The results shown in the graph can be summarized as follows:
*Für kleines&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; (des AWGN&ndash;Kanals) sind die Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes völlig ungeeignet. Beide Codes liegen für&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 < 6 \,\rm dB$&nbsp; über der (schwarzen) Vergleichskurve für uncodierte Übertragung.<br>
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*For small&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; (of the AWGN channel), the Reed&ndash;Solomon codes are completely unsuitable. Both codes are for&nbsp; $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 < 6 \,\rm dB$&nbsp; above the (black) comparison curve for uncoded transmission.<br>
  
*Die Berechung für den&nbsp; $\text{RSC (255, 223, 33)}_{256}$&nbsp; unterscheidet sich von obiger Rechnung nur in der unteren Summationsgrenze&nbsp; $(f_{\rm min} = 17)$&nbsp; und durch ein etwas größeres&nbsp; $\varepsilon_{\rm S}$ &nbsp;$($wegen &nbsp;$R = 0.8745)$.<br>
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*The calculation for the&nbsp; $\text{RSC (255, 223, 33)}_{256}$&nbsp; differs from the above calculation only in the lower summation limit&nbsp; $(f_{\rm min} = 17)$&nbsp; and by a slightly larger&nbsp; $\varepsilon_{\rm S}$ &nbsp;$($because &nbsp;$R = 0.8745)$.<br>
  
*Dieser "rote" Code&nbsp; $($mit&nbsp; $t = 16)$&nbsp; ist für&nbsp; $\rm BER = 10^{-6}$&nbsp; auch nur um etwa&nbsp; $1 \, \rm dB$&nbsp; besser als der durch grüne Kreuze gekennzeichnete Code mit&nbsp; $t = 8$. Die Ergebnisse beider Codes sind also eher enttäuschend.<br>
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*This "red" code&nbsp; $($with&nbsp; $t = 16)$&nbsp; is better for&nbsp; $\rm BER = 10^{-6}$&nbsp; also only by about&nbsp; $1 \, \rm dB$&nbsp; than the code marked by green crosses with&nbsp; $t = 8$. So the results of both codes are rather disappointing.<br>
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;
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$\text{Conclusion:}$&nbsp;
*Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes sind beim gedächtnislosen Binärkanal (AWGN&ndash;Kanal) nicht sehr gut. Beide Codes liegen mehr als&nbsp; $4 \, \rm dB$&nbsp; von der informationstheoretischen&nbsp; [[Channel_Coding/Informationstheoretische_Grenzen_der_Kanalcodierung#AWGN.E2.80.93Kanalkapazit.C3.A4t_f.C3.BCr_bin.C3.A4re_Eingangssignale| Shannon&ndash;Grenze]]&nbsp; entfernt.<br>
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*Reed&ndash;Solomon codes are not very good at the memoryless binary channel (AWGN channel). Both codes are more than&nbsp; $4 \, \rm dB$&nbsp; away from the information-theoretical&nbsp; [[Channel_Coding/Information_Theoretical_Limits_of_Channel_Coding#AWGN_channel_capacity_for_binary_input_signals| "Shannon limit"]]&nbsp;.<br>
  
*Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes sind dagegen sehr wirkungsvoll bei so genannten&nbsp; [[Digitalsignal%C3%BCbertragung/B%C3%BCndelfehlerkan%C3%A4le| Bündelfehlerkanälen]]. Sie werden deshalb vorwiegend bei Fadingkanälen, Speichersysteme, usw. eingesetzt.<br>
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*Reed&ndash;Solomon codes on the other hand are very effective with so-called&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Burst_Error_Channels| "Burst Error Channels"]]. They are therefore mainly used for fading channels, memory systems, etc.<br>
*Die Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes sind nicht perfekt. Welche Konsequenzen sich daraus ergeben, wird in der&nbsp; [[Aufgaben:Aufgabe_2.16:_Entscheidungskriterien_bei_BDD|Aufgabe 2.16]]&nbsp; behandelt.}}<br>
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*The Reed&ndash;Solomon codes are not perfect. The consequences of this are covered in the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_2.16:_Bounded_Distance_Decoding:_Decision_Regions|"Exercise 2.16"]]&nbsp;..}}<br>
  
== Typische Anwendungen mit Reed–Solomon–Codierung==
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== Typical applications with Reed&ndash;Solomon coding==
 
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[[File:P ID2575 KC T 2 6 S3a v2.png|right|frame|Codeschema mit Kaskadierung|class=fit]]
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[[File:P ID2575 KC T 2 6 S3a v2.png|right|frame|Code scheme with cascading|class=fit]]
Reed&ndash;Solomon&ndash;Codierung wird häufig entsprechend der Grafik zusammen mit einem <i>inneren Code</i>&nbsp; in kaskadierter Form angewandt.
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Reed&ndash;Solomon coding is often applied according to the diagram together with an <i>inner code</i>&nbsp; in cascaded form.
  
*Der innere Code ist fast immer ein Binärcode und in der Satelliten&ndash; und Mobilkommunikation oft ein Faltungscode.
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*The inner code is almost always a binary code and in satellite&ndash; and mobile communications often a convolutional code.
 
   
 
   
*Will man nur die Reed&ndash;Solomon&ndash;Codierung/Decodierung untersuchen, so ersetzt man in einer Simulation die grau hinterlegten Komponenten durch einen einzigen Block, den man "Super Channel" nennt.<br>
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*If one wishes to study only Reed&ndash;Solomon coding/decoding, one replaces the grayed components in a simulation with a single block called a "super channel".<br>
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Besonders effizient ist ein solches&nbsp; <b>verkettetes</b> &nbsp;(englisch: <i>concatenated</i>) <b>Codiersystem</b>, wenn zwischen den beiden Codierern ein Interleaver geschaltet ist, um Bündelfehler weiter zu entspreizen.<br>
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Such a&nbsp; <b>concatenated coding system</b> is particularly efficient if an interleaver is connected between the two coders to further relax burst errors.<br>
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Die Grafik zeigt beispielhaft einen solchen Interleaver, wobei wir uns auf eine&nbsp; $20 &times; 4$&ndash;Matrix beschränken. In der Praxis sind diese Matrizen deutlich größer.<br>
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$\text{Example 3:}$&nbsp; The diagram shows an example of such an interleaver, where we restrict ourselves to a&nbsp; $20 &times; 4$ matrix. In practice, these matrices are significantly larger.<br>
  
[[File:P ID2579 KC T 2 6 S3b v2.png|right|frame|Interleaver–Matrix für&nbsp; $20 &times; 4$ Symbole|class=fit]]
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[[File:P ID2579 KC T 2 6 S3b v2.png|right|frame|Interleaver matrix for $20 &times; 4$ symbols|class=fit]]
  
  
  
Der Interleaver wird zeilenweise beschrieben und spaltenweise ausgelesen (blaue Beschriftung). Beim De&ndash;Interleaver  (grüne Beschriftung) ist die Reihenfolge genau umgekehrt.
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The interleaver is written row by row and read out column by column (blue label). With the de&ndash;interleaver (green label) the sequence is exactly the other way round.
*Die Reed&ndash;Solomon&ndash;Symbole werden also nicht fortlaufend an den inneren Coder weitergeleitet, sondern entsprechend der angegebenen Reihenfolge als Symbol 1, 21, 41, 61, 2, 22, usw. .<br>
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*The Reed&ndash;Solomon symbols are therefore not forwarded to the inner coder consecutively, but according to the specified sequence as symbol 1, 21, 41, 61, 2, 22, etc. .<br>
  
*Auf dem Kanal wird ein zusammenhängender Bereich (hier die Symbole 42, 62, 3, 23, 43, 63, 4, 24 &nbsp; &#8658; &nbsp; um das unten rot umrandete Rechteck) zerstört, zum Beispiel durch einen Kratzer auf dem Kanal "Speichermedium".<br>
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*On the channel a contiguous area (here the symbols 42, 62, 3, 23, 43, 63, 4, 24 &nbsp; &#8658; &nbsp; around the rectangle outlined in red below) is destroyed, for example by a scratch on the channel "storage medium".<br>
  
*Nach dem De&ndash;Interleaving ist die Symbolreihenfolge wieder 1, 2, 3, ... &nbsp; &nbsp; Man erkennt an den rot umrandeten Kreisen, dass nun dieses Fehlerbündel weitgehend "aufgebrochen" wurde.}}
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*After de&ndash;interleaving, the symbol sequence is again 1, 2, 3, ... &nbsp; &nbsp; You can see from the red outlined circles that now this burst error has been largely "broken up".}}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp; Eine sehr weit verbreitete Anwendung von Reed&ndash;Solomon&ndash;Codierung &ndash; und zudem die kommerziell erfolgreichste &ndash; ist die <i>Compact Disc</i>&nbsp; $\rm (CD)$, deren Fehlerkorrekturmechanismus bereits im&nbsp; [[Channel_Coding/Zielsetzung_der_Kanalcodierung#Die_.E2.80.9EGeschlitzte_CD.E2.80.9D_.E2.80.93_eine_Demonstration_des_LNT_der_TUM| Einführungkapitel]]&nbsp; dieses Buches beschrieben wurde. Hier ist der innere Code ebenfalls ein Reed&ndash;Solomon&ndash;Code, und das verkette Codiersystem lässt sich wie folgt beschreiben:
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$\text{Example 4:}$&nbsp; Eine sehr weit verbreitete Anwendung von Reed&ndash;Solomon&ndash;Codierung &ndash; und zudem die kommerziell erfolgreichste &ndash; ist die <i>Compact Disc</i>&nbsp; $\rm (CD)$, deren Fehlerkorrekturmechanismus bereits im&nbsp; [[Channel_Coding/Zielsetzung_der_Kanalcodierung#Die_.E2.80.9EGeschlitzte_CD.E2.80.9D_.E2.80.93_eine_Demonstration_des_LNT_der_TUM| Einführungkapitel]]&nbsp; dieses Buches beschrieben wurde. Hier ist der innere Code ebenfalls ein Reed&ndash;Solomon&ndash;Code, und das verkette Codiersystem lässt sich wie folgt beschreiben:
 
*Beide Kanäle des Stereo&ndash;Audiosignals werden mit je&nbsp; $\text{44.1 kHz}$&nbsp; abgetastet und jeder einzelne Abtastwert wird mit&nbsp; $32$&nbsp; Bit (vier Byte) digital dargestellt.<br>
 
*Beide Kanäle des Stereo&ndash;Audiosignals werden mit je&nbsp; $\text{44.1 kHz}$&nbsp; abgetastet und jeder einzelne Abtastwert wird mit&nbsp; $32$&nbsp; Bit (vier Byte) digital dargestellt.<br>
  

Revision as of 20:00, 12 September 2022

Block error probability for RSC and BDD


For error probability calculation we start from the same block diagram as in chapter  "Error correction according to Reed-Solomon coding" , but here we choose the codeword estimator  $(\underline {y} → \underline {z})$  to  "Bounded Distance Decoding"  $\rm (BDD)$ . For Maximum Likelihood Decoding  the results are slightly better.

System model with Reed–Solomon coding,  $m$ BSC  and  Bounded Distance Decoding

Let the block error probability be defined as follows:

\[{ \rm Pr(Block\:error)} = { \rm Pr}( \underline{v} \ne \underline{u})= { \rm Pr}( \underline{z} \ne \underline{c}) = { \rm Pr}( f >t) \hspace{0.05cm}.\]

Due to the BDD assumption, the same simple result is obtained as for the binary block codes, namely the probability that the number  $f$  of errors in the block (received word) is greater than the correctability  $t$  of the code.

Since for the random variable  $f$  (number of errors) there is a  "Binomial distribution"  in the range  $0 ≤ f ≤ n$  we obtain:

\[{\rm Pr(Block\:error)} = \sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm}.\]

But while in the first main chapter always  $c_i ∈ \rm GF(2)$  has applied and thus the  $f$  transmission errors were in each case bit errors, in Reed– Solomon coding under a transmission error  $(y_i \ne c_i)$  because of  $c_i ∈ {\rm GF}(2^m)$  and  $y_i ∈ {\rm GF}(2^m)$  a symbol error.

This results in the following differences:

  • The discrete channel model used to describe the binary block codes is the  "Binary Symmetric Channel"  (BSC). Each bit  $c_i$  of a codeword is corrupted with probability  $\varepsilon$  and correctly transmitted with probability  $1-\varepsilon$  $(y_i = c_i)$.
  • For Reed–Solomon–coding, one must replace the BSC model with the  $m$ BSC channel model. A symbol  $c_i$  is corrupted with probability  $\varepsilon_{\rm S}$  into another symbol  $y_i$  (no matter which one) and arrives with probability  $1-\varepsilon_{\rm S}$  uncorrupted at the receiver.

$\text{Example 1:}$  We start from the BSC parameter  $\varepsilon = 0.1$  and consider Reed–Solomon code symbols  $c_i ∈ {\rm GF}(2^8)$   ⇒   $m = 8$, $q = 256$,  $n = 255$.

For a symbol corruption  $(y_i \ne c_i)$  already one wrong bit is sufficient. Or expressed differently:   If  $y_i = c_i$  is to be valid, then all  $m = 8$ bits  of the code symbol must be transmitted correctly:

\[1 - \varepsilon_{\rm S} = (1 - \varepsilon)^m = 0.9^8 \approx 0.43 \hspace{0.05cm}.\]
  • Thus, for the 8 BSC model, the falsification probability  $\varepsilon_{\rm S} ≈ 0.57$.
  • With the further assumption that the falsification of  $c_i = \beta$  into any other symbol  $y_i = \gamma \ne \beta$  is equally likely, we obtain:
$${\rm Pr}(y_i = \gamma\hspace{0.05cm}\vert \hspace{0.05cm}c_i = \beta = 0.57/255 ≈ 0.223\%.$$


Application of Reed–Solomon coding for binary channels


The prerequisites for the following calculation of the block error probability of a system with Reed–Solomon coding and conversion to binary symbols are summarized in the diagram:

  • Assume a  $(n, k)$ Reed–Solomon coding with symbols of  $c_i ∈ {\rm GF}(2^m)$. The smaller the code rate  $R=k/m$  is, the less information can be transmitted at a fixed data rate.
  • Each symbol is represented by  $m$  bits in binary   ⇒   binary mapping. A block  $($code word  $\underline {c} )$  thus consists of  $n$  symbols or of  $n \cdot m$  binary characters (bits) combined in  $\underline {c}_{\rm bin} $ .
  • In addition, the  "AWGN Channel", identified by the parameter  $E_{\rm B}/N_0 $ is assumed. According to this channel model the transmission happens bipolar:   "0"   ↔   $+1$  and "1"   ↔ $-1$.
  • The receiver makes hard decisions on bit level. Before decoding including error correction, the binary symbols are converted back to ${\rm GF}(2^m)$ symbols.


Application of Reed-Solomon coding for binary channels

The equation given on the last page (valid for Bounded Distance Decoding),

\[{\rm Pr(Block\:error)} = \sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm},\]

is based on the $m$ BSC channel. Starting from the AWGN–channel (Additive White Gaussian Noise ), the "complementary Gaussian error integral" ${\rm Q}(x)$ to the BSC parameter

\[\varepsilon = {\rm Q} \big (\sqrt{2 \cdot E_{\rm S}/N_0} \big ) = {\rm Q} \big (\sqrt{2 \cdot R \cdot E_{\rm B}/N_0} \big ) \hspace{0.05cm},\]

comes from this to the symbol-level corruption probability $\varepsilon_{\rm S}$:

\[\varepsilon_{\rm S} = 1 - (1 - \varepsilon)^m \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Example 2:}$  One gets with

  •  $R=k/n = 239/255 = 0.9373$,
  •  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 7 \, \rm dB$   ⇒   $E_{\rm B}/N_0 ≈ 5$,  und
  •   $n = 2^8-1$   ⇒   $m = 8$


for the parameters  $\varepsilon$  of the BSC model  and  $\varepsilon_{\rm S}$  of the 8 BSC model the following numerical values:

$$\varepsilon = {\rm Q} \big (\sqrt{2 \cdot 0.9373 \cdot 5} \big ) = {\rm Q} \big (3.06\big ) \approx 1.1 \cdot 10^{-3}=0.11 \cdot \%$$
$$\Rightarrow\hspace{0.3cm} \varepsilon_{\rm S} = 1 - (1 - 1.1 \cdot 10^{-3})^8 = 1 - 0.9989^8 = 1 - 0.9912 \approx 0.88 \cdot \% \hspace{0.2cm}(\approx 8 \cdot \varepsilon)\hspace{0.05cm}.$$

So every single symbol is transmitted with more than $99$ percent probability without errors.


BER of Reed–Solomon coding for binary channels


The following graph shows the block error probabilities given in  [Liv10][1]  given block error probabilities as a function of the AWGN quotient  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0$.

Block error probability of two Reed-Solomon codes of length  $n = 255$

Shown are the calculated curves  ${ \rm Pr}( \underline{v} \ne \underline{u})$  for two different Reed–Solomon–codes corresponding to the Deep Space Standards  according to CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems), namely

  • the  $\text{RSC (255, 239, 17)}_{256}$  with  $R=0.9373$, which can correct up to  $t = 8$  errors, and
  • the  $\text{RSC (255, 223, 33)}_{256}$  with higher correction capability  $(t = 16)$  due to smaller code rate.


Hint:   You are to perform the calculation only hinted at below in the  "Exercise 2.15"  for the  $\text{RSC (7, 3, 5)}_{8}$  – thus for somewhat clearer parameters – completely.
We analyze the point highlighted in yellow in the graph, valid for the  $\text{RSC (255, 239, 17)}_{256}$  and  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 = 7.1 \,\rm dB$   ⇒   $\varepsilon = 0.007$. The corresponding block error probability results according to the diagram to

\[{\rm Pr(Block\:error)} = \sum_{f =9}^{255} {255 \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{255-f}\approx 10^{-4} \hspace{0.05cm}.\]

Dominant here is the first term  $($for  $f=9)$, which already accounts for about  $80\%$ :

\[{255 \choose 9} \approx 1.1 \cdot 10^{16}\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm} \varepsilon_{\rm S}^9 \approx 4 \cdot 10^{-20}\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm} (1 -\varepsilon_{\rm S})^{246} \approx 0.18 \hspace{0.15cm} \Rightarrow \hspace{0.15cm} {\rm Pr}(f = 9) \approx 8 \cdot 10^{-5} \hspace{0.05cm}.\]

This should be taken as proof that one may stop the summation already after a few terms.

The results shown in the graph can be summarized as follows:

  • For small  $E_{\rm B}/N_0$  (of the AWGN channel), the Reed–Solomon codes are completely unsuitable. Both codes are for  $10 \cdot \lg \ E_{\rm B}/N_0 < 6 \,\rm dB$  above the (black) comparison curve for uncoded transmission.
  • The calculation for the  $\text{RSC (255, 223, 33)}_{256}$  differs from the above calculation only in the lower summation limit  $(f_{\rm min} = 17)$  and by a slightly larger  $\varepsilon_{\rm S}$  $($because  $R = 0.8745)$.
  • This "red" code  $($with  $t = 16)$  is better for  $\rm BER = 10^{-6}$  also only by about  $1 \, \rm dB$  than the code marked by green crosses with  $t = 8$. So the results of both codes are rather disappointing.


$\text{Conclusion:}$ 

  • Reed–Solomon codes are not very good at the memoryless binary channel (AWGN channel). Both codes are more than  $4 \, \rm dB$  away from the information-theoretical  "Shannon limit" .
  • Reed–Solomon codes on the other hand are very effective with so-called  "Burst Error Channels". They are therefore mainly used for fading channels, memory systems, etc.
  • The Reed–Solomon codes are not perfect. The consequences of this are covered in the  "Exercise 2.16" ..


Typical applications with Reed–Solomon coding


Code scheme with cascading

Reed–Solomon coding is often applied according to the diagram together with an inner code  in cascaded form.

  • The inner code is almost always a binary code and in satellite– and mobile communications often a convolutional code.
  • If one wishes to study only Reed–Solomon coding/decoding, one replaces the grayed components in a simulation with a single block called a "super channel".


Such a  concatenated coding system is particularly efficient if an interleaver is connected between the two coders to further relax burst errors.

$\text{Example 3:}$  The diagram shows an example of such an interleaver, where we restrict ourselves to a  $20 × 4$ matrix. In practice, these matrices are significantly larger.

Interleaver matrix for $20 × 4$ symbols


The interleaver is written row by row and read out column by column (blue label). With the de–interleaver (green label) the sequence is exactly the other way round.

  • The Reed–Solomon symbols are therefore not forwarded to the inner coder consecutively, but according to the specified sequence as symbol 1, 21, 41, 61, 2, 22, etc. .
  • On the channel a contiguous area (here the symbols 42, 62, 3, 23, 43, 63, 4, 24   ⇒   around the rectangle outlined in red below) is destroyed, for example by a scratch on the channel "storage medium".
  • After de–interleaving, the symbol sequence is again 1, 2, 3, ...     You can see from the red outlined circles that now this burst error has been largely "broken up".


$\text{Example 4:}$  Eine sehr weit verbreitete Anwendung von Reed–Solomon–Codierung – und zudem die kommerziell erfolgreichste – ist die Compact Disc  $\rm (CD)$, deren Fehlerkorrekturmechanismus bereits im  Einführungkapitel  dieses Buches beschrieben wurde. Hier ist der innere Code ebenfalls ein Reed–Solomon–Code, und das verkette Codiersystem lässt sich wie folgt beschreiben:

  • Beide Kanäle des Stereo–Audiosignals werden mit je  $\text{44.1 kHz}$  abgetastet und jeder einzelne Abtastwert wird mit  $32$  Bit (vier Byte) digital dargestellt.
  • Die Gruppierung von sechs Samples ergibt einen Rahmen  $(192$  Bit$)$ und damit  $24$  Codesymbole aus dem Galoisfeld  $\rm GF(2^8)$. Jedes Codesymbol entspricht somit genau einem Byte.
  • Der erste Reed–Solomon–Code mit der Rate  $R_1 = 24/28$  liefert  $28$  Byte, die einem Interleaver der Größe  $28 × 109$  Byte zugeführt werden. Das Auslesen erfolgt (kompliziert) diagonal.
  • Der Interleaver verteilt zusammenhängende Bytes großräumig über die gesamte Disk. Dadurch werden so genannte Bursts "aufgelöst", die zum Beispiel durch Kratzer auf der  $\rm CD$  herrühren.
  • Zusammen mit dem zweiten Reed–Solomon–Code  $($Rate $R_2 = 28/32)$  ergibt sich eine Gesamtrate von  $R = (24/28) · (28/32) = 3/4$. Beide Codes können jeweils  $t = 2$  Symbolfehler korrigieren.
  • Die beiden Komponentencodes  $\text{RSC (28, 24, 5)}$  und  $\text{RSC (32, 28, 5)}$  basieren jeweils auf dem Galoisfeld  $\rm GF(2^8)$, was eigentlich die Codelänge  $n = 255$  bedeuten würde.
  • Die hier benötigten kürzeren Komponentencodes ergeben sich aus aus dem  $\text{RSC (255, 251, 5)}_{256}$  durch Shortening   ⇒   siehe  Aufgabe 1.9Z. Durch diese Maßnahme wird aber die minimale Distanz  $d_{\rm min}= 5$  nicht verändert.
  • Mit der anschließenden  Eight–to–Fourteen–Modulation  und weiterer Kontrollsymbole kommt man schließlich zur endgültigen Coderate  $ R = 192/588 ≈ 0.326$  der CD–Datenkomprimierung.

Auf der Seite  Geschlitzte CD  kann man sich anhand eines Audio–Beispiels von der Korrekturfähigkeit dieser cross–interleaved Reed–Solomon–Codierung  überzeugen, aber auch deren Grenzen erkennen.


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 2.15: RS-Blockfehlerwahrscheinlichkeit bei AWGN

Aufgabe 2.15Z: Nochmals RS-Blockfehlerwahrscheinlichkeit

Aufgabe 2.16: Entscheidungskriterien bei BDD

Quellenverzeichnis

  1. Liva, G.: Channel Coding. Lecture Notes, Chair of Communications Engineering, TU Munich and DLR Oberpfaffenhofen, 2010.