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Berlekamp–Welch algorithm

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2845: 1659: 2840:{\displaystyle {\begin{bmatrix}b_{1}&b_{1}a_{1}&-1&-a_{1}&-a_{1}^{2}&-a_{1}^{3}&-a_{1}^{4}\\b_{2}&b_{2}a_{2}&-1&-a_{2}&-a_{2}^{2}&-a_{2}^{3}&-a_{2}^{4}\\b_{3}&b_{3}a_{3}&-1&-a_{3}&-a_{3}^{2}&-a_{3}^{3}&-a_{3}^{4}\\b_{4}&b_{4}a_{4}&-1&-a_{4}&-a_{4}^{2}&-a_{4}^{3}&-a_{4}^{4}\\b_{5}&b_{5}a_{5}&-1&-a_{5}&-a_{5}^{2}&-a_{5}^{3}&-a_{5}^{4}\\b_{6}&b_{6}a_{6}&-1&-a_{6}&-a_{6}^{2}&-a_{6}^{3}&-a_{6}^{4}\\b_{7}&b_{7}a_{7}&-1&-a_{7}&-a_{7}^{2}&-a_{7}^{3}&-a_{7}^{4}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e_{0}\\e_{1}\\q0\\q1\\q2\\q3\\q4\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}-b_{1}a_{1}^{2}\\-b_{2}a_{2}^{2}\\-b_{3}a_{3}^{2}\\-b_{4}a_{4}^{2}\\-b_{5}a_{5}^{2}\\-b_{6}a_{6}^{2}\\-b_{7}a_{7}^{2}\\\end{bmatrix}}} 3741: 3293: 3304: 2856: 3736:{\displaystyle {\begin{bmatrix}1&0&0&0&0&0&0\\0&1&0&0&0&0&0\\0&0&1&0&0&0&0\\0&0&0&1&0&0&0\\0&0&0&0&1&0&0\\0&0&0&0&0&1&0\\0&0&0&0&0&0&1\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e_{0}\\e_{1}\\q0\\q1\\q2\\q3\\q4\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}4\\2\\4\\3\\3\\1\\3\\\end{bmatrix}}} 3288:{\displaystyle {\begin{bmatrix}1&0&6&0&0&0&0\\5&5&6&6&6&6&6\\3&6&6&5&3&6&5\\6&4&6&4&5&1&3\\3&5&6&3&5&6&3\\2&3&6&2&3&1&5\\2&5&6&1&6&1&6\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e_{0}\\e_{1}\\q0\\q1\\q2\\q3\\q4\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0\\2\\2\\2\\1\\6\\5\\\end{bmatrix}}} 1493: 4125: 1193: 1223: 960: 4034: 3852: 666: 794: 954: 879: 305: 3920: 482: 436: 351: 217: 91: 560: 1532: 518: 390: 253: 167: 127: 1488:{\displaystyle b_{i}(e_{0}+e_{1}a_{i}+e_{2}a_{i}^{2}+\cdots +e_{e-1}a_{i}^{e-1})-(q_{0}+q_{1}a_{i}+q_{2}a_{i}^{2}+\cdots +q_{q}a_{i}^{q})=-b_{i}a_{i}^{e}} 4158: 4100: 1188:{\displaystyle b_{i}(e_{0}+e_{1}a_{i}+e_{2}a_{i}^{2}+\cdots +e_{e}a_{i}^{e})-(q_{0}+q_{1}a_{i}+q_{2}a_{i}^{2}+\cdots +q_{q}a_{i}^{q})=0} 4083: 36: 3926: 3758: 4153: 1571:) = 0 to recover the original code word. If the remainder ≠ 0, then an uncorrectable error has been detected. 584: 1557:
is reduced to 0, indicating no errors. If Q()/E() has remainder = 0, then F() = Q()/E() and the code word values F(
4123:, "Error Correction for Algebraic Block Codes", published September 27, 1983, issued December 30, 1986 1605:= i-1 : {0,1,2,3,4,5,6}. The message to be systematically encoded is {1,6,3}. Using Lagrange interpolation, 722: 885: 816: 258: 4148: 4143: 3858: 441: 395: 310: 176: 50: 4112: 130: 716:) . These equations can't be solved directly, but by defining Q() as the product of E() and F(): 28: 523: 1498:
resulting in a set of equations which can be solved using linear algebra, with time complexity
1501: 487: 359: 222: 136: 96: 4120: 4105:
Algebraic Codes on Lines, Planes and Curves, An Engineering Approach – Richard E. Blahut
810:= 1, the result will lead to a set of equations that can be solved with linear algebra. 4116: 32: 4137: 1553:
is reduced by 1 and the process repeated, until the equations can be solved or
4095: 356:
The goal of the decoder is to recover the original encoding polynomial
1635:= 6, results in the code word {1,6,3,6,1,2,2}. Assume errors occur at 799:
and adding the constraint that the most significant coefficient of E(a
4101:
University at Buffalo Lecture Notes on Coding Theory – Dr. Atri Rudra
1649:
resulting in the received code word {1,5,3,6,3,2,2}. Start off with
35:. This is a decoder algorithm that efficiently corrects errors in 3746:
Starting from the bottom of the right matrix, and the constraint
47:), code based on the Reed Solomon original view where a message 4096:
MIT Lecture Notes on Essential Coding Theory – Dr. Madhu Sudan
1549:)/2⌋. If the equations can not be solved (due to redundancy), 4108:
Welch Berlekamp Decoding of Reed–Solomon Codes – L. R. Welch
1537:
The algorithm begins assuming the maximum number of errors
484:
with possible errors. It also computes an error polynomial
4074:= 4) = 1 to produce corrected code word {1,6,3,6,1,2,2}. 4130:– The patent by Lloyd R. Welch and Elewyn R. Berlekamp 4029:{\displaystyle F(a_{i})=Q(a_{i})/E(a_{i})=3x^{2}+2x+1} 3677: 3584: 3313: 3229: 3136: 2865: 2606: 2513: 1668: 3929: 3861: 3761: 3307: 2859: 1662: 1504: 1226: 963: 888: 819: 725: 587: 526: 490: 444: 398: 362: 313: 261: 225: 179: 139: 99: 53: 4028: 3914: 3847:{\displaystyle Q(a_{i})=3x^{4}+1x^{3}+3x^{2}+3x+4} 3846: 3735: 3287: 2839: 1526: 1487: 1187: 948: 873: 788: 660: 562:corresponding to errors in the received codeword. 554: 512: 476: 430: 384: 345: 299: 247: 211: 161: 121: 85: 1217:is constrained to be 1, the equations become: 661:{\displaystyle b_{i}E(a_{i})=E(a_{i})F(a_{i})} 8: 1564:) are calculated for the locations where E( 4005: 3986: 3971: 3962: 3940: 3928: 3891: 3872: 3860: 3823: 3807: 3791: 3772: 3760: 3672: 3605: 3591: 3579: 3308: 3306: 3224: 3157: 3143: 3131: 2860: 2858: 2823: 2818: 2808: 2791: 2786: 2776: 2759: 2754: 2744: 2727: 2722: 2712: 2695: 2690: 2680: 2663: 2658: 2648: 2631: 2626: 2616: 2601: 2534: 2520: 2508: 2494: 2489: 2474: 2469: 2454: 2449: 2434: 2411: 2401: 2389: 2375: 2370: 2355: 2350: 2335: 2330: 2315: 2292: 2282: 2270: 2256: 2251: 2236: 2231: 2216: 2211: 2196: 2173: 2163: 2151: 2137: 2132: 2117: 2112: 2097: 2092: 2077: 2054: 2044: 2032: 2018: 2013: 1998: 1993: 1978: 1973: 1958: 1935: 1925: 1913: 1899: 1894: 1879: 1874: 1859: 1854: 1839: 1816: 1806: 1794: 1780: 1775: 1760: 1755: 1740: 1735: 1720: 1697: 1687: 1675: 1663: 1661: 1515: 1503: 1479: 1474: 1464: 1445: 1440: 1430: 1411: 1406: 1396: 1383: 1373: 1360: 1335: 1330: 1314: 1295: 1290: 1280: 1267: 1257: 1244: 1231: 1225: 1170: 1165: 1155: 1136: 1131: 1121: 1108: 1098: 1085: 1066: 1061: 1051: 1032: 1027: 1017: 1004: 994: 981: 968: 962: 931: 909: 893: 887: 862: 840: 824: 818: 789:{\displaystyle Q(a_{i})=E(a_{i})F(a_{i})} 777: 758: 736: 724: 649: 630: 608: 592: 586: 537: 525: 501: 489: 468: 449: 443: 422: 403: 397: 373: 361: 337: 318: 312: 291: 266: 260: 236: 224: 203: 184: 178: 150: 138: 110: 98: 77: 58: 52: 949:{\displaystyle b_{i}E(a_{i})-Q(a_{i})=0} 93:is used as coefficients of a polynomial 874:{\displaystyle b_{i}E(a_{i})=Q(a_{i})} 300:{\displaystyle a_{k+1},\cdots ,a_{n}} 7: 3915:{\displaystyle E(a_{i})=1x^{2}+2x+4} 1653:= 2 and solve the linear equations: 574:= number of errors, the key set of 477:{\displaystyle b_{1},\cdots ,b_{n}} 431:{\displaystyle a_{1},\cdots ,a_{n}} 346:{\displaystyle c_{1},\cdots ,c_{n}} 212:{\displaystyle a_{1},\cdots ,a_{k}} 86:{\displaystyle m_{1},\cdots ,m_{k}} 14: 4159:Error detection and correction 3992: 3979: 3968: 3955: 3946: 3933: 3878: 3865: 3778: 3765: 1613:= 3 x + 2 x + 1, and applying 1521: 1508: 1451: 1353: 1347: 1237: 1176: 1078: 1072: 974: 937: 924: 915: 902: 868: 855: 846: 833: 783: 770: 764: 751: 742: 729: 655: 642: 636: 623: 614: 601: 543: 530: 507: 494: 379: 366: 307:to create an encoded codeword 242: 229: 156: 143: 116: 103: 1: 4084:Reed–Solomon error correction 133:to generate the polynomial 4175: 555:{\displaystyle E(a_{i})=0} 16:Error-correcting algorithm 392:, using the known inputs 25:Welch–Berlekamp algorithm 21:Berlekamp–Welch algorithm 1527:{\displaystyle O(n^{3})} 513:{\displaystyle E(a_{i})} 385:{\displaystyle F(a_{i})} 248:{\displaystyle F(a_{i})} 162:{\displaystyle F(a_{i})} 122:{\displaystyle F(a_{i})} 4030: 3916: 3848: 3737: 3289: 2841: 1598:= 3 and input values: 1528: 1489: 1189: 950: 875: 790: 702:non error cases where 662: 556: 514: 478: 438:and received codeword 432: 386: 347: 301: 249: 213: 163: 131:Lagrange interpolation 123: 87: 4031: 3917: 3849: 3738: 3290: 2842: 1529: 1490: 1190: 951: 876: 791: 663: 557: 515: 479: 433: 387: 348: 302: 250: 214: 164: 124: 88: 4036:with remainder = 0. 3927: 3859: 3759: 3305: 2857: 1660: 1502: 1224: 961: 886: 817: 723: 694:) ≠ 0 for the 585: 524: 488: 442: 396: 360: 311: 259: 223: 177: 137: 97: 51: 23:, also known as the 4121:Berlekamp, Elwyn R. 2828: 2796: 2764: 2732: 2700: 2668: 2636: 2499: 2479: 2459: 2380: 2360: 2340: 2261: 2241: 2221: 2142: 2122: 2102: 2023: 2003: 1983: 1904: 1884: 1864: 1785: 1765: 1745: 1484: 1450: 1416: 1346: 1300: 1175: 1141: 1071: 1037: 4154:Information theory 4026: 3912: 3844: 3733: 3727: 3663: 3573: 3285: 3279: 3215: 3125: 2837: 2831: 2814: 2782: 2750: 2718: 2686: 2654: 2622: 2592: 2502: 2485: 2465: 2445: 2366: 2346: 2326: 2247: 2227: 2207: 2128: 2108: 2088: 2009: 1989: 1969: 1890: 1870: 1850: 1771: 1751: 1731: 1579:Consider RS(7,3) ( 1524: 1485: 1470: 1436: 1402: 1326: 1286: 1185: 1161: 1127: 1057: 1023: 946: 871: 786: 658: 552: 510: 474: 428: 382: 343: 297: 245: 209: 159: 119: 83: 37:Reed–Solomon codes 29:Elwyn R. Berlekamp 566:The key equations 4166: 4129: 4128: 4124: 4060:= 4 Calculate F( 4035: 4033: 4032: 4027: 4010: 4009: 3991: 3990: 3975: 3967: 3966: 3945: 3944: 3921: 3919: 3918: 3913: 3896: 3895: 3877: 3876: 3853: 3851: 3850: 3845: 3828: 3827: 3812: 3811: 3796: 3795: 3777: 3776: 3742: 3740: 3739: 3734: 3732: 3731: 3668: 3667: 3610: 3609: 3596: 3595: 3578: 3577: 3294: 3292: 3291: 3286: 3284: 3283: 3220: 3219: 3162: 3161: 3148: 3147: 3130: 3129: 2846: 2844: 2843: 2838: 2836: 2835: 2827: 2822: 2813: 2812: 2795: 2790: 2781: 2780: 2763: 2758: 2749: 2748: 2731: 2726: 2717: 2716: 2699: 2694: 2685: 2684: 2667: 2662: 2653: 2652: 2635: 2630: 2621: 2620: 2597: 2596: 2539: 2538: 2525: 2524: 2507: 2506: 2498: 2493: 2478: 2473: 2458: 2453: 2439: 2438: 2416: 2415: 2406: 2405: 2394: 2393: 2379: 2374: 2359: 2354: 2339: 2334: 2320: 2319: 2297: 2296: 2287: 2286: 2275: 2274: 2260: 2255: 2240: 2235: 2220: 2215: 2201: 2200: 2178: 2177: 2168: 2167: 2156: 2155: 2141: 2136: 2121: 2116: 2101: 2096: 2082: 2081: 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Index

Elwyn R. Berlekamp
Lloyd R. Welch
Reed–Solomon codes
Lagrange interpolation
Reed–Solomon error correction
MIT Lecture Notes on Essential Coding Theory – Dr. Madhu Sudan
University at Buffalo Lecture Notes on Coding Theory – Dr. Atri Rudra
US 4,633,470
Welch, Lloyd R.
Berlekamp, Elwyn R.
Categories
Finite fields
Coding theory
Information theory
Error detection and correction

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