Dopředná oprava chyb: Zvýšení srozumitelnosti komunikace vysílačkou

Víte, jak informace při předávání z úst do úst někdy ztrácejí na autenticitě? Osoba může předat určitou informaci někomu jinému, kdo ji může přidat nebo změnit. Takové změny vedou ke korupci nebo přesněji k chybám. A to je podobné tomu, co se děje s daty odesílanými z jedné vysílačky do druhé. 

Data mohou při ukládání nebo přenosu vykazovat chyby. Výsledkem je, že příjemce místo původní zprávy obdrží nejasné, poškozené zprávy. Některé vysílačky to mohou opravit opakovaným odesláním zprávy, dokud nebude bezchybná. Ale protože to zvyšuje latenci, je to efektivní, nebo existuje lepší způsob, jak opravit chyby? 

V tomto článku se budeme zabývat dopřednou opravou chyb a jejími různými technikami. Zjistíme také, zda jsou efektivnější pro opravu náhodných komunikačních chyb. 

Základy komunikačních chyb

Při ukládání nebo odesílání dat mohou být data vystavena chybám a mohou se poškodit. Mezi takové chyby patří překlopení bitů, kdy se binární 1 změní na 0 nebo naopak. Kódy pro opravu chyb se snaží identifikovat a detekovat chyby, což umožňuje spolehlivé doručování dat. 

K chybám komunikace dochází, když se přenášená data během přenosu poškodí nebo ztratí. Tyto chyby spadají do dvou hlavních kategorií: 

• Bitové chyby: Bitová chyba nastane, když se jednotlivé bity při ukládání nebo přenosu poškodí. Například vysílač odešle 0101, ale přijímač přijme 1101. To znamená, že první bit má chybu. Šum, rušení nebo chyby signálu obvykle způsobují bitové chyby. 
• Chyby paketů: Pakety jsou menší segmenty větších dat odesílané z jednoho zařízení do druhého. K chybám paketů dochází, když se během přenosu poškodí celý paket dat. Může k tomu dojít v důsledku extrémní degradace signálu nebo rušení.

Vliv komunikačních chyb na výkon vysílačky 

Komunikační chyby ovlivňují výkon vysílačky. Mohou způsobit:

• Snížená kvalita zvuku: Pokud vaše zpráva obsahuje chyby, může být zvuk zkomolený a nejasný. Takový špatný přenos může ztížit efektivní komunikaci. 

• Zvýšená spotřeba energie: Opakovaný přenos dat způsobuje, že vaše obousměrné rádio spotřebovává více energie, než by mělo. Baterie se tak může rychleji vybíjet, což snižuje životnost baterie. 

• Snížený rozsah: Degradace signálu a interference mohou způsobit chyby. Proto omezují komunikační dosah vysílačky.

Pochopení dopředné opravy chyb 

Forward Error Correction (FEC) je technika kontroly chyb, při které vysílač přidává k datům redundanci (kód pro opravu chyb). Přijímač tak může detekovat a opravovat chyby, aniž by požadoval opakovaný přenos. 

FEC zvyšuje velikost dat, ale výrazně zvyšuje šance na úspěšnou komunikaci. Ve své nejjednodušší aplikaci odešle FEC každý znak dvakrát až třikrát. Přijímač poté zkontroluje všechny (dvě až tři) instance nebo vzorky znaku z hlediska souladu s protokolem. 

Pokud oba vzorky odpovídají protokolu, bude jej akceptovat. Ale pokud to udělá pouze jeden vzorek, přijme znak, který odpovídá protokolu. 

Pokud však žádná instance neodpovídá protokolu, znak odmítne. Potom místo znaku zobrazí mezeru nebo podtržítko.  

Bitová chybovost (BER)

BER je počet bitových chyb dělený počtem přenesených bitů, vyjádřený v procentech. To je procento poškozených bitů v přenosu. 

BER určuje kvalitu přenosu a může předpovídat úspěšnost doručení zprávy. Vyšší bitová chybovost obvykle znamená více chyb. A dokonce ani FEC nebude schopen opravit velmi vysokou bitovou chybovost (příliš mnoho chyb). V takových případech FEC požádá vysílač o opětovné zaslání paketu. 

FEC vs. Automatic Repeat Request 

FEC a Automatic Repeat Request (ARQ) jsou metody kontroly chyb při přenosu dat. Ale to, co je odlišuje, je to, jak opravují chyby. FEC přidává k přenášeným datům redundanci, což umožňuje přijímači identifikovat a opravovat chyby. 

Naopak, ARQ požaduje automatické opětovné odeslání poškozených nebo ztracených datových paketů. Pokud vysílač odešle rámec nebo paket, přijímač to potvrdí. Tedy pokud to správně přijme. 

Pokud přijímač nezíská paket správně před vypršením časového limitu, stále požaduje opětovné vysílání datového rámce, dokud nepřijme správný.  

Ačkoli ARQ poskytuje spolehlivou komunikaci přes nespolehlivý zdroj, má některé nevýhody. ARC zvyšuje latenci a snižuje efektivitu kvůli opakovaným přenosům. Naproti tomu FEC může opravit chyby bez opakovaného přenosu. Proto poskytuje rychlejší a spolehlivější komunikaci v prostředích s vysokou chybovostí. 

Populární techniky dopředné opravy chyb 

Existuje mnoho technik FEC, ale níže jsou ty nejběžnější, které se používají ve vysílačkách: 

Blokové kódy 

Blokové kódy jsou základní technikou dopředné korekce chyb (FEC). Používají je v digitálních komunikačních systémech k detekci a opravě chyb. 

V této technice odesílatel rozděluje data do bloků pevné velikosti nazývaných zprávy. Do každého bloku přidává nadbytečné bity a vytváří tak kódové slovo. Vysílač pak odešle všechny bloky do přijímače. Přijímač zase dekóduje bloky, aby obnovil původní zprávu. 

Mezi populární blokové kódy patří Hammingovy kódy, Golayovy kódy, Reed-Mullerovy kódy a BCH kódy.

Hammingovy kódy 

Richard Hamming představil Hammingovy kódy na počátku 1950. let. Hammingovy kódy jsou rodinou lineárních blokových kódů, které dokážou detekovat a opravovat jednobitové chyby. 

Hammingovy kódy mohou detekovat jak jednobitové chyby, tak i dvoubitové chyby. Ale mohou opravit pouze jednobitové chyby. Jsou docela jednoduché na implementaci. Nejčastěji se používají v paměti počítače a dalších digitálních systémech náchylných k chybám. Hammingovy kódy se dále dělí na binární a nebinární kódy. 

Golay kódy 

Golayovy kódy jsou působivou rodinou lineárních blokových kódů používaných v digitální komunikaci. Pojmenovali je po Marcelu JE Golayovi, který o kódech napsal úvodní práci. 

Hlavní Golay kódy jsou binární a ternární Golay, což jsou dokonalé kódy. Binární Golayův kód opravuje až tříbitové chyby, zatímco ternární opravuje dvoubitové chyby. Existuje také rozšířený binární Golayův kód a rozšířený ternární Golayův kód. Oba jsou to autoduální kódy odvozené z rozšíření binárních a ternárních kódů.  

Reed-Mullerovy kódy 

Reed-Mullerovy kódy jsou rodinou blokových kódů, které jsou známé svou flexibilitou při opravách chyb. Jsou jedním z nejstarších a nejjednodušších kódů. Dva parametry r a m definují Reed-Mullerovy kódy. r je pořadí, zatímco m je délka kódů. 

Reed-Muller dokáže opravit četné chyby v závislosti na jejich konfiguraci. Ale kódy Reed-Muller vyššího řádu mají lepší možnosti opravy chyb. Používají tyto kódy v bezdrátové komunikaci, satelitní komunikaci a počítačových paměťových systémech.

Kódy BCH

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH) kódy jsou rodinou cyklických blokových kódů. Mají výkonné funkce pro opravu náhodných chyb. Definují je dva parametry: délka bloku (n) a kapacita korekce chyb (t). 

BCH kódy lze snadno vyřešit pomocí algebraické metody známé jako syndrom dekódování. Mohou opravit všechny náhodné vzory t chyb v každém kódovém slově. Používají BCH v digitálních komunikačních systémech, počítačové paměti a dalších aplikacích.

Redundance v BCH kódech je vyšší než v některých jiných blokových kódech. Ale nabízejí vynikající výkon při opravě chyb.

Konvoluční kódy

Konvoluční kódy jsou oblíbenou technikou FEC používanou v digitální komunikaci. Kódují data pomocí posuvného okna a přidávají redundanci na základě předchozích bitů v sekvenci. Konvoluční kódy charakterizují dva parametry: délka omezení (K) a kódová rychlost. 

Konvoluční kódy neoperují s datovými bloky pevné velikosti jako blokové kódy. Generují je konvolvací datových bitů s předdefinovaným polynomem generátoru kódu, který se nazývá booleovská polynomiální funkce.

Implementují konvoluční kódy pomocí posuvných registrů a modulo-2 sčítaček. Tato metoda umožňuje jejich hardwarové provedení relativně jednoduše.

Reed-Solomonovy kódy 

Reed-Solomonovy (RS) kódy jsou podtřídou nebinárních BCH kódů. Jedná se o výkonnou rodinu nebinárních blokových kódů, které mohou opravit více chyb v bloku. Počet a typ chyb, které mohou opravit, obvykle závisí na vlastnostech kódu Reed-Solomon.  

RS kódy jsou založeny na matematice konečných polí, konkrétně Galoisových polí . Tyto kódy charakterizují dva parametry: délka bloku (n) a počet datových symbolů (k). Kódové slovo se nejčastěji skládá z koeficientů polynomu.

Generují RS kódy pomocí polynomů nad konečným polem. Každý symbol v kódovém slově představuje koeficient polynomu a všechna kódová slova jsou dělitelná polynomem generátoru. Používají RS v digitálních a satelitních komunikačních systémech kvůli jejich vynikajícím schopnostem opravovat chyby. 

Turbo kódy

Turbo kódy jsou třídou dopředných kódů pro opravu chyb. Jedinečně kombinují dva nebo více konvolučních kódů a poskytují vysoce výkonnou opravu chyb.

Claude Berrou představil tento kód v roce 1993 a dodnes je oblíbenou volbou pro 3G, 4G a satelitní komunikaci. Jeho Turbo kódy dokázaly Shannonovu teorii a v roce 2005 mu vynesly Marconiho cenu.

Shannonův limit je teoretická maximální rychlost bezchybných dat, která můžete přenést přes kanál, při určité úrovni šumu. Turbo kódy mají korekci chyb blízko Shannonova limitu. 

Turbo kódy se skládají ze dvou nebo více paralelně zřetězených konvolučních kódů. Tyto kódy odděluje interleaver. Interleaver přeuspořádává datové bity pseudonáhodným způsobem a šíří účinky shlukových chyb napříč kódovými slovy. 

Během dekódování používá iterativní proces nazývaný „turbo dekódování“. Turbo dekódování střídá dva konvoluční dekodéry a vyměňuje měkké informace. Tento iterativní proces dekódování umožňuje turbo kódům dosáhnout téměř optimálního výkonu při opravě chyb.

Kódy kontroly parity s nízkou hustotou 

Kódy kontroly parity s nízkou hustotou (LDPC) jsou typem lineárního blokového kódu charakterizovaného svou řídkou maticí kontroly parity. Robert G. Gallager poprvé jmenoval Gallagerovy kódy a představil je v roce 1963. Používají iterativní dekódování šíření víry a konstruují LPDC pomocí řídkého Tannerova grafu.

LDPC jsou téměř optimální kódy pro opravu chyb s prahem šumu velmi blízkým Shannonově limitu. Navzdory jejich silnému výkonu byly na léta většinou zapomenuty. V poslední době si však získaly popularitu a těsně konkurují kódům Turbo. 

Turbo kódy však fungují lépe pro střední až nízké kódové rychlosti. A LDPC funguje lépe a je méně komplexní pro vyšší kódové rychlosti. Matice kontroly řídké parity (H), často náhodně generovaná, definuje kódy LDPC. 

Používá se k vytváření kódových slov a provádění detekce a opravy chyb během dekódování. Umožňuje efektivní dekódovací algoritmy, jako je propagace víry (BP) nebo algoritmus sum-produkt (SPA). 

Výhody dopředné opravy chyb 

Zvyšuje celkovou spolehlivost komunikace 

Jednou z velkých výhod FEC je zvýšení spolehlivosti komunikace, a to i přes nespolehlivé zdroje. Umožňuje jasně a efektivně komunikovat v různých prostředích. 

Zlepšuje kvalitu a čistotu signálu 

Techniky FEC mohou výrazně zlepšit kvalitu a jasnost signálu. Identifikací a opravou chyb FEC pomáhá audio signálům zůstat srozumitelné i v hlučném prostředí. 

Zvyšuje dosah a pokrytí 

FEC je výhodný v komunikaci na dálku. Umožňuje vysílačkám udržovat jasnou komunikaci na větší vzdálenosti. FEC kompenzuje chybovost, která způsobuje degradaci signálu. 

Protože opravuje chyby bez opakovaného přenosu, má menší dopad na výkon. Vysílačky tak mohou pokrýt širší rozsahy. 

Snižuje potřebu opakovaných přenosů 

Snížením bitové chybovosti FEC minimalizuje potřebu opakovaného přenosu. Opakovaný přenos je časově náročný a může výrazně zvýšit latenci na větší vzdálenosti. 

FEC tedy snižuje latenci a zvyšuje efektivitu opravou chyb bez opakovaného přenosu. Rychlejší přenosová kapacita FEC je nejužitečnější v oblastech, kde je nezbytná rychlá a spolehlivá komunikace. 

Zvýšená odolnost proti rušení a vyblednutí signálu 

Forward Error Correction opravuje chyby způsobené rušením a zeslabováním signálů. Vysílačky s FEC jsou tedy méně náchylné k vyblednutí signálu a jeho zachycení, což může ovlivnit kvalitu komunikace.  

Závěrečná slova

Techniky Forward Error Correction opravují chyby přidáním redundance k přenášené zprávě. Tato technika umožňuje přijímací vysílačce opravit chyby bez opakovaného přenosu. Zatímco jiné techniky opravy chyb také opravují chyby, FEC to dělá efektivněji. 

Není potřeba opakovaný přenos. Snižuje se tak latence a zlepšuje se jasná komunikace na velké vzdálenosti a v náročných prostředích, jako jsou výletní lodě.