Упреждающая коррекция ошибок: повышение четкости связи при использовании рации

Знаете ли вы, как информация иногда теряет подлинность при передаче из уст в уста? Человек может передать часть информации кому-то другому, который может добавить или изменить ее. Такие переделки приводят к порче или, точнее, к ошибкам. И это похоже на то, что происходит с данными, пересылаемыми с одной рации на другую. 

Данные могут содержать ошибки при хранении или передаче. В результате получатель получит нечеткие, искаженные сообщения вместо исходного сообщения. Некоторые рации могут исправить это, повторно отправив сообщение до тех пор, пока оно не будет безошибочным. Но поскольку это увеличивает задержку, эффективно ли это или есть лучший способ исправить ошибки? 

В этой статье мы обсудим упреждающее исправление ошибок и его различные методы. Мы также определим, являются ли они более эффективными для исправления случайных ошибок связи. 

Основы ошибок общения

Когда вы сохраняете или отправляете данные, данные могут подвергаться ошибкам и повреждаться. К таким ошибкам относятся перестановки битов, когда двоичная 1 становится 0 или наоборот. Коды исправления ошибок пытаются идентифицировать и обнаруживать ошибки, обеспечивая надежную доставку данных. 

Ошибки связи возникают, когда передаваемые данные повреждаются или теряются во время передачи. Эти ошибки делятся на две основные категории: 

• Битовые ошибки: Битовая ошибка возникает, когда отдельные биты искажаются при сохранении или передаче. Например, передатчик отправляет 0101, а приемник получает 1101. Это означает, что в первом бите есть ошибка. Обычно шум, помехи или ошибки сигнала вызывают битовые ошибки. 
• Пакетные ошибки: пакеты — это меньшие сегменты больших данных, отправляемых с одного устройства на другое. Ошибки пакетов возникают, когда весь пакет данных повреждается во время передачи. Это может произойти из-за сильного ухудшения сигнала или помех.

Влияние ошибок связи на работу рации 

Ошибки связи влияют на работу рации. Они могут вызвать:

• Снижение качества звука: вы можете получить искаженный, нечеткий звук, если в вашем сообщении есть ошибки. Такая плохая передача может затруднить эффективное общение. 

• Повышенное энергопотребление: Повторная передача данных приводит к тому, что ваша рация потребляет больше энергии, чем должна. Таким образом, батарея может разряжаться быстрее, что сокращает срок службы батареи. 

• Уменьшенный диапазон: Ухудшение качества сигнала и помехи могут вызвать ошибки. Следовательно, они ограничивают дальность связи рации.

Понимание прямого исправления ошибок 

Упреждающая коррекция ошибок (FEC) — это метод контроля ошибок, при котором передатчик добавляет к данным избыточность (код исправления ошибок). Таким образом, получатель может обнаруживать и исправлять ошибки, не запрашивая повторную передачу. 

FEC увеличивает размер данных, но сильно повышает шансы на успешную связь. В наиболее простом приложении FEC отправляет каждый символ два-три раза. Затем получатель проверяет все (от двух до трех) экземпляров или образцов символа на соответствие протоколу. 

Если оба образца соответствуют протоколу, он его примет. Но если это делает только один образец, он принимает символ, соответствующий протоколу. 

Однако, если ни один экземпляр не соответствует протоколу, он отклоняет символ. Затем вместо символа отображается пробел или знак подчеркивания.  

Коэффициент ошибок по битам (BER)

BER — это количество битовых ошибок, деленное на количество переданных битов, выраженное в процентах. Это процент поврежденных битов в передаче. 

BER определяет качество передачи и может предсказать успешность доставки сообщения. Обычно более высокая частота ошибок по битам означает большее количество ошибок. И даже FEC не сможет исправить очень высокий уровень битовых ошибок (слишком много ошибок). В таких случаях FEC попросит передатчик повторно отправить пакет. 

FEC против автоматического повторного запроса 

FEC и автоматический запрос на повторение (ARQ) являются методами контроля ошибок при передаче данных. Но что отличает их, так это то, как они исправляют ошибки. FEC добавляет избыточность к передаваемым данным, позволяя получателю идентифицировать и исправлять ошибки. 

И наоборот, ARQ запрашивает автоматическую повторную передачу поврежденных или потерянных пакетов данных. Если передатчик отправляет кадр или пакет, получатель подтверждает это. То есть, если он получает его правильно. 

Если получатель не получает пакет правильно до истечения времени ожидания, он продолжает запрашивать повторную передачу кадра данных до тех пор, пока не получит правильный.  

Хотя ARQ обеспечивает надежную связь через ненадежный источник, он имеет некоторые недостатки. ARC увеличивает задержку и снижает эффективность из-за повторяющихся передач. Напротив, FEC может исправлять ошибки без повторной передачи. Следовательно, он обеспечивает более быструю и надежную связь в средах с высоким уровнем ошибок. 

Популярные методы прямого исправления ошибок 

Существует множество методов FEC, но ниже приведены наиболее распространенные из них, используемые в рациях: 

Коды блоков 

Блочные коды — это фундаментальный метод прямой коррекции ошибок (FEC). Они используют их в цифровых системах связи для обнаружения и исправления ошибок. 

В этом методе отправитель делит данные на блоки фиксированного размера, называемые сообщениями. Он добавляет избыточные биты к каждому блоку для создания кодового слова. Затем передатчик отправляет все блоки приемнику. Получатель, в свою очередь, декодирует блоки, чтобы восстановить исходное сообщение. 

К числу популярных блочных кодов относятся коды Хэмминга, Голея, Рида-Мюллера и BCH-коды.

Коды Хэмминга 

Ричард Хэмминг представил коды Хэмминга в начале 1950-х годов. Коды Хэмминга — это семейство линейных блочных кодов, которые могут обнаруживать и исправлять однобитовые ошибки. 

Коды Хэмминга могут обнаруживать как однобитовые, так и двухбитовые ошибки. Но они могут исправлять только однобитовые ошибки. Они довольно просты в реализации. Чаще всего они используются в компьютерной памяти и других подверженных ошибкам цифровых системах. Коды Хэмминга далее разбиваются на двоичные и недвоичные коды. 

Коды Голея 

Коды Голея представляют собой внушительное семейство линейных блочных кодов, используемых в цифровой связи. Они назвали их в честь Марселя Дж. Э. Голея, который написал вводную статью о кодах. 

Основными кодами Голея являются двоичный и троичный коды Голея, которые являются совершенными кодами. Двоичный код Голея исправляет до трехбитовых ошибок, а троичный код исправляет двухбитовые ошибки. Существуют также расширенный двоичный код Голея и расширенный троичный код Голея. Оба они являются самодуальными кодами, полученными в результате расширения двоичного и троичного кодов.  

Коды Рида-Мюллера 

Коды Рида-Мюллера — это семейство блочных кодов, известных своей гибкостью при исправлении ошибок. Это один из самых старых и простых кодов. Два параметра, r и m, определяют коды Рида-Маллера. r — порядок, а m — длина кодов. 

Компания Reed-Muller может исправить многочисленные ошибки в зависимости от их конфигурации. Но коды Рида-Мюллера более высокого порядка обладают лучшими возможностями исправления ошибок. Они используют эти коды в беспроводной связи, спутниковой связи и системах компьютерной памяти.

Коды BCH

Коды Боуза-Чоудхури-Хоквенгема (BCH) представляют собой семейство циклических блочных кодов. Они обладают мощными возможностями исправления случайных ошибок. Их определяют два параметра: длина блока (n) и способность исправления ошибок (t). 

Коды BCH легко решаются с помощью алгебраического метода, известного как синдромное декодирование. Они могут исправить все случайные сочетания t ошибок в каждом кодовом слове. Они используют BCH в цифровых системах связи, компьютерной памяти и других приложениях.

Избыточность в кодах BCH выше, чем в некоторых других блочных кодах. Но они предлагают отличную производительность по исправлению ошибок.

Сверточные коды

Сверточные коды — популярный метод FEC, используемый в цифровой связи. Они кодируют данные, используя скользящее окно, добавляя избыточность на основе предыдущих битов в последовательности. Два параметра характеризуют сверточные коды: длина ограничения (K) и кодовая скорость. 

Сверточные коды не работают с блоками данных фиксированного размера, как блочные коды. Они генерируют их путем свертки битов данных с предопределенным полиномом генератора кода, называемым булевой полиномиальной функцией.

Они реализуют коды свертки, используя регистры сдвига и сумматоры по модулю 2. Этот метод делает их относительно простыми для аппаратного исполнения.

Коды Рида-Соломона 

Коды Рида-Соломона (RS) являются подклассом недвоичных кодов BCH. Они представляют собой мощное семейство недвоичных блочных кодов, которые могут исправлять несколько ошибок в блоке. Количество и тип ошибок, которые они могут исправить, обычно зависят от характеристик кода Рида-Соломона.  

Коды RS основаны на математике конечных полей, в частности, полей Галуа . Эти коды характеризуются двумя параметрами: длиной блока (n) и количеством символов данных (k). Кодовое слово чаще всего состоит из коэффициентов многочлена.

Они генерируют коды RS, используя полиномы над конечным полем. Каждый символ в кодовом слове представляет собой коэффициент полинома, и все кодовые слова делятся на образующий полином. Они используют РС в цифровых и спутниковых системах связи из-за их отличных возможностей исправления ошибок. 

Турбо-коды

Турбокоды — это класс кодов прямого исправления ошибок. Они уникальным образом комбинируют два или более сверточных кода, обеспечивая высокоэффективную коррекцию ошибок.

Клод Берру представил этот код в 1993 году, и он остается популярным выбором для сетей 3G, 4G и спутниковой связи. Его турбокоды подтвердили теорию Шеннона и принесли ему премию Маркони в 2005 году.

Предел Шеннона — это теоретическая максимальная скорость безошибочных данных, которую вы можете передать по каналу при заданном уровне шума. Турбокоды имеют коррекцию ошибок, близкую к пределу Шеннона. 

Турбокоды состоят из двух или более параллельных связанных сверточных кодов. Перемежитель разделяет эти коды. Перемежитель переупорядочивает биты данных псевдослучайным образом, распределяя эффекты пакетных ошибок по кодовым словам. 

Во время декодирования он использует итеративный процесс, называемый «турбо-декодирование». Турбо-декодирование чередуется между двумя сверточными декодерами и обменивается программной информацией. Этот итеративный процесс декодирования позволяет турбокодам достигать практически оптимальной эффективности исправления ошибок.

Коды проверки на четность с низкой плотностью 

Коды с проверкой на четность с низкой плотностью (LDPC) представляют собой тип линейного блочного кода, характеризующийся их разреженной матрицей проверки на четность. Впервые названные кодами Галлагера, Роберт Г. Галлагер представил их в 1963 году. Они используют итеративное декодирование распространения убеждений и строят LPDC с использованием разреженного графа Таннера.

LDPC — это почти оптимальные коды исправления ошибок с шумовым порогом, очень близким к пределу Шеннона. Несмотря на их мощное исполнение, о них в основном забыли на долгие годы. Но в последнее время они приобрели популярность и составляют серьезную конкуренцию Турбокодам. 

Но турбокоды работают лучше при средних и низких скоростях кодирования. И LDPC работает лучше и проще для более высоких кодовых скоростей. Разреженная матрица контроля четности (H), часто генерируемая случайным образом, определяет коды LDPC. 

Он используется для создания кодовых слов и обнаружения и исправления ошибок во время декодирования. Это позволяет использовать эффективные алгоритмы декодирования, такие как распространение убеждений (BP) или алгоритм сумм-произведений (SPA). 

Преимущества прямой коррекции ошибок 

Повышает общую надежность связи 

Одним из огромных преимуществ FEC является повышение надежности связи даже с ненадежными источниками. Это позволяет четко и эффективно общаться в различных условиях. 

Улучшает качество и четкость сигнала 

Методы FEC могут значительно улучшить качество и четкость сигнала. Выявляя и исправляя ошибки, FEC помогает аудиосигналам оставаться разборчивыми даже в шумной обстановке. 

Увеличивает дальность и охват 

FEC полезен при дальней связи. Это позволяет рациям поддерживать четкую связь на больших расстояниях. FEC компенсирует частоты ошибок, которые вызывают ухудшение сигнала. 

Поскольку он исправляет ошибки без повторной передачи, это оказывает меньшее влияние на производительность. Таким образом, рации могут охватывать более обширные диапазоны. 

Снижает потребность в повторных передачах 

Снижая частоту битовых ошибок, FEC сводит к минимуму потребность в повторной передаче. Повторная передача занимает много времени и может значительно увеличить задержку на больших расстояниях. 

Таким образом, FEC уменьшает задержку и повышает эффективность за счет исправления ошибок без повторной передачи. Более быстрая пропускная способность FEC наиболее полезна в областях, где важна быстрая и надежная связь. 

Повышенная устойчивость к помехам и замираниям сигнала 

Упреждающая коррекция ошибок исправляет ошибки, вызванные помехами и замираниями сигналов. Таким образом, рации с FEC менее подвержены замиранию и перехвату сигнала, что может сказаться на качестве связи.  

Выводы

Методы прямого исправления ошибок исправляют ошибки, добавляя избыточность к передаваемому сообщению. Этот метод позволяет принимающей рации исправлять ошибки без повторной передачи. В то время как другие методы исправления ошибок также исправляют ошибки, FEC делает это более эффективно. 

Нет необходимости в повторной передаче. Следовательно, это уменьшает задержку и обеспечивает четкую связь на больших расстояниях и в сложных условиях, например, на круизных судах.