Kas ir FEC un kā to lietot?
Komunikāciju sistēmās, informācijas teorijā un kodēšanas teorijā priekšējo kļūdu korekcija (FEC) ir metode, ko izmanto, lai kontrolētu kļūdas datu pārraidē neuzticamos vai trokšņainos sakaru kanālos. FEC pirmsākumi ir jāpateicas Kloda Šenona novatoriskajam darbam 1948. gadā, lai nodrošinātu drošu komunikāciju trokšņainos pārraides kanālos. Šenona galvenā tēma bija tāda, ka, ja sistēmas signalizācijas ātrums ir mazāks par kanāla kapacitāti, uzticamu komunikāciju var panākt, izvēloties atbilstošus kodēšanas un dekodēšanas paņēmienus.
1. attēlā parādīts vienkāršots kodētas sistēmas modelis. Neapstrādātie pārraides dati tiek attēloti kā ziņojumu secībau. FEC kodētājs pārveido ziņojumuukoda vārdāv pievienojot liekus datus, pirms ievadāt neuzticamu vai trokšņainu kanālu. Papildu dublēšana ļauj uztvērēja dekodētājam atklāt ierobežotu skaitu kļūdu, kas var rasties ziņojumā, un bieži izlabot šīs kļūdas bez atkārtotas pārsūtīšanas, lai sākotnējā ziņojumu secībautiek veiksmīgi atgūts dekodētāja izejā.
FEC kodu veidi
Mūsdienās plaši tiek izmantoti divi strukturāli atšķirīgi kodu veidi: bloku kodi un konvolucionālie kodi. Bloka koda kodētājs sadala informācijas secībuuziņojumu blokoskinformācijas biti (simboli) katrs un pārveido katru ziņojumuuneatkarīgi koda vārdā,n-bits (simboli)v. AttiecībaR = k/nsauc par koda ātrumu. Lieki biti (simboli),n-k, nodrošina kodu ar iespēju cīnīties pret kanāla troksni.
Svarīgs bloka koda parametrs ir minimālais attālums,dmin, tas ir attālums starp diviem tuvākajiem koda vārdiem, kas apzīmē minimālo datu izmaiņu skaitu, kas nepieciešams, lai mainītu vienu derīgu koda vārdu citā. Šis parametrs nosaka koda kļūdu noteikšanas un labošanas iespējas. Parasti FEC kods spēj noteiktdmin-1 kļūdas katrā koda vārdā un labojiet līdz (dmin-1)/2 kļūdas katrā koda vārdā. Piemēram, Reed Solomon kods, RS (544, 514,t=15, m=10) ir blokkods ar 514 informācijas simboliem un 30 liekiem simboliem. Katram simbolam ir 10 biti. Tā minimālais attālums irdmin=31 tā, lai tas varētu labot līdz (dmin-1)/2=15 simbolu kļūdas katram koda vārdam.
To pieņem arī konvolūcijas koda kodētājs k-informācijas secības bitu blokiuun rada kodētu secībuvnon-simbolu bloki. Tomēr katrs kodētais bloks ir atkarīgs ne tikai no atbilstošāk-bitu ziņojumu bloks tajā pašā laika vienībā, bet arī ieslēgtsmiepriekšējo ziņojumu bloki. Papildus liekajiem bitiem,n-k, tiek pievienota lielāka dublēšana, palielinot atmiņas secībumkodu, lai nodrošinātu uzticamu pārraidi trokšņainā kanālā.
Pamatojoties uz Šenonas teoriju [1], jo garāks koda vārds ir, jo jaudīgākas kļūdu labošanas iespējas tas nodrošina. Tomēr kodēšanas sarežģītība palielinās arī līdz ar koda vārda garumu. Lai panāktu labāku kompromisu starp sarežģītību un kodēšanas veiktspēju, ir daži paņēmieni garu jaudīgu kodu konstruēšanai no īsiem komponentu kodiem, piemēram, produktu kodiem, savienotiem kodiem un savstarpēji savienotiem kodiem.
2. attēlā parādīts divdimensiju produkta kods, ko veido divi kodi C1(n1, k1) un C2(n2, k2) ar minimālo attālumudmin1undmin2, attiecīgi. Katra produkta koda rinda C1 x C2ir koda vārds valodā C1un katra kolonna ir koda vārds valodā C2. Produkta kods spēj labot jebkuru kombināciju (dmin1dmin2-1)/2 kļūdas.
3. attēlā parādīts viena līmeņa sasaistīts kods ar ārējo kodu C1(n1, k1) ar minimālo attālumudmin1un iekšējais kods C2(n2, k2) ar minimālo attālumudmin2. Minimālais attālums to savienošanai ir vismazdmin1dmin2.
4. attēlā parādīta interleaved koda pārraide. Ja ir dots (n,k) bloka kods C, ir iespējams izveidot (λn, λk) bloka kodu, interleading, tas ir, vienkārši sakārtojot λ koda vārdus C rindās taisnstūra masīva λ rindās un pēc tam pārsūtot masīva kolonnu, izmantojot kolonna. Pat ja minimālais interleaved koda attālums joprojām irdminkā individuāls kods C, tas var sadalīt garās sērijas kļūdas λ dažādos koda vārdos.
Akadēmiķi ir izgudrojuši progresīvākus FEC kodus, piemēram, turbo kodus un zema blīvuma paritātes pārbaudes (LDPC) kodus, un pēdējo desmitgažu laikā tos ir pieņēmusi nozare, lai tuvotos Šenonas robežai (vai kanāla jaudai). Tomēr to lielisko veiktspējas pieaugumu parasti maksā liela kodēšanas/dekodēšanas sarežģītība un latentums.
Izvēloties atbilstošu FEC kodu un kodēšanas shēmu konkrētai sakaru sistēmai, jāņem vērā četri būtiski faktori. Lai saglabātu augstu caurlaidspēju vai izvairītos no būtiskas saites ātruma palielināšanaskodu likmejābūt augstam. Lai kompensētu kanāla zudumu vai atslābinātu signāla un trokšņa attiecības (SNR) vai bitu kļūdu līmeņa (BER) prasības uztvērēja lēmumu sadalītājos,kodēšanas pieaugumsir vēlams. Tomēr FEC trūkumi irkodēšanas latentumsunkodēšanas sarežģītībakas palielinās pārraides laiku un sistēmas jaudu/izmaksas.
FEC lietojumprogrammas seriālo saišu sistēmām
FEC tehnoloģijas ainava vadu līniju sakaru sistēmām ir parādīta 5. attēlā un ietver gan elektriskās, gan optiskās saites. Attiecībā uz elektriskajām saitēm nozare nesen iekļāva signalizācijas formāta atjauninājumus no divu līmeņu signalizācijas formāta (NRZ) uz četru līmeņu signalizācijas formātu (PAM4), pārejot no 25 Gb/s uz 50 Gb/s saites datu pārraides ātrumiem.
Viens no galvenajiem PAM4 SerDes dizaina izaicinājumiem ir PAM4 noteikšanas sods pār NRZ, aptuveni 9,54 dB vai pat lielāks, ja ņem vērā horizontālās robežas degradāciju daudzlīmeņu signālu krustošanās dēļ. Tāpēc FEC kļūst par svarīgu PAM4 sistēmas risinājuma daļu, lai kompensētu šo noteikšanas sodu. RS (544, 514, 15) FEC, kas pazīstams arī kā KP4 FEC, ir plaši izmantots PAM{10}} saitēs. Tas nodrošina 200/400G Ethernet sistēmas ar līdz pat 7dB kodēšanas pastiprinājumu, vienlaikus pievienojot latentuma sodu simtiem nanosekunžu (ns) kā izmaksas. Liela pastiprinājuma FEC kodi, piemēram, zema blīvuma paritātes pārbaudes (LDPC) kodi un Turbo produktu kodi (TPC), parasti tiek apsvērti tālsatiksmes optiskās pārraides sistēmās ar lielāku kodēšanas latentuma un sarežģītības izmaksām. Zema latentuma lietojumprogrammām var izmantot īsus vienkāršus bloku kodus ar mērenu kodēšanas pastiprinājumu un sarežģītību.
