Hvað er FEC og hvernig nota ég það?

Hvað er FEC og hvernig nota ég það?

Í samskiptakerfum, upplýsingafræði og kóðunarkenningum er framvilluleiðrétting (FEC) tækni sem notuð er til að stjórna villum í gagnaflutningi yfir óáreiðanlegar eða hávaðasamar samskiptaleiðir. FEC á upphaf sitt að þakka brautryðjendastarfi Claude Shannon árið 1948 á áreiðanlegum samskiptum yfir hávaðasamar sendingarrásir. Meginþema Shannon var að ef merkjahraði kerfisins er minni en rásargetan er hægt að ná áreiðanlegum samskiptum ef menn velja rétta kóðun og umskráningartækni.

Mynd 1 sýnir einfaldað líkan af kóðuðu kerfi. Óunnin sendingargögn eru sýnd sem skilaboðaröðu. FEC kóðarinn umbreytir skilaboðunumuí kóðaorðv með því að bæta við óþarfi gögnum, áður en farið er inn á óáreiðanlega eða hávaðasama rásina. Auka offramboðið gerir móttakara afkóðaranum kleift að greina takmarkaðan fjölda villna sem geta komið fram í skilaboðunum og oft að leiðrétta þessar villur án endursendingar, með það að markmiði að upprunalega skilaboðaröðinuer endurheimt með góðum árangri við úttak afkóðarans.

Tegundir FEC kóða

Tvær mismunandi gerðir kóða eru í almennri notkun í dag: blokkkóðar og snúningskóðar. Kóðari fyrir blokkkóða skiptir upplýsingaröðinniuí skilaboðablokkir afkupplýsingabitar (tákn) hver og umbreytir hverri skilaboðumusjálfstætt í kóðaorð,n-bita (tákn)v. HlutfalliðR = k/ner kallað kóðahraði. Óþarfi bitar (tákn),n-k, gefðu kóðanum getu til að berjast gegn hávaða rásarinnar.

Mikilvæg færibreyta blokkkóða er lágmarksfjarlægð,d_mín, þetta er fjarlægðin milli tveggja næst kóðaorða, sem táknar lágmarksfjölda gagnabreytinga sem þarf til að breyta einu gildu kóðaorði í annað. Þessi færibreyta ákvarðar villugreiningar- og leiðréttingargetu kóðans. Venjulega er FEC kóða fær um að greinad_mín-1 villur fyrir hvert kóðaorð og leiðrétta allt að (d_mín-1)/2 villur í hverju kóðaorði. Til dæmis, Reed Solomon kóða, RS (544, 514,t=15, m=10), er blokkkóði með 514 upplýsingatáknum og 30 óþarfi táknum. Hvert tákn hefur 10 bita. Lágmarksfjarlægð hennar erd_mín=31 þannig að það getur leiðrétt allt að (d_mín-1)/2=15 táknvillur fyrir hvert kóðaorð.

Kóðari fyrir snúningskóða samþykkir einnig k-bita blokkir upplýsingaröðarinnaruog framleiðir kóðaða röðvafn-táknkubbar. Hins vegar fer hver kóðuð blokk ekki aðeins eftir samsvarandik-bita skilaboðablokk á sama tímaeiningu en einnig ámfyrri skilaboðablokkir. Fyrir utan óþarfa bita,n-k, meiri offramboð er bætt við með því að auka minnisröðinamkóðans til að ná áreiðanlegri sendingu yfir hávaðasama rás.

Byggt á Shannon kenningu [1], því lengur sem kóðaorðið er því öflugri villuleiðréttingargetu veitir það. Hins vegar eykst flækjustigið líka með lengd kóðaorðsins. Til að ná betri uppgjöri á milli flækjustigs og frammistöðu kóðunar eru nokkrar aðferðir til að búa til langa öfluga kóða úr stuttum íhlutakóðum, svo sem vörukóða, samkeyrða kóða og flætta kóða.

Mynd 2 sýnir tvívíddar vörukóða sem myndast af tveimur kóða C₁(n1, k1) og C₂(n2, k2) með lágmarksfjarlægðd_mín1ogd_{mín 2}, í sömu röð. Hver röð vörukóðans C₁ x C₂er kóðaorð í C₁og hver dálkur er kóðaorð í C₂. Vörukóðinn er fær um að leiðrétta hvaða samsetningu sem er af (d_mín1d_{mín 2}-1)/2 villur.

Mynd 3 sýnir eins stigs samtengdan kóða með ytri kóða C₁(n1, k1) með lágmarksfjarlægðd_mín1og innri kóða C₂(n2, k2) með lágmarksfjarlægðd_{mín 2}. Lágmarksfjarlægð samtengingar þeirra er amkd_mín1d_{mín 2}.

Mynd 4 sýnir sendingu á fléttuðum kóða. Að gefnu (n,k) blokkkóða C er hægt að smíða (λn, λk) blokkkóða með því að fletta saman, það er einfaldlega með því að raða λ kóðaorðum í C í λ raðir í rétthyrndum fylki og senda síðan fylkisdálkinn með því að dálki. Jafnvel þó að lágmarksfjarlægð milliflétta kóðans sé ennd_mínsem einstakur kóði C, getur það skipt langvarandi villunum í λ mismunandi kóðaorð.

Fullkomnari FEC kóðar, eins og túrbókóðar og LDPC-kóðar (low-density parity-check) hafa verið fundnir upp af fræðimönnum og samþykktir af iðnaði á síðustu áratugum til að nálgast Shannon takmörk (eða rásargetu). Hins vegar er framúrskarandi frammistöðuhagnaður þeirra venjulega greiddur af mikilli kóðun/afkóðun margbreytileika og leynd.

Það eru fjórir mikilvægir þættir sem þarf að hafa í huga þegar þú velur réttan FEC kóða og kóðunarkerfi fyrir tiltekið samskiptakerfi. Til að viðhalda mikilli afköstum eða forðast verulega að auka tengihlutfalliðkóða hlutfallþarf að vera hátt. Til að bæta upp rásatap eða slaka á merki til hávaða hlutfalls (SNR) eða bita villuhraða (BER) kröfur á ákvörðunarsneiðara í móttakara er mikilkóðun hagnaðurer æskilegt. Hins vegar eru gallar FECkóðunarleyndogkóðun flókiðsem mun auka flutningstíma og kerfisafl/kostnað.

FEC Umsóknir til Serial Link Systems

Landslag FEC tækni fyrir þráðlínusamskiptakerfi er sýnt á mynd 5 og inniheldur bæði raf- og sjóntengla. Fyrir rafmagnstengla tók iðnaðurinn nýlega upp uppfærslur á merkjasniði frá tveggja þrepa merkjasniði (NRZ) í fjögurra þrepa merkjasnið (PAM4) við umskipti frá 25 Gb/s í 50 Gb/s tengigagnahraða.

Ein helsta hönnunaráskorun PAM4 SerDes er greiningarvíti PAM4 yfir NRZ, um 9,54 dB eða jafnvel stærri ef miðað er við lárétta jaðarrýrnun vegna fjölþrepa merkjaskipta. Þess vegna verður FEC mikilvægur hluti af PAM4 kerfislausninni til að vega upp á móti þessari uppgötvunarsekt. RS (544, 514, 15) FEC, einnig þekkt sem KP4 FEC, hefur verið notað víða í PAM-4 tenglum. Það veitir 200/400G Ethernet kerfi með allt að 7dB kóðunaraukningu, en bætir við biðtímasekt upp á hundruð nanósekúndna (ns) sem kostnað. Hágróða FEC-kóðar eins og LDPC-kóðar (low density parity check) og Turbo-vörukóðar (TPC) eru venjulega teknir til greina fyrir sjónflutningskerfi á langri fjarlægð með kostnaði við stærri kóðunarleynd og flókið. Fyrir forrit með litla leynd væri hægt að nota stutta einfalda blokkakóða með hóflegan kóðunarávinning og flókið.