FEC Nedir ve Nasıl Kullanırım?

FEC Nedir ve Nasıl Kullanırım?

İletişim sistemlerinde, bilgi teorisinde ve kodlama teorisinde, ileri hata düzeltme (FEC), güvenilir olmayan veya gürültülü iletişim kanalları üzerinden veri iletimindeki hataları kontrol etmek için kullanılan bir tekniktir. FEC, başlangıcını Claude Shannon'ın 1948'de gürültülü iletim kanalları üzerinden güvenilir iletişim konusundaki öncü çalışmasına borçludur. Shannon'ın ana teması, sistemin sinyalleme hızı kanal kapasitesinden daha azsa, uygun kodlama ve kod çözme teknikleri seçildiğinde güvenilir iletişimin sağlanabileceğiydi.

Şekil 1, kodlanmış bir sistemin basitleştirilmiş bir modelini göstermektedir. Ham iletim verileri bir mesaj dizisi olarak temsil ediliru. FEC kodlayıcı mesajı dönüştürürubir kod kelimesinev güvenilmez veya gürültülü kanala girmeden önce fazla veri ekleyerek. Eklenen artıklık, alıcı kod çözücünün mesajda meydana gelebilecek sınırlı sayıda hatayı tespit etmesine ve orijinal mesaj dizisinin hedeflenen amacı ile bu hataları yeniden iletmeden düzeltmesine izin verir.ukod çözücünün çıkışında başarıyla kurtarılır.

FEC kodlarının türleri

Yapısal olarak farklı iki tür kod günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır: blok kodlar ve evrişimli kodlar. Bir blok kod için kodlayıcı, bilgi dizisini bölerumesaj bloklarınakbilgi bitleri (semboller) her biri ve her mesajı dönüştürürubağımsız olarak bir kod sözcüğüne,n-bit (semboller)v. OranR = k/nkod oranı denir. Fazla bitler (semboller),n-k, koda kanal gürültüsüyle mücadele etme yeteneği sağlayın.

Bir blok kodunun önemli bir parametresi minimum mesafedir,d_dk, bu, geçerli bir kod sözcüğünü diğerine değiştirmek için gereken minimum veri değişikliği sayısını temsil eden en yakın iki kod sözcüğü arasındaki mesafedir. Bu parametre, bir kodun hata algılama ve düzeltme yeteneklerini belirler. Normalde bir FEC kodu algılayabilird_dkKod kelimesi başına -1 hata ve (d_dkKod kelimesi başına -1)/2 hata. Örneğin, Reed Solomon kodu, RS (544, 514,t=15, m=10), 514 bilgi sembolü ve 30 yedek sembol içeren bir blok koddur. Her sembolün 10 biti vardır. Minimum mesafesid_dk=31, (d_dkKod kelimesi başına -1)/2=15 sembol hatası.

Bir evrişimli kod için kodlayıcı da kabul eder k-bilgi dizisinin bit bloklarıuve kodlanmış bir dizi üretirvnın-ninn-sembol blokları. Bununla birlikte, her bir kodlanmış blok sadece karşılık gelen bloklara bağlı değildir.k-bit mesaj bloğu aynı zamanda ünitede değil, aynı zamandamönceki mesaj blokları. Gereksiz bitlerin yanı sıra,n-k, bellek sırası artırılarak daha fazla artıklık eklenirmGürültülü bir kanal üzerinden güvenilir iletim elde etmek için kodun

Shannon teorisine [1] dayalı olarak, kod kelimesi ne kadar uzun olursa, sağladığı hata düzeltme yeteneği o kadar güçlü olur. Ancak, kodlama karmaşıklığı, kod sözcüğü uzunluğuyla da artar. Karmaşıklık ve kodlama performansı arasında daha iyi bir denge elde etmek için, ürün kodları, birleştirilmiş kodlar ve araya eklenmiş kodlar gibi kısa bileşen kodlarından uzun güçlü kodlar oluşturmaya yönelik birkaç teknik vardır.

Şekil 2, iki kod C tarafından oluşturulan iki boyutlu bir ürün kodunu göstermektedir.₁(n1, k1) ve C₂(n2, k2) minimum mesafe iled_min1ved_min2, sırasıyla. Ürün kodunun her satırı C₁ x C₂C'de bir kod sözcüğüdür₁ve her sütun C'de bir kod sözcüğüdür₂. Ürün kodu, (d_min1d_min2-1)/2 hata.

Şekil 3, bir dış kod C ile tek seviyeli birleştirilmiş kodu göstermektedir.₁(n1, k1) minimum mesafe iled_min1ve bir iç kod C₂(n2, k2) minimum mesafe iled_min2. Birleştirmelerinin minimum mesafesi en azd_min1d_min2.

Şekil 4, serpiştirilmiş bir kodun iletimini göstermektedir. Bir (n,k) C blok kodu verildiğinde, bir (λn, λk) blok kodu oluşturmak mümkündür, yani basitçe C'deki λ kod sözcüklerini bir dikdörtgen dizinin λ satırlarına düzenleyerek ve ardından dizi sütununu aşağıdaki şekilde ileterek mümkündür. kolon. Araya eklenen kodun minimum mesafesi halad_dkbireysel kod C olarak, uzun çoğuşma hatalarını λ farklı kod sözcüklerine bölebilir.

Turbo kodları ve düşük yoğunluklu eşlik kontrolü (LDPC) kodları gibi daha gelişmiş FEC kodları, akademisyenler tarafından icat edildi ve Shannon limitine (veya kanal kapasitesine) yaklaşmak için son birkaç on yılda endüstri tarafından benimsendi. Ancak, mükemmel performans kazanımları normalde büyük kodlama/kod çözme karmaşıklığı ve gecikme süresi ile ödenir.

Belirli bir iletişim sistemi için uygun bir FEC kodu ve kodlama şeması seçerken dikkate alınması gereken dört kritik faktör vardır. Yüksek verimi korumak veya bağlantı oranını önemli ölçüde artırmaktan kaçınmak içinkod oranıyüksek olması gerekiyor. Alıcıdaki karar dilimleyicilerde kanal kaybını telafi etmek veya sinyal-gürültü oranı (SNR) veya bit hata oranı (BER) gereksinimlerini gevşetmek için büyük birkodlama kazancıArzu edilir. Bununla birlikte, FEC'nin dezavantajları,kodlama gecikmesivekodlama karmaşıklığıbu, iletim süresini ve sistem gücünü/maliyetini artıracaktır.

Seri Bağlantı Sistemlerine FEC Uygulamaları

Kablolu iletişim sistemleri için FEC teknolojisinin genel görünümü Şekil 5'te gösterilmektedir ve hem elektriksel hem de optik bağlantıları içerir. Elektrik bağlantıları için, endüstri yakın zamanda 25 Gb/s'den 50 Gb/s bağlantı veri hızlarına geçiş sırasında iki seviyeli sinyalleşme formatından (NRZ) dört seviyeli sinyalleşme formatına (PAM4) sinyalleşme formatı güncellemelerini dahil etti.

PAM4 SerDes'in en büyük tasarım zorluklarından biri, çok seviyeli sinyal geçişlerinden kaynaklanan yatay marj bozulması düşünüldüğünde, NRZ üzerinden PAM4'ün yaklaşık 9,54 dB veya daha fazla tespit cezasıdır. Bu nedenle, FEC, bu algılama cezasını dengelemek için PAM4 sistem çözümünün önemli bir parçası haline gelir. KP4 FEC olarak da bilinen RS (544, 514, 15) FEC, PAM-4 bağlantılarında yaygın olarak benimsenmiştir. 200/400G Ethernet sistemlerine 7dB'ye kadar kodlama kazancı sağlarken, maliyet olarak yüzlerce nano saniye (ns) gecikme cezası ekler. Düşük yoğunluklu eşlik denetimi (LDPC) kodları ve Turbo ürün kodları (TPC) gibi yüksek kazançlı FEC kodları, normalde daha büyük kodlama gecikmesi ve karmaşıklığı maliyeti olan uzun mesafeli optik iletim sistemleri için düşünülür. Düşük gecikmeli uygulamalar için, orta düzeyde kodlama kazancı ve karmaşıklığı olan kısa basit blok kodlar kullanılabilir.