Apakah FEC, dan Bagaimana Saya Menggunakannya?

Apakah FEC, dan Bagaimana Saya Menggunakannya?

Dalam sistem komunikasi, teori maklumat dan teori pengekodan, pembetulan ralat ke hadapan (FEC) ialah teknik yang digunakan untuk mengawal ralat dalam penghantaran data melalui saluran komunikasi yang tidak boleh dipercayai atau bising. FEC berhutang permulaannya kepada kerja perintis Claude Shannon pada tahun 1948 mengenai komunikasi yang boleh dipercayai melalui saluran penghantaran yang bising. Tema utama Shannon ialah jika kadar isyarat sistem kurang daripada kapasiti saluran, komunikasi yang boleh dipercayai boleh dicapai jika seseorang memilih teknik pengekodan dan penyahkodan yang betul.

Rajah 1 menunjukkan model ringkas bagi sistem berkod. Data penghantaran mentah diwakili sebagai urutan meseju. Pengekod FEC mengubah mesejumenjadi kata kodv dengan menambah data berlebihan, sebelum memasuki saluran yang tidak boleh dipercayai atau bising. Lebihan tambahan membolehkan penyahkod penerima mengesan bilangan ralat terhad yang mungkin berlaku dalam mesej, dan selalunya untuk membetulkan ralat ini tanpa penghantaran semula, dengan matlamat agar urutan mesej asaluberjaya dipulihkan pada output penyahkod.

Jenis kod FEC

Dua jenis kod yang berbeza dari segi struktur adalah biasa digunakan hari ini: kod blok dan kod konvolusi. Pengekod untuk kod blok membahagikan urutan maklumatuke dalam blok mesej daripadakbit maklumat (simbol) setiap satu dan mengubah setiap mesejusecara bebas menjadi kata kod,n-bit (simbol)v. NisbahR = k/ndipanggil kadar kod. Bit berlebihan (simbol),n-k, sediakan kod dengan keupayaan untuk memerangi bunyi saluran.

Parameter penting bagi kod blok ialah jarak minimum,d_min, ini ialah jarak antara dua kata kod yang paling hampir, yang mewakili bilangan minimum perubahan data yang diperlukan untuk mengubah satu kata kod yang sah kepada yang lain. Parameter ini menentukan keupayaan mengesan dan membetulkan ralat kod. Biasanya kod FEC dapat mengesand_min-1 ralat setiap kata kod dan betulkan sehingga (d_min-1)/2 ralat setiap kata kod. Contohnya, kod Reed Solomon, RS (544, 514,t=15, m=10), ialah kod blok dengan 514 simbol maklumat dan 30 simbol berlebihan. Setiap simbol mempunyai 10 bit. Jarak minimumnya ialahd_min=31 supaya ia boleh membetulkan sehingga (d_min-1)/2=15 ralat simbol bagi setiap kata kod.

Pengekod untuk kod konvolusi juga menerima k-blok bit urutan maklumatudan menghasilkan urutan yang dikodkanvdaripadan-blok simbol. Walau bagaimanapun, setiap blok yang dikodkan bergantung bukan sahaja pada yang sepadank-blok mesej bit pada unit masa yang sama tetapi juga hidupmblok mesej sebelumnya. Selain bit berlebihan,n-k, lebih banyak redundansi ditambah dengan meningkatkan susunan memorimkod untuk mencapai penghantaran yang boleh dipercayai melalui saluran yang bising.

Berdasarkan teori Shannon [1], lebih panjang kata kod adalah lebih kuat keupayaan pembetulan ralat yang disediakannya. Walau bagaimanapun, kerumitan pengekodan meningkat dengan panjang kata kod juga. Untuk mencapai pertukaran yang lebih baik antara kerumitan dan prestasi pengekodan, terdapat beberapa teknik untuk membina kod berkuasa panjang daripada kod komponen pendek, seperti kod produk, kod bercantum dan kod berjalin.

Rajah 2 menunjukkan kod produk dua dimensi yang dibentuk oleh dua kod C₁(n1, k1) dan C₂(n2, k2) dengan jarak minimumd_min1dand_min2, masing-masing. Setiap baris kod produk C₁ x C₂ialah kata kod dalam C₁dan setiap lajur ialah kata kod dalam C₂. Kod produk mampu membetulkan sebarang kombinasi (d_min1d_min2-1)/2 ralat.

Rajah 3 menunjukkan kod bercantum satu peringkat dengan kod luar C₁(n1, k1) dengan jarak minimumd_min1dan kod dalaman C₂(n2, k2) dengan jarak minimumd_min2. Jarak minimum penggabungan mereka adalah sekurang-kurangnyad_min1d_min2.

Rajah 4 menunjukkan penghantaran kod berjalin. Memandangkan kod blok (n,k) C, adalah mungkin untuk membina kod blok (λn, λk) dengan menyilang, iaitu hanya dengan menyusun kata kod λ dalam C ke dalam baris λ tatasusunan segi empat tepat dan kemudian menghantar lajur tatasusunan dengan kolum. Walaupun jarak minimum kod bersilang masihd_minsebagai kod individu C, ia boleh memecahkan ralat pecah panjang kepada λ kata kod yang berbeza.

Kod FEC yang lebih maju, seperti kod turbo dan kod semakan pariti berketumpatan rendah (LDPC), telah dicipta oleh ahli akademik dan diterima pakai oleh industri dalam beberapa dekad yang lalu untuk mendekati had Shannon (atau kapasiti saluran) . Walau bagaimanapun, peningkatan prestasi cemerlang mereka biasanya dibayar oleh kerumitan pengekodan/penyahkodan yang besar dan kependaman.

Terdapat empat faktor kritikal yang perlu dipertimbangkan semasa memilih kod FEC dan skema pengekodan yang betul untuk sistem komunikasi tertentu. Untuk mengekalkan daya pengeluaran yang tinggi atau mengelakkan peningkatan kadar pautan dengan ketarakadar kodperlu tinggi. Untuk mengimbangi kehilangan saluran atau melonggarkan keperluan nisbah isyarat kepada hingar (SNR) atau kadar ralat bit (BER) pada pemotong keputusan dalam penerima yang besar.keuntungan pengekodanadalah wajar. Walau bagaimanapun kelemahan FEC adalahkependaman pengekodandankerumitan pengekodanyang akan meningkatkan masa penghantaran dan kuasa/kos sistem.

Aplikasi FEC kepada Sistem Pautan Bersiri

Landskap teknologi FEC untuk sistem komunikasi talian wayar ditunjukkan dalam Rajah 5 dan termasuk kedua-dua pautan elektrik dan optik. Untuk pautan elektrik, industri baru-baru ini telah memasukkan kemas kini format isyarat daripada format isyarat dua peringkat (NRZ) kepada format isyarat empat peringkat (PAM4) semasa peralihan daripada kadar data pautan 25 Gb/s kepada 50 Gb/s.

Salah satu cabaran reka bentuk utama PAM4 SerDes ialah penalti pengesanan PAM4 ke atas NRZ, kira-kira 9.54 dB atau lebih besar jika mempertimbangkan kemerosotan margin mendatar akibat lintasan isyarat berbilang peringkat. Oleh itu, FEC menjadi bahagian penting dalam penyelesaian sistem PAM4 untuk mengimbangi penalti pengesanan ini. RS (544, 514, 15) FEC, juga dikenali sebagai KP4 FEC, telah diterima pakai secara meluas dalam pautan{10}} PAM. Ia menyediakan sistem Ethernet 200/400G dengan keuntungan pengekodan sehingga 7dB, sambil menambah penalti kependaman ratusan nano-saat (ns) sebagai kos. Kod FEC keuntungan tinggi seperti kod semakan pariti ketumpatan rendah (LDPC) dan kod produk Turbo (TPC) biasanya dipertimbangkan untuk sistem penghantaran optik jarak jauh dengan kos kependaman dan kerumitan pengekodan yang lebih besar. Untuk aplikasi kependaman rendah, kod blok ringkas pendek dengan keuntungan pengekodan sederhana dan kerumitan boleh digunakan.