Τι είναι η κωδικοποίηση καναλιών;

Η κωδικοποίηση καναλιών είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται στις ψηφιακές επικοινωνίες για να διασφαλιστεί ότι η μετάδοση λαμβάνεται με ελάχιστα ή καθόλου σφάλματα.Οι διάφορες μεθόδους κωδικοποίησης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτυγχάνονται με τη διασύνδεση πρόσθετων δυαδικών ψηφίων στη μετάδοση.Όταν αποκωδικοποιείται στο τέλος λήψης, η μετάδοση μπορεί να ελεγχθεί για σφάλματα που μπορεί να έχουν συμβεί και, σε πολλές περιπτώσεις, να επισκευαστούν.Άλλες φορές, ο παραλήπτης απλώς ζητά ξανά τη μετάδοση.

Η ιδέα πίσω από την κωδικοποίηση του καναλιού αναπτύχθηκε λόγω της αναπόφευκτης ύπαρξης σφαλμάτων σε οποιοδήποτε δεδομένο τύπο διαύλου επικοινωνίας.Τα ραδιοκύματα, τα ηλεκτρικά σήματα και ακόμη και τα ελαφρά κύματα πάνω από τα κανάλια οπτικών ινών θα έχουν κάποια ποσότητα θορύβου στο μέσο, καθώς και την υποβάθμιση του σήματος που εμφανίζεται σε κάποια απόσταση.Όντας ένα τόσο κοινό πρόβλημα στις επικοινωνίες, πολλές θεωρίες για το πώς να το αντιμετωπίσουμε έχουν αναπτυχθεί κάτω από κλάδους των εφαρμοσμένων μαθηματικών, όπως η θεωρία των πληροφοριών και η θεωρία κωδικοποίησης.

Μια μέθοδος που χρησιμοποιείται συνήθως ονομάζεται αυτόματη αίτημα επανάληψης (ARQ), το οποίο απλώς περιλαμβάνει τον παραλήπτη που ελέγχει τη μετάδοση για σφάλματα και ζητά την αναμετάδοση εάν συμβεί.Αυτό μερικές φορές αναφέρεται ως διόρθωση σφάλματος προς τα πίσω.Η κωδικοποίηση καναλιών, από την άλλη πλευρά, είναι μια τεχνική διόρθωσης σφαλμάτων προς τα εμπρός (FEC).Ο αποστολέας προετοιμάζει τα bits για μετάδοση χρησιμοποιώντας έναν ειδικό αλγόριθμο γνωστός ως κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων, ο οποίος στη συνέχεια αποκωδικοποιείται στο τέλος λήψης.Και οι δύο μέθοδοι χρησιμοποιούνται επίσης συχνά με υβριδικό τρόπο, επιτρέποντας την επισκευή μικρών σφαλμάτων στη μετάδοση με έναν κωδικό καναλιού, με σημαντικά σφάλματα που απαιτούν πλήρη αναμετάδοση.

Η πρώτη τεχνική κωδικοποίησης καναλιών δημιουργήθηκε από έναν μαθηματικό που ονομάζεται Richard Hamming,Ποιος ανέπτυξε αυτό που είναι γνωστό ως κώδικας Hamming.Αυτός ήταν ο πρώτος κωδικός διόρθωσης σφάλματος προς τα εμπρός, ο οποίος συνεπάγεται τη συμπερίληψη πρόσθετων δυαδικών ψηφίων στη μετάδοση που ονομάζονται κομμάτια ισοτιμίας.Ένας έξυπνος υπολογισμός των κομματιών ισοτιμίας στο άκρο λήψης της μετάδοσης θα αποκαλύψει εάν έχουν συμβεί σφάλματα στη μετάδοση, όπου βρίσκονται στη σειρά των δυαδικών ψηφίων και πώς να τα επιδιορθώσουν για να ανακτήσουν την αρχική μετάδοση.

Ο κώδικας Hamming εμπίπτει στην οικογένεια μεθόδων κωδικοποίησης καναλιών που αναφέρονται ως κωδικοί μπλοκ, των οποίων πολλοί έχουν αναπτυχθεί με την πάροδο των ετών.Οι κωδικοί μπλοκ συνήθως περιλαμβάνουν τα κομμάτια που συλλέγονται σε μπλοκ σταθερών μήκους, τα οποία στη συνέχεια αναφέρονται ως λέξεις κώδικα.Κάθε λέξη κώδικα δίνεται τα κατάλληλα bits ελέγχου για αποκωδικοποίηση από τον παραλήπτη.Οι μέθοδοι κώδικα μπλοκ τείνουν να αυξάνουν το μέγεθος της μετάδοσης λόγω των προστιθέμενων δυαδικών ψηφίων στη λέξη κώδικα, η οποία μπορεί να έχει επίδραση στο εύρος ζώνης των καναλιών.Αυτές οι μέθοδοι είναι πολύ ταχύτερες και μπορούν να κωδικοποιήσουν ένα ρεύμα bit οποιουδήποτε μήκους.Ένας συνήθως χρησιμοποιούμενος κώδικας αυτού του τύπου ονομάζεται κώδικας Viterbi, που δημιουργήθηκε από τον Ιταλό μαθηματικό Andrew Viterbi.Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι καθώς αυξάνεται το μήκος του συνελικτικού κώδικα, το ίδιο συμβαίνει και με την πολυπλοκότητά του κατά την αποκωδικοποίηση.Σε πολλές περιπτώσεις, οι συνελικτικοί κώδικες χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με κωδικούς μπλοκ σε ό, τι είναι γνωστό ως κωδικοποιημένοι κωδικοί διόρθωσης σφάλματος.