ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ

ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ИЗБЫТОЧНОСТИ

Коэффициент избыточности сообщения А определяется по формуле

r=(I_max-I)/I_max,

где I - количество информации в сообщении А; I_max — максимально возможное количество информации в сообщении той же длины, что и А.

Наличие избыточности позволяет ставить вопрос о сжатии информации без ее потери в передаваемых сообщениях.

Пример избыточности дают сообщения на естественных языках. Так, у русского языка r находится в пределах 0,3...0,5.

Избыточность могла бы быть использована и при передаче кодированных сообщений в технических системах. Например, каждый фрагмент текста («предложение») передается трижды, и верным считается та пара фрагментов, которая полностью совпала. Однако, большая избыточность приводит к боль­шим временным затратам при передаче информации и требует большого объема памяти при ее хранении.

7.1.2. КОНТРОЛИРУЕМАЯ ИЗБЫТОЧНОСТЬ – ОСНОВА

Впервые теоретическое исследование эффективного кодирования предпринял К.Шеннон. Клодом Шенноном была разработана специальная теория ко­дирования, дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части ин­формации при передаче может быть компенсирована. Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это при­ведёт к задержкам и подорожанию связи.

Любой канал связи обладает конечной пропускной способностью. Теоретически пропускная способность - это максимальное число переданных двоичных единиц (бит) в единицу времени при сколь угодно малой вероятности ошибок.

Кодирование с исправлением ошибок, по существу, представляет собой метод обработки сигналов, предназначенный для увеличения надежности передачи по цифровым каналам.

Реально получаемое число передаваемых бит в единицу времени называют скоростью передачи. Скорость пе­редачи информации – это информационный объем сообщения, передаваемого в единицу времени. Поэтому единицы измерения скорости информационного потока: бит/с, байт/с и др.

При неограниченно малой вероятности ошибок скорость передачи всегда меньше пропускной способности.

В канале с ошибками максимальное значение скорости получают путем использования помехоустойчивого кодирования. Последнее требует введения избыточности в передаваемый сигнал.

Если код согласован с каналом, т. е. код позволяет исправлять наиболее вероятные ошибки, введенная избыточность становится оправданной. Если код не согласован с каналом, ошибки могут быть не только не исправлены, но и размножены кодом. В этом случае применение помехоустойчивого кодирования принесет не пользу, а вред.

История кодирования, контролирующего ошибки, началась в 1948 г. публикацией знаменитой статьи Клода Шеннона. Шеннон показал, что при наличии помех в канале, используя коды, контролирующие ошибки, всегда можно найти такую систему кодирования, при которой сообщения будут переданы с заданной достоверностью. При наличии ограничения пропускная способность канала должна превышать производительность источника сообщений.

В самом деле, из шенноновской теории информации следует тот важный вывод, что построение слишком хороших каналов является расточительством; экономически выгоднее использовать кодирование. Фактически в работе Шеннона утверждается, что мощность сигнала, шум в канале и полоса частот ограничивают лишь скорость передачи, а не ее точность. Шеннон доказал, что, если для дискретного канала с помехами скорость создания сообщений меньше или равна пропускной способности канала, то существует код, обеспечивающий передачу со сколь угодно малой вероятностью ошибки на выходе. Таким образом Шеннон установил принципы помехоустойчивого кодирования. Однако, он не указал, как найти подходящие коды, а лишь доказал их существование.

В пятидесятые годы много усилий было потрачено на попытки построения в явном виде классов кодов, позволяющих получить обещанную сколь угодно малую вероятность ошибки, но результаты были скудными. В следующем десятилетии решению этой увлекательной задачи уделялось меньше внимания; вместо этого исследователи кодов предприняли длительную атаку по двум основным направлениям.

Первое направление носило чисто алгебраический характер и преимущественно рассматривало блоковые коды. Первые блоковые коды были введены в 1950 г., когда Хэмминг описал класс блоковых кодов, исправляющих одиночные ошибки. Коды Хэмминга были разочаровывающе слабы по сравнению с обещанными Шенноном гораздо более сильными кодами. Несмотря на усиленные исследования, до конца пятидесятых годов не было построено лучшего класса кодов. В течение этого периода без какой-либо общей теории были найдены многие коды с малой длиной блока. Основной сдвиг произошел, когда Боуз и Рой-Чоудхури [1960] и Хоквингем [1959] нашли большой класс кодов, исправляющих кратные ошибки (коды БЧХ), а Рид и Соломон [1960] нашли связанный с кодами БЧХ класс кодов для недвоичных каналов. Хотя эти коды остаются среди наиболее важных классов кодов, общая теория блоковых кодов, контролирующих ошибки, с тех пор успешно развивалась.

Второе направление исследований по кодированию носило скорее вероятностный характер. Ранние исследования были связаны с оценками вероятностей ошибки для лучших семейств блоковых кодов, несмотря на то, что эти лучшие коды не были известны. С этими исследованиями были связаны попытки понять кодирование и декодирование с вероятностной точки зрения, и эти попытки привели к появлению последовательного декодирования. В последовательном декодировании вводится класс неблоковых кодов бесконечной длины, которые можно описать деревом и декодировать с помощью алгоритмов поиска по дереву. Наиболее полезными древовидными кодами являются коды с тонкой структурой, известные под названием сверточных кодов. В конце 50-х годов для сверточных кодов были успешно разработаны алгоритмы последовательного декодирования.

В 70-х годах эти два направления исследований опять стали переплетаться. Теорией сверточных кодов занялись алгебраисты, представившие ее в новом свете. В теории блоковых кодов за это время удалось приблизиться к кодам, обещанным Шенноном: были предложены две различные схемы кодирования (одна Юстесеном, а другая Гоппой), позволяющие строить семейства кодов, которые одновременно могут иметь очень большую длину блока и очень хорошие характеристики. Обе схемы, однако, имеют практические ограничения. Между тем к началу 80-х годов кодеры и декодеры начали появляться в конструкциях цифровых систем связи и цифровых систем памяти.

Хотя различные схемы кодирования очень непохожи друг на друга и основаны на различных математических теориях, всем им присущи два общих свойства:

1. Использование избыточности. Закодированные цифровые сообщения всегда содержат дополнительные, или избыточные, символы. Эти символы используют для того, чтобы подчеркнуть индивидуальность каждого сообщения. Их всегда выбирают так, чтобы сделать маловероятной потерю сообщением его индивидуальности из-за искажения при воздействии помех достаточно большого числа символов.

2. Усреднение шума. Эффект усреднения достигается за счет того, что избыточные символы зависят от нескольких информационных символов.

Существует много хороших конструктивных методов кодирования, позволяющих исправлять кратные ошибки и приводящих к заметному уменьшению частоты появления ошибочных символов. Эти коды легко строятся и с помощью современных полупроводниковых устройств относительно просто декодируются. Например, существует блоковый код длиной 40, содержащий 50% избыточных символов и позволяющий исправлять четыре случайные ошибки. Если этого недостаточно, разработчик увеличивает избыточность, чтобы исправлять большее число ошибок, или переходит к кодам с большей длиной блока и получает выигрыш за счет большего усреднения. В каждом случае нужно принимать во внимание возникающие дополнительные затраты. Однако обе указанные возможности допустимы и могут представлять практически приемлемые альтернативы.