Πώς γίνεται η κωδικοποίηση και η αποκωδικοποίηση σε ασύρματο;

Η κωδικοποίηση και η αποκωδικοποίηση στην ασύρματη επικοινωνία είναι ζωτικής σημασίας για την αξιόπιστη μετάδοση πληροφοριών σε ένα θορυβώδες και συχνά απρόβλεπτο κανάλι. Περιλαμβάνουν τη μετατροπή των δεδομένων σε μια κατάλληλη μορφή για μετάδοση και στη συνέχεια αντιστρέφοντας αυτή τη διαδικασία στον δέκτη. Ακολουθεί μια ανάλυση της διαδικασίας, εστιάζοντας στις βασικές πτυχές:

1. Κωδικοποίηση πηγής:

* συμπίεση δεδομένων: Αυτό το βήμα μειώνει το μέγεθος των δεδομένων που πρόκειται να μεταδοθούν, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα και τη χρήση του εύρους ζώνης. Οι κοινές τεχνικές περιλαμβάνουν κωδικοποίηση Huffman, κωδικοποίηση μήκους λειτουργίας και πιο εξελιγμένες μεθόδους όπως το JPEG και το MPEG για εικόνες και βίντεο. Ο στόχος είναι να αντιπροσωπεύουν τις πληροφορίες χρησιμοποιώντας λιγότερα bits ενώ ελαχιστοποιούν την απώλεια πληροφοριών.

* Μορφοποίηση δεδομένων: Αυτό προετοιμάζει τα συμπιεσμένα δεδομένα για κωδικοποίηση καναλιών. Μπορεί να περιλαμβάνει τη δομή των δεδομένων σε πακέτα ή πλαίσια με κεφαλίδες που περιέχουν πληροφορίες διευθύνσεων και ελέγχου.

2. Κωδικοποίηση καναλιών:

Αυτός είναι ο πυρήνας της διόρθωσης σφαλμάτων και της προστασίας στην ασύρματη επικοινωνία. Προσθέτει πλεονασμό στα δεδομένα για να επιτρέψει την ανίχνευση και τη διόρθωση των σφαλμάτων που εισάγονται κατά τη διάρκεια της μετάδοσης. Οι κοινές τεχνικές περιλαμβάνουν:

* Διόρθωση σφάλματος προς τα εμπρός (FEC): Προσθέτει επιπλέον bits στη ροή δεδομένων που επιτρέπουν στον δέκτη να ανιχνεύει και να διορθώνει σφάλματα χωρίς να απαιτεί αναμετάδοση. Οι δημοφιλείς κωδικοί FEC περιλαμβάνουν:

* Συνεχρεμικοί κωδικοί: Χρησιμοποιήστε ένα συρόμενο παράθυρο για να δημιουργήσετε κομμάτια ισοτιμίας με βάση μια ακολουθία bits εισόδου.

* Turbo Codes: Ισχυροί κωδικοί που επιτυγχάνουν την απόδοση του ορίου-Shannon-Limit (η θεωρητική καλύτερη δυνατή απόδοση).

* Κωδικοί χαμηλής πυκνότητας ισοτιμίας (LDPC): Μια άλλη κατηγορία ισχυρών κωδικών που χρησιμοποιούνται συχνά σε σύγχρονα ασύρματα συστήματα.

* Κωδικοί Reed-Solomon: Αποτελεσματικό στη διόρθωση σφαλμάτων έκρηξης (πολλαπλά διαδοχικά κομμάτια που έχουν καταστραφεί).

* παρεμβολή: Αυτή η τεχνική απλώνει τα κωδικοποιημένα κομμάτια κατά το χρόνο ή τη συχνότητα. Εάν μια έκρηξη θορύβου καταστρέφει πολλαπλά διαδοχικά bits, η παρεμβολή εξασφαλίζει ότι είναι εξαπλωμένα στα λαμβανόμενα δεδομένα, διευκολύνοντας τον αποκωδικοποιητή FEC να τα διορθώσει.

3. Διαμόρφωση:

Αυτό το βήμα μετατρέπει τα κωδικοποιημένα ψηφιακά δεδομένα σε ένα αναλογικό σήμα κατάλληλο για μετάδοση μέσω του ασύρματου καναλιού. Υπάρχουν διαφορετικά συστήματα διαμόρφωσης, το καθένα με συμβιβασμούς μεταξύ του ρυθμού δεδομένων, της ευρωστίας προς τον θόρυβο και της απόδοσης ισχύος:

* Πλεονεκτήματα μετατόπισης πλάτους (ask): Αντιπροσωπεύει τα κομμάτια αλλάζοντας το πλάτος ενός κύματος φορέα.

* Πλεονεκτήματα μετατόπισης συχνότητας (FSK): Αντιπροσωπεύει τα bits αλλάζοντας τη συχνότητα ενός κύματος φορέα.

* Πλεονεκτήματα μετατόπισης φάσης (PSK): Αντιπροσωπεύει τα κομμάτια αλλάζοντας τη φάση ενός κύματος φορέα. Οι παραλλαγές της μετατόπισης φάσης Quadrature (QPSK) και οι παραλλαγές PSK υψηλότερης τάξης είναι κοινές.

* Διαμόρφωση εύρους τετραγωνισμού (QAM): Συνδυάζει τόσο το πλάτος όσο και τη μετατόπιση φάσης, επιτρέποντας υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων.

* Ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (OFDM): Διαχωρίζει το εύρος ζώνης μετάδοσης σε πολλούς ορθογώνιους υποβρύχους, καθένα από τα οποία φέρει ένα μέρος των δεδομένων. Αυτό είναι εξαιρετικά ανθεκτικό για την εξασθένιση πολλαπλών διαδρομών (σήματα που αντανακλούν τα αντικείμενα και φτάνουν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές). Χρησιμοποιείται ευρέως σε Wi-Fi, LTE και 5G.

4. Μετάδοση:

Το διαμορφωμένο σήμα στη συνέχεια μεταδίδεται μέσω του ασύρματου καναλιού χρησιμοποιώντας μια κεραία.

5. Υποδοχή:

Ο δέκτης παίρνει το μεταδιδόμενο σήμα, το οποίο πιθανόν υποβαθμίζεται από θόρυβο και παρεμβολές.

6. Αποδιαμόρφωση:

Αυτό το βήμα αναστρέφει τη διαδικασία διαμόρφωσης, μετατρέποντας το λαμβανόμενο αναλογικό σήμα πίσω σε μια ψηφιακή ροή δεδομένων.

7. Αποκάλυψη καναλιών:

Αυτό είναι το αντίστροφο της κωδικοποίησης καναλιών. Ο δέκτης χρησιμοποιεί τον κωδικό FEC για να ανιχνεύσει και να διορθώσει σφάλματα στη ληφθείσα ροή δεδομένων. Οι εκλεπτυσμένοι αλγόριθμοι χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των πιο πιθανών πρωτότυπων μεταδιδόμενων δυαδικών ψηφίων.

8. Αποκάλυψη πηγής:

Αυτό αντιστρέφει την κωδικοποίηση πηγής, ανακατασκευάζοντας τα αρχικά δεδομένα. Εάν χρησιμοποιήθηκε συμπίεση, αυτό το βήμα αποσυμπιέζει τα δεδομένα, αποκαθιστώντας τα στην αρχική του μορφή.

Συνοπτικά:

Η όλη διαδικασία περιλαμβάνει μια στρώση προσέγγιση, όπου κάθε στρώμα συμβάλλει στην αξιόπιστη και αποτελεσματική μετάδοση δεδομένων. Οι ειδικές τεχνικές κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης που χρησιμοποιούνται εξαρτώνται από την εφαρμογή, τα χαρακτηριστικά του ασύρματου καναλιού και το επιθυμητό επίπεδο απόδοσης. Τα σύγχρονα ασύρματα συστήματα συχνά χρησιμοποιούν πολύπλοκες συνδυασμούς αυτών των τεχνικών για την επίτευξη υψηλών ρυθμών δεδομένων και ευρωστίας σε προκλητικά περιβάλλοντα.