而在互聯(lián)網(wǎng)可靠通信領(lǐng)域，一般用向前糾錯，以更高的帶寬占用，降低重發(fā)包的概率，使不良網(wǎng)絡(luò)的整體延遲降低。今天我們將解釋FEC前向糾錯技術(shù)。
FEC (Forward ErrOr Correction， 前向糾錯）是一種增加數(shù)據(jù)通信可信度的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)園、無線通信、衛(wèi)星通信等多種數(shù)據(jù)傳輸場景中。FEC前向糾錯碼和信道編碼是在傳輸信道可靠性不高、強(qiáng)噪聲干擾信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，用來控制接收數(shù)據(jù)包誤碼率（丟包、亂碼）的一項技術(shù)。
我們的世界充滿了噪聲，噪聲影響一切，包括數(shù)據(jù)傳輸和通信系統(tǒng)，無法擺脫。光通信系統(tǒng)的接收器直接受到噪聲的影響，這使得理解接收到的信息變得更加困難。從技術(shù)上講，當(dāng)波通過光纖傳輸時，噪聲會對光強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而在長距離傳輸時，光色散會在信號中產(chǎn)生明顯的缺陷。每當(dāng)有噪聲或光色散失真的影響時，光脈沖就會退化并失去其作為0或1的意義，接收器將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)接收器這樣做時噪聲太大，它會錯誤地解釋數(shù)據(jù)，將0讀為1或?qū)?讀為0。
FEC前向糾錯在這一點上發(fā)揮作用，因為它減少了噪聲對光傳輸系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響。通過在傳輸之前將開銷信息添加到比特流中，該方法能夠檢測和糾正比特流中可能存在的部分錯誤。數(shù)據(jù)塊受專門函數(shù)的約束，這些函數(shù)的輸出是奇偶校驗位的生成。開銷由冗余位組成，其中還包含奇偶校驗位。之后，將初始數(shù)據(jù)塊和這些新數(shù)據(jù)拼接在一起，產(chǎn)生FEC碼字。之后，這個FEC碼字沿著傳輸線發(fā)送。
需要在接收端的設(shè)備上配置相同的FEC模式，以便接收端的FEC解碼器機(jī)制知道對FEC碼字應(yīng)用什么樣的FEC功能。這允許接收器FEC解碼器機(jī)制選擇功能來重新生成數(shù)據(jù)并以高精度去除FEC開銷。結(jié)果，產(chǎn)生了初始數(shù)據(jù)比特流，然后將其發(fā)送到更高的網(wǎng)絡(luò)層。
FEC前向糾錯或信道編碼是可以顯著減少這些數(shù)據(jù)傳輸錯誤的技術(shù)。
FEC前向糾錯原理
FEC前向糾錯原理是添加冗余比特，使解碼器能夠確定來自發(fā)射機(jī)的真實消息。
FEC前向糾錯技術(shù)可以應(yīng)用于數(shù)字比特流，或者在對數(shù)字調(diào)制的載波進(jìn)行解調(diào)的過程中使用。許多 FEC編碼器可以生成比特誤碼率 (BER) 信號，作為反饋信息對模擬接收電子設(shè)備進(jìn)行微調(diào)。簡言之，發(fā)射機(jī)會對消息進(jìn)行編碼，并且使用糾錯碼 (ECC) 添加附加比特（我們稱之為冗余）。這種冗余使接收機(jī)能夠檢測并糾正消息中任何地方可能出現(xiàn)的有限數(shù)量的 誤碼。更強(qiáng)的代碼需要更多的冗余和系統(tǒng)帶寬，以便降低有效比特率，同時提高接收的有效信噪比。
三個采樣中任何一個的誤碼都可以通過叫做“多數(shù)投票”的FEC功能來糾正。上面的這種三重模塊冗余的 方法得到了廣泛使用，但它是一種效率稍低的 FEC形式。有效的FEC編碼通常檢查接收的最后幾十或幾百個比特，然后確定如何解碼少量比特（通常以 2 到 8 比特的組合為單位）。
為了改善突發(fā)模式應(yīng)用中的 FEC性能，經(jīng)常使用交錯法。交錯法會在多個代碼字之間混合數(shù)據(jù)來實現(xiàn)， 從而創(chuàng)建更均勻的誤碼分布。例如：
沒有交錯的傳輸
每個相同字母組代表一個 4 比特、1 比特的糾錯碼字。代碼字 VVVV 中有一個改變的比特，這個比特可以被糾錯。代碼字 WWWW 中有四個改變的比特，它們都不能被解碼，或者可能會被錯誤地解碼。
以下每個代碼字中只改變了一比特：TTTT、XXXX、YYYY、GGGG。因此，一個 1 比特的糾錯碼即可正確解碼這些代碼。下圖以另一種方式顯示了交錯的效果。
FEC前向糾錯的特點
1、單向信道 -?FEC技術(shù)適用于單向通信信道，即數(shù)據(jù)只能從一個方向傳輸，按收端無法直接向發(fā)送端反饋錯誤信息。這使得FEC技術(shù)在一些無法建立反饋機(jī)制的通信場景中顯得尤為重要。
2、無需重傳 -?由于FEC技術(shù)能夠在接收端自動糾正錯誤，因此無需像ARQ (Automatic Repeat Request自動重傳請求）技術(shù)那樣需要發(fā)送端進(jìn)行重傳。這在一定程度上降低了通信的延遲和帶完消耗。
3、提高可靠性和容錯性 -?通過添加冗余信息和糾錯碼，F(xiàn)EC技術(shù)能夠顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院腿蒎e性，減少數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤和丟失。這對于一些對數(shù)據(jù)完整性要求較高的應(yīng)用場景（如音視頻傳輸、數(shù)據(jù)存儲等）尤為重要。
前向糾錯分組碼是預(yù)先定義的、固定大小的比特或符號塊（分組）。實際的分組碼可以被硬解碼，從而限制它們的分組長度。
以下是幾種類型的分組編碼方案：
Reed Solomon碼 -?一種使用一組或一族糾錯碼的交錯編碼，其字母大小、消息長度和分組長度具有一定的特征。它使用線性循環(huán)系統(tǒng)非二進(jìn)制分組碼，與低密度奇偶校驗和渦輪碼相比具有更少的編碼增益。但該方法具有非常高的編碼率和低復(fù)雜性，使其適用于許多應(yīng)用，包括存儲、傳輸和大塊比特。
Golay碼 -?提供接近單向、無誤碼的校正，但代價是數(shù)據(jù)加倍。使用此編碼方案，您必須發(fā)送與數(shù)據(jù)比特一樣多的 校驗比特。
漢明碼 -?為消息中的每四個數(shù)據(jù)比特添加三個額外的校驗比特。
Bose-Chaudhuri-Hocquengham (BCH) 碼?- 可對該代碼糾正的符號錯誤的數(shù)量進(jìn)行精確控制。它基本上是一種用于多重糾錯的一般化漢明碼。
多維奇偶校驗(MDPC) 碼 -?一種簡單類型的糾錯碼，通過將消息排列到多維網(wǎng)格并計算每行和每列的奇偶校驗比特來工作。
卷積碼 -?任意長度的比特或符號流。以下是一些卷積碼方案：
維特比碼 -?實施一種軟判決算法，從被噪聲破壞的模擬信號中解調(diào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。它通過增加卷積碼的約束長度獲得漸近最優(yōu)的解碼效率，代價是增加了復(fù)雜性。它也不需要準(zhǔn)確了解信噪比。
渦輪碼 -?一種迭代的軟解碼方案，組合了兩個或更多個相對簡單的卷積碼和交錯器。得到的分組碼傳輸速率非常 接近理論最大值。
低密度奇偶校驗 (LDPC) 碼 -?由多個單奇偶校驗（SPC）碼組成的高效線性分組碼。其性能非常接近理論最大信道容量。
信道碼 -?找到快速傳輸且包含大量合格碼字的代碼，同時還能檢測到許多錯誤。
可在本地解碼和測試的代碼 -?適用于在不查看整個信號的情況下對消息中的單個比特進(jìn)行解碼。例如，在流設(shè)置中，碼字可能太大而不能足夠快地進(jìn)行經(jīng)典解碼，而且我們僅對消息中的某幾個比特感興趣。
本地可測試碼 -?可進(jìn)行概率性檢查，從而通過僅查看少量代碼來確定信號是否接近碼字。
級聯(lián)碼 -?它是經(jīng)典（代數(shù)）分組碼與卷積碼的結(jié)合。一個短約束長度的維特比解碼卷積碼可以完成大部分工作；
而具有較大的符號大小和分組長度的分組碼（通常為 Reed-Solomon）則可以“消除”由卷積解碼器產(chǎn)生的任何錯誤。
選擇編碼解決方案時，需要考慮許多注意事項，因為 FEC往往高于某個最小信噪比而不是低于它。此外， FEC 要么能夠出色地恢復(fù)數(shù)據(jù)，要么就根本沒法恢復(fù)數(shù)據(jù)。這被稱為懸崖或磚墻效應(yīng)。隨著信號強(qiáng)度降低，模擬通信數(shù)據(jù)的恢復(fù)能力會逐漸下降。
當(dāng)信道錯誤傾向于以突發(fā)形式出現(xiàn)時，F(xiàn)EC編碼數(shù)據(jù)的交錯可以緩解 FEC碼“全有或全無 (all-or-nothing)” 的特性，尤其對窄帶數(shù)據(jù)更有幫助。大多數(shù) FEC系統(tǒng)使用“信道代碼”設(shè)計來容忍預(yù)期的最壞情況誤碼率，但是，如果誤碼率比預(yù)測情況更差，它們根本就不能工作。
因此需要在關(guān)鍵的可靠性與數(shù)據(jù)速率間做出權(quán)衡。冗余比特使用與數(shù)據(jù)比特相同的信道；它們會影響可用的數(shù)據(jù)速率。冗余比特數(shù)越高，可用的數(shù)據(jù)速率越低，解碼信號的可靠性越高。冗余比特數(shù)越低，可用的數(shù)據(jù)速率越高，解碼信號的可靠性越低。
另一個必須的權(quán)衡是性能與復(fù)雜性。優(yōu)化碼率是為了達(dá)到降低誤碼率和減少重傳次數(shù)之間的平衡，以降低通信的能量成本。編碼復(fù)雜程度的增加會產(chǎn)生一些額外的延遲。銀行業(yè)務(wù)和圖像識別等數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用程序?qū)Υ朔浅Ｃ舾校鼈儠驯忍芈始颖抖皇寝D(zhuǎn)向 PAM4，從而繼續(xù)使用 NRZ 或 ENRZ 編碼。
碼率是由信息比特數(shù)除以總比特數(shù)而得出的。接近零的低碼率意味著強(qiáng)代碼，此時使用了許多冗余比特來獲得良好的性能。接近 1 的大碼率意味著弱代碼。例如，強(qiáng)代碼（具有低碼率）會使接收機(jī)的信噪比增加，同時，也會使比特誤碼率和有效數(shù)據(jù)速率降低。然而，如果不使用任何 FEC（即碼率等于 1），而是使用全信道來傳送信息的話，則會使比特失去任何額外的保護(hù)。
采用上述糾錯碼方案之后，單通道解碼可以實現(xiàn)非常低的錯誤率；但是對于像外太空那樣的長距離傳輸條件，建議采用迭代（解析）解碼。
FEC技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)傳輸場景，包括但不限于：
1、互聯(lián)網(wǎng)傳輸：
在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)擁塞、噪聲干擾等因素，數(shù)據(jù)包可能會出現(xiàn)丟失或損壞。采用FEC技術(shù)可以在一定程度上減少這些問題對數(shù)據(jù)完整性的影響。
2、無線通信：
無線通信環(huán)境中存在多種干擾因素（如多徑效應(yīng)、衰落等），導(dǎo)致信號質(zhì)量不穩(wěn)定。FEC技術(shù)可
以通過添加冗余信息來提高信號的抗干擾能力，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
3、衛(wèi)星通信：
衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范國廣等特點，但同時也面臨看信號衰減、時延大等挑戰(zhàn)。FEC技術(shù)可以在一定程度上彌補(bǔ)這些不足，提高衛(wèi)星通信的可靠性和穩(wěn)定性。
結(jié)論
使用FEC前向糾錯可使接收機(jī)恢復(fù)損壞的消息并將其轉(zhuǎn)換回原始消息 實現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵組件， 如電話，衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)存儲。點擊M8040A誤碼儀解決方案，了解更多信息。
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