ما هو ترميز القناة؟

تشفير القناة هو تقنية مستخدمة في الاتصالات الرقمية لضمان استقبال الإرسال بأقل قدر من الأخطاء أو بدون أخطاء. يتم تحقيق طرق التشفير المختلفة التي يمكن استخدامها عن طريق دمج أرقام ثنائية إضافية في الإرسال. عند فك الشفرة على الطرف المستقبل ، يمكن التحقق من الإرسال بحثًا عن الأخطاء التي قد تكون حدثت ، وفي كثير من الحالات ، يمكن إصلاحها. في أوقات أخرى ، يطلب المستلم الإرسال مرة أخرى.

تم تطوير الفكرة وراء تشفير القناة بسبب الوجود الحتمي للأخطاء في أي نوع معين من قنوات الاتصال. موجات الراديو والإشارات الكهربائية وحتى موجات الضوء عبر قنوات الألياف الضوئية سيكون لها قدر من الضوضاء على الوسط ، بالإضافة إلى تدهور الإشارة التي تحدث على مسافة معينة. نظرًا لكونها مشكلة شائعة في الاتصالات ، فقد تطورت نظريات عديدة حول كيفية التعامل معها في إطار فروع الرياضيات التطبيقية مثل نظرية المعلومات ونظرية الترميز.

إحدى الطرق شائعة الاستخدام تسمى طلب التكرار التلقائي (ARQ) ، والتي تتضمن ببساطة فحص المستلم للإرسال بحثًا عن الأخطاء وطلب إعادة الإرسال في حالة حدوث أي شيء. يشار إلى هذا أحيانًا باسم تصحيح الخطأ العكسي. من ناحية أخرى ، فإن تشفير القناة هو أسلوب تصحيح الخطأ الأمامي (FEC). يقوم المرسل بإعداد البتات للإرسال باستخدام خوارزمية خاصة تُعرف باسم كود تصحيح الخطأ ، والذي يتم بعد ذلك فك تشفيره على الطرف المستقبل. غالبًا ما تُستخدم كلتا الطريقتين بطريقة هجينة ، مما يسمح بإصلاح الأخطاء الصغيرة في الإرسال باستخدام رمز قناة ، مع وجود أخطاء كبيرة تتطلب إعادة إرسال كاملة.

تم إنشاء تقنية تشفير القناة الأولى بواسطة عالم رياضيات يُدعى ريتشارد هامينغ ، الذي طور ما يُعرف باسم كود هامينغ. كان هذا هو أول كود تصحيح الخطأ الأمامي ، والذي يستلزم إدراج أرقام ثنائية إضافية في الإرسال تسمى بتات التكافؤ. سيكشف الحساب الذكي لبتات التكافؤ في الطرف المستقبل للإرسال ما إذا كانت هناك أية أخطاء قد حدثت في الإرسال ، ومكان وجودها في سلسلة البتات ، وكيفية إصلاحها لاستعادة الإرسال الأصلي.

يندرج كود هامنج ضمن عائلة طرق تشفير القنوات التي يشار إليها باسم رموز الكتلة ، والتي تم تطوير العديد منها على مر السنين. عادةً ما تتضمن رموز الكتلة البتات التي يتم جمعها في كتل ذات أطوال ثابتة ، والتي يشار إليها بعد ذلك على أنها كلمات مشفرة. يتم إعطاء كل كلمة رمز بتات الفحص المناسبة لفك تشفيرها من قبل المستلم. تميل أساليب كود الكتلة إلى زيادة حجم الإرسال بسبب البتات المضافة في كلمة الشفرة ، والتي يمكن أن يكون لها تأثير على عرض النطاق الترددي للقناة.

تُعرف طريقة تشفير القناة الأخرى بالشفرة التلافيفية. هذه الطرق أسرع بكثير ويمكنها ترميز دفق بت من أي طول. يُطلق على أحد الرموز الشائعة الاستخدام من هذا النوع رمز Viterbi ، الذي أنشأه عالم الرياضيات الإيطالي Andrew Viterbi. يتمثل عيب هذه الطريقة في أنه كلما زاد طول الشفرة التلافيفية ، يزداد تعقيدها عند فك التشفير. في كثير من الحالات ، يتم استخدام الأكواد التلافيفية مع رموز الكتلة فيما يعرف باسم أكواد تصحيح الخطأ المتسلسلة.