Het perfectioneren van digitale communicatie

Prof. dr. ir. Kees Schouhamer Immink
Hoogleraar Instituut voor Experimentele Wiskunde
Universität Duisburg-Essen

Computer chip met een vuiltje

Computer chip met een vuiltje. Beeld: Dennis Kunkel Microscopy, Inc./ Visuals Unlimited / Corbis

Wat is de belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in uw vakgebied?

Vlak na de Tweede Wereldoorlog, in 1948, publiceerde Claude Shannon een klassiek artikel genaamd ‘A Mathematical Theory of Communication’, waarmee hij een geheel nieuwe tak van toegepaste wiskunde startte, namelijk de Informatietheorie. Shannon bestudeerde in dit artikel het fundamentele probleem van communicatie van informatie, waarmee hij bedoelde het exact of zo goed mogelijk reproduceren van verzonden of opgeslagen informatie. Informatie in de context van de informatietheorie kan veel verschillende vormen aannemen zoals tekst, gesproken woord, muziek of beeld (video). Shannons revolutionaire artikel houdt zich bezig met zeer praktische, maar ook zeer fundamentele vragen, die hij vaak op een uiterst elegante wijze wist te beantwoorden. Vragen zoals: wat is informatie? Kan men de informatie-inhoud van een informatiebron wiskundig formuleren en kwantificeren? Is het mogelijk informatie foutvrij te verzenden naar een ontvanger over een transmissiekanaal dat ernstig door imperfecties zoals ruis wordt verstoord?

Shannon bewees dat door het toepassen van digitale ‘codes’, een slimme vertaalslag van gebruikersinformatie naar digitale informatie die geschikt is om te worden gestuurd, kan worden gecommuniceerd met fouten die met een willekeurig kleine kans voorkomen. Kortom: hij bewees dat door het toepassen van digitale codes imperfecte communicatie- en opslagmedia ‘perfect’ gemaakt kunnen worden. De theorie van Shannon toont verder aan dat door codering een grote winst is te bereiken in zowel de kwaliteit al kwantiteit van informatietransmissie en informatieopslag. Shannon heeft in de Tweede Wereldoorlog ook bijgedragen aan de theorie van kryptonanalyse en het breken van geheime codes.

Voor ingenieurs enigszins teleurstellend wist Shannon niet hoe de beloofde kwaliteitswinst zou kunnen worden gerealiseerd. In de coderingstheorie, die later werd ontwikkeld, wordt bestudeerd hoe de theoretische beloftes van de Informatietheorie in de praktijk kunnen worden waargemaakt. Shannon onderscheidde twee types codes: foutencorrigerende codes en compressiecodes. Met foutencorrigerende codes worden fouten die tijdens de transmissie gemaakt zijn, gecorrigeerd, terwijl compressie codes gebruikt worden om de essentiële inhoud van informatie te vinden, waardoor het de informatie efficiënter kan worden overgedragen of opgeslagen.

Richard Hamming publiceerde in 1948 de eerste foutencorrigerende code, die slechts een enkele fout in ontvangen woorden kan corrigeren. Het onderzoek naar adequate foutencorrigerende codes werd veel later op zeer grote schaal gestimuleerd door het NASA ruimtevaartprogramma. Hierdoor werd het in de zestiger jaren mogelijk om digitale foto’s van de planeet Mars naar de aarde te zenden. In 1965 werden buitengewoon krachtige codes gepubliceerd die een veelvoud van fouten kunnen corrigeren en daardoor zeer geschikt zijn voor praktische toepassingen in opslagmedia van digitale informatie. Vijftien jaar later werden deze codes voor het eerst in de huiskamer toegepast in de Compact Disc, een medium dat algemeen geroemd wordt voor zijn superieure geluidskwaliteit. Krassen en vuil op de plaat introduceren vele uitleesfouten in de geluidsinformatie, maar de foutencorrigerende codes zorgen ervoor dat de geluidskwaliteit van zeer hoge kwaliteit blijft. Compressiecodes worden algemeen toegepast voor het comprimeren van data (ZIP), geluid (MP3), en foto’s en video (MPEG). In een DVD worden al deze codes toegepast.

Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

Digitale codes worden nu toegepast in het volledige spectrum van digitale elektronica, zoals de Compact Disc, DVD, Blu-ray, modems, Internet, mobiele telefonie, digitaal audio, MP3 spelers (iPod), digitale TV, hard disk drives, etc.

Genoemde alledaagse digitale producten vormen de basis van onze informatie- en communicatiemaatschappij. Zonder enige overdrijving kan worden gesteld dat deze producten niet hadden kunnen bestaan zonder de toepassing van de resultaten van de informatie- en coderingstheorie.


Andere bijdragen in Digitale informatie, Technische Wetenschappen