淺析應用于光通信系統中SD-FEC軟判決糾錯編碼技術(shù)

前向糾錯(FEC)技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛地應用于光通信系統中，達到改善系統的誤碼率性能、提高系統通信的可靠性、延長(cháng)光信號的傳輸距離、降低光發(fā)射機發(fā)射功率以及降低系統成本的目的。 近年來(lái)，ITU-T針對光通信系統的迅速發(fā)展而開(kāi)展了FEC碼的研究，相繼提出了若干與此相關(guān)的建議(如ITU-T G.707、G.975、G.709和G.975.1等)。但隨著(zhù)光通信系統向更長(cháng)距離、更大容量和更高速度發(fā)展，特別是單波速率從40G向100G甚至超100G演進(jìn)時(shí)，光纖中的傳輸效應(如色散、偏振模色散和非線(xiàn)性效應等)就會(huì )嚴重影響傳輸速率和傳輸距離的進(jìn)一步提高。為此，人們不斷研究開(kāi)發(fā)性能更好的FEC碼型，使其獲得更高的凈編碼增益(NCG)和更好的糾錯性能，滿(mǎn)足光通信系統高速發(fā)展的需要。

高效的FEC技術(shù)

目前10G NRZ(不歸零碼)在糾錯前誤碼率(pre-FEC)為2×10-3時(shí)(超強糾錯編碼糾錯門(mén)限)的OSNR容限小于12dB，而業(yè)界看好100G的PM-QPSK的pre-FEC BER@2×10-3時(shí)OSNR容限在15.5dB左右，也就是說(shuō)采用相同能力的FEC，100G傳輸距離不到10G的一半。因此需要引入更高效的FEC技術(shù)。

10G和40G DWDM系統已普遍采用增強糾錯編解碼(AFEC)技術(shù)，凈編碼增益(NCG)約8.5dB。OIF(光互聯(lián)論壇)建議100G選擇冗余度在18%~20%的軟判決糾錯編碼(SD-FEC)，凈編碼增益可達10.5dB左右，這時(shí)線(xiàn)路速率接近126Gbps。

采用SD-FEC的100G的PM-QPSK，OSNR容限在13dB左右，基本達到了與10G同量級的傳輸距離。

FEC分類(lèi)

FEC從構造方法上可分為分組碼(Block Codes)和卷積碼(Convolutional Codes)兩大類(lèi)。

為大家熟知的Hamming碼、RS碼、BCH碼等都屬于分組碼，大部分分組碼是在Galois域上構造的，因此具有嚴格的代數結構，其譯碼算法主要采用基于代數的硬判決譯碼。目前分組碼已經(jīng)在光通信中廣泛應用。

卷積碼具有動(dòng)態(tài)格圖結構，可用有限狀態(tài)機來(lái)描述其狀態(tài)，其譯碼算法一般采用軟判決譯碼。卷積碼由于不支持并行的譯碼器架構，其解碼延遲較大，不適合光通信的應用需求，因此卷積碼在光通信中的應用很少。

FEC對接收信號處理方式的不同可以分為硬判決譯碼和軟判決譯碼兩大類(lèi)。

硬判決譯碼是基于傳統糾錯碼觀(guān)點(diǎn)的譯碼方法：解調器首先對信道輸出值進(jìn)行最佳硬判決，如對二進(jìn)制數據，硬判決譯碼器接收到的是確定的“0/1”碼流，解調器將判決結果送入譯碼器，譯碼器根據判決結果，利用碼字的代數結構來(lái)糾正其中的錯誤。

軟判決譯碼則充分利用了信道輸出的波形信息，解調器將匹配濾波器輸出的一個(gè)實(shí)數值送入譯碼器，即軟判決譯碼器需要的不僅僅是“0/1”碼流，還需要“軟信息”來(lái)說(shuō)明這些“0/1”的可靠程度，即離判決門(mén)限越遠，判決的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要體現遠近程度就要把判決空間劃分得更細。除了劃分“0/1”的門(mén)限，還要用“置信門(mén)限”將“0”和“1”空間進(jìn)行劃分以說(shuō)明判決點(diǎn)在判決空間的相對位置。如圖1所示，用2bit把“0”和“1”空間分別劃分成4份，軟判決信息及其含義可表示如下：

0 00(也許0)，0 01(可能0)，

0 10(很可能0)，0 11(肯定0)

1 00(也許1)，1 01(可能1)，

1 10(很可能1)，1 11(肯定1)

第一位與硬判決的結果相同，后兩位說(shuō)明判決點(diǎn)在“0”或“1”空間的相對位置。

可以看出，軟判決包含了比硬判決更多的信道信息，譯碼器能夠通過(guò)概率譯碼充分利用這些信息，從而獲得比硬判決譯碼更大的編碼增益。

FEC的技術(shù)演進(jìn)

FEC從時(shí)間和性能上先后經(jīng)歷了三代。

第一代FEC，采用硬判決分組碼，典型的代表是RS(255，239)，碼字開(kāi)銷(xiāo)為6.69%，當輸出BER=1E-13時(shí)，其凈編碼增益為6dB左右。RS(255，239)已經(jīng)被寫(xiě)入ITU-T G.709和ITU-T G.975標準，在光通信領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。

第二代FEC，采用硬判決級聯(lián)碼，綜合應用級聯(lián)、交織、迭代譯碼等技術(shù)，有效提高了FEC的糾錯能力。ITU-T G.975.1標準收錄了8種第二代FEC算法，碼字開(kāi)銷(xiāo)仍以6.69%為主，當輸出BER=1E-15時(shí)，其中大部分FEC算法的凈編碼增益在8dB以上，可支持10G和40G的系統長(cháng)距離傳輸需求。

第三代為軟判決FEC。隨著(zhù)光纖中單波速率從40G向100G演進(jìn)，相干接收機成為研制100G長(cháng)距離傳輸設備的關(guān)鍵，相干接收技術(shù)的應用再加上集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展使得軟判決FEC的應用成為可能。軟判決FEC采用較大的碼字開(kāi)銷(xiāo)，15%~20%，當輸出BER=1E-15時(shí)，凈編碼增益達到11dB左右，可支持100G甚至超100G系統的長(cháng)距離傳輸需求。常見(jiàn)的軟判決FEC算法包括Turbo乘積碼(Turbo Product Code，TPC)和低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check Code，LDPC)。