前向糾錯(cuò)

簡(jiǎn)介

　　應(yīng)用在40Gbit/sWDM系統(tǒng)中的FEC技術(shù)主要是增強(qiáng)型FEC（EFEC），其特點(diǎn)是引入級(jí)聯(lián)信道編碼等大增益編碼技術(shù)，適用于時(shí)延要求不高、編碼增益要求特別高的系統(tǒng)，涉及的碼型包括RS級(jí)聯(lián)碼、BCH級(jí)聯(lián)碼、分組Turbo碼等。在同等編碼冗余度下，EFEC可以較標(biāo)準(zhǔn)帶外FEC（G.975/G.709，5～6dB編碼增益）提供額外的1～3dB編碼增益。EFEC技術(shù)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，甚至沒有統(tǒng)一的名稱，各個(gè)廠商的編碼技術(shù)都不盡相同，編碼冗余度差別很大，主要有7%、11%、12.5%等幾種，最大可以提供10dB的編碼增益（BER<10-15）。目前在40Gbit/s速率上直接進(jìn)行編解碼的FEC/EFEC芯片已經(jīng)出現(xiàn)，F(xiàn)EC的應(yīng)用已經(jīng)沒有技術(shù)障礙，需要進(jìn)一步推動(dòng)的是標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程、性能的提高和成本的降低。

實(shí)現(xiàn)光通信可靠傳輸

　　前向糾錯(cuò)技術(shù)(Forward Error Correction)在確保信號(hào)的長(zhǎng)距可靠傳輸方面也起著非常重要的作用。相比于10G系統(tǒng)，100G的OSNR需要提高10倍，這需要多種技術(shù)的組合應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)，其中就包括FEC。

　　在波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，前向糾錯(cuò)（FEC，F(xiàn)orward Error Correction）技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)信息可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵，逐漸成為必不可少的主流技術(shù)。光纖通信中的FEC也經(jīng)歷了幾代技術(shù)的演變，從經(jīng)典硬判決，到級(jí)聯(lián)碼，而100G相干技術(shù)的出現(xiàn)使得軟判決成為演進(jìn)的方向。

圖1 FEC在光通信中的位置

性能三要素

　　FEC技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的編碼技術(shù)。以典型的分組碼為例，其基本原理是：在發(fā)送端，通過(guò)將kbit信息作為一個(gè)分組進(jìn)行編碼，加入（n-k）bit的冗余校驗(yàn)信息，組成長(zhǎng)度為n bit的碼字。碼字經(jīng)過(guò)信道到達(dá)接收端之后，如果錯(cuò)誤在可糾范圍之內(nèi)，通過(guò)譯碼即可檢查并糾正錯(cuò)誤bit，從而抵抗信道帶來(lái)的干擾，提高通信系統(tǒng)的可靠性。在光通信系統(tǒng)中，通過(guò)FEC的處理，可以以很小的冗余開銷代價(jià)，有效降低系統(tǒng)的誤碼率，延長(zhǎng)傳輸距離，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)成本的目的。

　　FEC的使用可以有效提高系統(tǒng)的性能，根據(jù)香農(nóng)定理可以得到噪聲信道無(wú)誤碼傳輸?shù)臉O限性能（香農(nóng)限），如圖2所示。從圖2可以看出，F(xiàn)EC方案的性能主要由編碼開銷、判決方式、碼字方案這三個(gè)主要因素決定。

　?。?）編碼開銷：校驗(yàn)位長(zhǎng)度（n-k）與信息位長(zhǎng)度k的比值，稱為編碼開銷。開銷越大，F(xiàn)EC方案的理論極限性能越高，但增加并不是線性的，開銷越大，開銷增加帶來(lái)的性能提高越小。開銷的選擇，需要根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求來(lái)確定。

圖2 硬判決FEC和軟判決FEC的香農(nóng)限

　?。?）判決方式：FEC的譯碼方式分為硬判決譯碼和軟判決譯碼兩種。硬判決FEC譯碼器輸入為0，1電平，由于其復(fù)雜度低，理論成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)景。軟判決FEC譯碼器輸入為多級(jí)量化電平。在相同碼率下，軟判決較硬判決有更高的增益，但譯碼復(fù)雜度會(huì)成倍增加。微電子技術(shù)發(fā)展到今天，100G吞吐量的軟判決譯碼已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。隨著傳送技術(shù)的發(fā)展，100G時(shí)代快速到來(lái)，軟判決FEC的研究與應(yīng)用正日趨成熟，并將在基于相干接收的高速光通信中得到廣泛應(yīng)用。

　?。?）碼字方案：當(dāng)確定開銷和判決方式后，設(shè)計(jì)優(yōu)異碼字方案，使性能更接近香農(nóng)極限，是FEC的主要研究課題。目前，軟判決LDPC碼，由于其良好的糾錯(cuò)性能，且非常適合高并行度實(shí)現(xiàn)，逐步成為高速光通信領(lǐng)域主流FEC的方案。