光通信系統(tǒng)中SD-FEC軟判決糾錯編碼技術(shù)淺析

        作者：朱曉宇（中興通訊）

　　前向糾錯（FEC）技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中，達(dá)到改善系統(tǒng)的誤碼率性能、提高系統(tǒng)通信的可靠性、延長光信號的傳輸距離、降低光發(fā)射機(jī)發(fā)射功率以及降低系統(tǒng)成本的目的。 近年來，ITU-T針對光通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展而開展了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）。但隨著光通信系統(tǒng)向更長距離、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，光纖中的傳輸效應(yīng)（如色散、偏振模色散和非線性效應(yīng)等）就會嚴(yán)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，滿足光通信系統(tǒng)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（超強(qiáng)糾錯編碼糾錯門限）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OSNR容限在15.5dB左右，也就是說采用相同能力的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(tǒng)已普遍采用增強(qiáng)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(dá)10.5dB左右，這時線路速率接近126Gbps。

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

　　FEC分類

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

　　• 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(gòu)造的，因此具有嚴(yán)格的代數(shù)結(jié)構(gòu)，其譯碼算法主要采用基于代數(shù)的硬判決譯碼。目前分組碼已經(jīng)在光通信中廣泛應(yīng)用。

　　• 卷積碼具有動態(tài)格圖結(jié)構(gòu)，可用有限狀態(tài)機(jī)來描述其狀態(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(gòu)，其解碼延遲較大，不適合光通信的應(yīng)用需求，因此卷積碼在光通信中的應(yīng)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。

　　• 硬判決譯碼是基于傳統(tǒng)糾錯碼觀點(diǎn)的譯碼方法：解調(diào)器首先對信道輸出值進(jìn)行最佳硬判決，如對二進(jìn)制數(shù)據(jù)，硬判決譯碼器接收到的是確定的“0/1”碼流，解調(diào)器將判決結(jié)果送入譯碼器，譯碼器根據(jù)判決結(jié)果，利用碼字的代數(shù)結(jié)構(gòu)來糾正其中的錯誤。• 軟判決譯碼則充分利用了信道輸出的波形信息，解調(diào)器將匹配濾波器輸出的一個實(shí)數(shù)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”來說明這些“0/1”的可靠程度，即離判決門限越遠(yuǎn)，判決的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要體現(xiàn)遠(yuǎn)近程度就要把判決空間劃分得更細(xì)。除了劃分“0/1”的門限，還要用“置信門限”將“0”和“1”空間進(jìn)行劃分以說明判決點(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(jié)果相同，后兩位說明判決點(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），碼字開銷為6.69%，當(dāng)輸出BER=1E-13時，其凈編碼增益為6dB左右。RS（255，239）已經(jīng)被寫入ITU-T G.709和ITU-T G.975標(biāo)準(zhǔn)，在光通信領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　• 第二代FEC，采用硬判決級聯(lián)碼，綜合應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)收錄了8種第二代FEC算法，碼字開銷仍以6.69%為主，當(dāng)輸出BER=1E-15時，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(tǒng)長距離傳輸需求。

　　• 第三代為軟判決FEC。隨著光纖中單波速率從40G向100G演進(jìn)，相干接收機(jī)成為研制100G長距離傳輸設(shè)備的關(guān)鍵，相干接收技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用成為可能。軟判決FEC采用較大的碼字開銷，15%~20%，當(dāng)輸出BER=1E-15時，凈編碼增益達(dá)到11dB左右，可支持100G甚至超100G系統(tǒng)的長距離傳輸需求。常見的軟判決FEC算法包括Turbo乘積碼（Turbo Product Code，TPC）和低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）。

　　中興通訊SD-FEC特點(diǎn)

　　中興通訊100G SD-FEC軟判決算法具有以下特點(diǎn)：

　　• 創(chuàng)新的全軟判決FEC，可獲得更高的增益、更高的集成度和更低的功耗；

　　• 全新的優(yōu)化算法和架構(gòu)，使15%開銷的FEC具有超強(qiáng)的誤碼糾正能力，輸入誤碼率門限達(dá)到1.8E-2~2E-2之間，高效對抗線路誤碼；

　　• 采用100%的軟判決，沒有級聯(lián)硬判決FEC，延時大為降低；

　　• 創(chuàng)新優(yōu)化碼字結(jié)構(gòu)和譯碼算法，實(shí)現(xiàn)了超低的誤碼平臺特性；

　　• 軟判決FEC采用15%開銷，相對20%方案，傳輸效率更高，穿通濾波性能更好。