光通信系統(tǒng)中SD-FEC軟判決糾錯(cuò)編碼技術(shù)淺析

        作者：朱曉宇（中興通訊）

　　前向糾錯(cuò)（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(zhǎng)光信號(hào)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(lái)，ITU-T針對(duì)光通信系統(tǒng)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）。但隨著光通信系統(tǒng)向更長(zhǎng)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(yīng)（如色散、偏振模色散和非線性效應(yīng)等）就會(huì)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(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(cuò)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(cuò)前誤碼率（pre-FEC）為2×10-3時(shí)（超強(qiáng)糾錯(cuò)編碼糾錯(cuò)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(tǒng)已普遍采用增強(qiáng)糾錯(cuò)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(cuò)編碼（SD-FEC），凈編碼增益可達(dá)10.5dB左右，這時(shí)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(jí)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(dòng)態(tài)格圖結(jié)構(gòu)，可用有限狀態(tài)機(jī)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(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(duì)接收信號(hào)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(cuò)碼觀點(diǎn)的譯碼方法：解調(diào)器首先對(duì)信道輸出值進(jìn)行最佳硬判決，如對(duì)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(lái)糾正其中的錯(cuò)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(gè)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(lái)說(shuō)明這些“0/1”的可靠程度，即離判決門(mén)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(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(duì)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(shuō)明判決點(diǎn)在“0”或“1”空間的相對(duì)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)銷為6.69%，當(dāng)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(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(jí)聯(lián)碼，綜合應(yīng)用級(jí)聯(lián)、交織、迭代譯碼等技術(shù)，有效提高了FEC的糾錯(cuò)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(kāi)銷仍以6.69%為主，當(dāng)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(tǒng)長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)銷，15%~20%，當(dāng)輸出BER=1E-15時(shí)，凈編碼增益達(dá)到11dB左右，可支持100G甚至超100G系統(tǒng)的長(zhǎng)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(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(kāi)銷的FEC具有超強(qiáng)的誤碼糾正能力，輸入誤碼率門(mén)限達(dá)到1.8E-2~2E-2之間，高效對(duì)抗線路誤碼；

　　• 采用100%的軟判決，沒(méi)有級(jí)聯(lián)硬判決FEC，延時(shí)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(tái)特性；

　　• 軟判決FEC采用15%開(kāi)銷，相對(duì)20%方案，傳輸效率更高，穿通濾波性能更好。