浅析应用于光通信系统中SD-FEC软判决纠错编码技术

 前向纠错(FEC)技术目前已经被广泛地应用于光通信系统中，达到改善系统的误码率性能、提高系统通信的可靠性、延长光信号的传输距离、降低光发射机发射功率以及降低系统成本的目的。 近年来，ITU-T针对光通信系统的迅速发展而开展了FEC码的研究，相继提出了若干与此相关的建议(如ITU-T G.707、G.975、G.709和G.975.1等)。但随着光通信系统向更长距离、更大容量和更高速度发展，特别是单波速率从40G向100G甚至超100G演进时，光纤中的传输效应(如色散、偏振模色散和非线性效应等)就会严重影响传输速率和传输距离的进一步提高。为此，人们不断研究开发性能更好的FEC码型，使其获得更高的净编码增益(NCG)和更好的纠错性能，满足光通信系统高速发展的需要。

高效的FEC技术

目前10G NRZ(不归零码)在纠错前误码率(pre-FEC)为2×10-3时(超强纠错编码纠错门限)的OSNR容限小于12dB，而业界看好100G的PM-QPSK的pre-FEC BER@2×10-3时OSNR容限在15.5dB左右，也就是说采用相同能力的FEC，100G传输距离不到10G的一半。因此需要引入更高效的FEC技术。

10G和40G DWDM系统已普遍采用增强纠错编解码(AFEC)技术，净编码增益(NCG)约8.5dB。OIF(光互联论坛)建议100G选择冗余度在18%~20%的软判决纠错编码(SD-FEC)，净编码增益可达10.5dB左右，这时线路速率接近126Gbps。

采用SD-FEC的100G的PM-QPSK，OSNR容限在13dB左右，基本达到了与10G同量级的传输距离。

FEC分类

FEC从构造方法上可分为分组码(Block Codes)和卷积码(Convolutional Codes)两大类。

为大家熟知的Hamming码、RS码、BCH码等都属于分组码，大部分分组码是在Galois域上构造的，因此具有严格的代数结构，其译码算法主要采用基于代数的硬判决译码。目前分组码已经在光通信中广泛应用。

卷积码具有动态格图结构，可用有限状态机来描述其状态，其译码算法一般采用软判决译码。卷积码由于不支持并行的译码器架构，其解码延迟较大，不适合光通信的应用需求，因此卷积码在光通信中的应用很少。

FEC对接收信号处理方式的不同可以分为硬判决译码和软判决译码两大类。

硬判决译码是基于传统纠错码观点的译码方法：解调器首先对信道输出值进行最佳硬判决，如对二进制数据，硬判决译码器接收到的是确定的“0/1”码流，解调器将判决结果送入译码器，译码器根据判决结果，利用码字的代数结构来纠正其中的错误。

软判决译码则充分利用了信道输出的波形信息，解调器将匹配滤波器输出的一个实数值送入译码器，即软判决译码器需要的不仅仅是“0/1”码流，还需要“软信息”来说明这些“0/1”的可靠程度，即离判决门限越远，判决的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要体现远近程度就要把判决空间划分得更细。除了划分“0/1”的门限，还要用“置信门限”将“0”和“1”空间进行划分以说明判决点在判决空间的相对位置。如图1所示，用2bit把“0”和“1”空间分别划分成4份，软判决信息及其含义可表示如下：

0 00(也许0)，0 01(可能0)，

0 10(很可能0)，0 11(肯定0)

1 00(也许1)，1 01(可能1)，

1 10(很可能1)，1 11(肯定1)

第一位与硬判决的结果相同，后两位说明判决点在“0”或“1”空间的相对位置。

可以看出，软判决包含了比硬判决更多的信道信息，译码器能够通过概率译码充分利用这些信息，从而获得比硬判决译码更大的编码增益。

FEC的技术演进

FEC从时间和性能上先后经历了三代。

第一代FEC，采用硬判决分组码，典型的代表是RS(255，239)，码字开销为6.69%，当输出BER=1E-13时，其净编码增益为6dB左右。RS(255，239)已经被写入ITU-T G.709和ITU-T G.975标准，在光通信领域获得了广泛的应用。

第二代FEC，采用硬判决级联码，综合应用级联、交织、迭代译码等技术，有效提高了FEC的纠错能力。ITU-T G.975.1标准收录了8种第二代FEC算法，码字开销仍以6.69%为主，当输出BER=1E-15时，其中大部分FEC算法的净编码增益在8dB以上，可支持10G和40G的系统长距离传输需求。

第三代为软判决FEC。随着光纤中单波速率从40G向100G演进，相干接收机成为研制100G长距离传输设备的关键，相干接收技术的应用再加上集成电路技术的飞速发展使得软判决FEC的应用成为可能。软判决FEC采用较大的码字开销，15%~20%，当输出BER=1E-15时，净编码增益达到11dB左右，可支持100G甚至超100G系统的长距离传输需求。常见的软判决FEC算法包括Turbo乘积码(Turbo Product Code，TPC)和低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code，LDPC)。