前向纠错FEC纠错编码原理

目录

• ·简介
• ·实现光通信可靠传输
• ·性能三要素

前向纠错编码（FEC）技术通过在传输码列中加入冗余纠错码，在一定条件下，通过解码可以自动纠正传输误码，降低接收信号的误码率（BER）。在WDM系统中，衡量FEC纠错能力的指标称为“FEC编码增益”，该增益越强表示纠错性能越强。

简介

　　应用在40Gbit/sWDM系统中的FEC技术主要是增强型FEC（EFEC），其特点是引入级联信道编码等大增益编码技术，适用于时延要求不高、编码增益要求特别高的系统，涉及的码型包括RS级联码、BCH级联码、分组Turbo码等。在同等编码冗余度下，EFEC可以较标准带外FEC（G.975/G.709，5～6dB编码增益）提供额外的1～3dB编码增益。EFEC技术还没有统一的标准，甚至没有统一的名称，各个厂商的编码技术都不尽相同，编码冗余度差别很大，主要有7%、11%、12.5%等几种，最大可以提供10dB的编码增益（BER<10-15）。目前在40Gbit/s速率上直接进行编解码的FEC/EFEC芯片已经出现，FEC的应用已经没有技术障碍，需要进一步推动的是标准化进程、性能的提高和成本的降低。

实现光通信可靠传输

　　前向纠错技术(Forward Error Correction)在确保信号的长距可靠传输方面也起着非常重要的作用。相比于10G系统，100G的OSNR需要提高10倍，这需要多种技术的组合应用才能实现，其中就包括FEC。

　　在波分复用技术的发展过程中，前向纠错（FEC，Forward Error Correction）技术作为实现信息可靠传输的关键，逐渐成为必不可少的主流技术。光纤通信中的FEC也经历了几代技术的演变，从经典硬判决，到级联码，而100G相干技术的出现使得软判决成为演进的方向。

图1 FEC在光通信中的位置

性能三要素

　　FEC技术是一种广泛应用于通信系统中的编码技术。以典型的分组码为例，其基本原理是：在发送端，通过将kbit信息作为一个分组进行编码，加入（n-k）bit的冗余校验信息，组成长度为n bit的码字。码字经过信道到达接收端之后，如果错误在可纠范围之内，通过译码即可检查并纠正错误bit，从而抵抗信道带来的干扰，提高通信系统的可靠性。在光通信系统中，通过FEC的处理，可以以很小的冗余开销代价，有效降低系统的误码率，延长传输距离，实现降低系统成本的目的。

　　FEC的使用可以有效提高系统的性能，根据香农定理可以得到噪声信道无误码传输的极限性能（香农限），如图2所示。从图2可以看出，FEC方案的性能主要由编码开销、判决方式、码字方案这三个主要因素决定。

　　（1）编码开销：校验位长度（n-k）与信息位长度k的比值，称为编码开销。开销越大，FEC方案的理论极限性能越高，但增加并不是线性的，开销越大，开销增加带来的性能提高越小。开销的选择，需要根据具体系统设计的需求来确定。

图2 硬判决FEC和软判决FEC的香农限

　　（2）判决方式：FEC的译码方式分为硬判决译码和软判决译码两种。硬判决FEC译码器输入为0，1电平，由于其复杂度低，理论成熟，已经广泛应用于多种场景。软判决FEC译码器输入为多级量化电平。在相同码率下，软判决较硬判决有更高的增益，但译码复杂度会成倍增加。微电子技术发展到今天，100G吞吐量的软判决译码已经可以实现。随着传送技术的发展，100G时代快速到来，软判决FEC的研究与应用正日趋成熟，并将在基于相干接收的高速光通信中得到广泛应用。

　　（3）码字方案：当确定开销和判决方式后，设计优异码字方案，使性能更接近香农极限，是FEC的主要研究课题。目前，软判决LDPC码，由于其良好的纠错性能，且非常适合高并行度实现，逐步成为高速光通信领域主流FEC的方案。

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