专注SIP通讯产品与方案

高速光通信:前向纠错—减少误码的关键技术

       物理定律不能单靠思维来获得,还应致力于观察和实验。
                                                       ——普朗克(M.K.E.L.Planck)
一、 前向纠错概述——提高色散限制系统性能的最好办法
前向纠错技术
       今天,前向纠错(FEC)技术已经广泛应用于光通信系统,特别是光纤通信系统。这种技术既可以在损耗限制系统中使用,也可以在色散限制系统中使用,但在高比特率、长距离的色散限制系统中使用更为重要。它使光纤通信系统在传输中产生的突发性长串误码和随机单个误码得到纠正,提高了通信质量。同时,也提高了接收机灵敏度,延长了无中继传输距离,增加了传输容量,放松了对系统光路器件的要求。前向纠错技术是提高光纤通信系统可靠性的重要手段。
       在色散限制系统中,信息传输速率达到Gbit/s量级时,经常出现不随信号功率变化的背景误码效应。这种背景误码主要由多纵模激光器的模式噪声、啁啾噪声和光路器件引入的反射效应,以及由单纵模激光器中的部分模式噪声和模跳变效应引起。目前,克服这种误码效应的办法通常是在系统中加入光隔离器以防止光反射,采用外调制技术以防止啁啾噪声,采用高性能激光器以防止模式噪声。但是,采用上述措施,将使光纤通信系统造价增加,而效果并不理想。将前向纠错技术引入色散限制光纤通信系统,效果最好。
       前向纠错是一种数据编码技术,该技术通过在发送端传输的信息序列中加入一些冗余监督码进行纠错。在发送端,由发送设备按一定算法生成冗余码,插入要传输的数据流中;在接收端,按同样的算法对接收到的数据流进行解码,根据接收到的码流确定误码的位置,并进行纠错。比如,发送端在SDH STM-1信号(155Mbit/s)的开销字节中,插入总字节7%的冗余纠错码,对发射信号进行前向纠错(FEC)编码;在接收端,对传输过程中产生的误码,通过奇偶校验进行监视并纠正,可使BER减小,如图10.1.1所示。由图可见,输入误码率为10-3时,输出误码率可减小到10-6;当输入误码率为10-4时,输出误码率进一步可减小到10-14,提高了10个数量级。图10.1.2表示2.5Gbit/s信号传输480km之后,经前向纠错后接收机灵敏度在BER=10-9时提高了5.7dB。FEC技术在光通信中的应用主要是为了获得额外的增益,即净编码增(NCG)。
高速光通信:前向纠错—减少误码的关键技术(图2)
图10.1.1FEC使BER减小
高速光通信:前向纠错—减少误码的关键技术(图3)
图10.1.2采用FEC前后的BER与接收光功率对比
二、 前向纠错实现方法——并行处理级联内外编码
 
        ITU-T制定了G.975建议,规定用RS(255,239)码,即规定信息码组长度为239bit,FEC冗余码组长度为(255-239)bit,所以冗余率为(255-239)/239=6.69%。这种EFC可以纠错8字节的码字,使用插入16字节的帧,可以纠错1017个连续误码比特。RS编码方式是由Reed和Solomon提出的一种多进制BCH编码。
        ITU-T为高比特率WDM海底光缆系统FEC制定了G.975.1建议,规定了8种级联码型。这是一种比G.975建议RS(255, 239)码具有更强纠错能力的超级FEC(SFEC)码。大部分SFEC是用里德-所罗门(RS)编码为内编码和其他一些编码方式为外编码级联而成。
       级联码由2个取自不同域的子码(一般采用分组码)串接而成长码,不需要长码所需的复杂解码设备,且具有极强的纠正突发和随机错误能力。理论上,SFEC通常采用一个二进制码作内编码,采用另一个非二进制码作外编码,组成一个简单的级联码,其原理实现如图10.1.3所示。
高速光通信:前向纠错—减少误码的关键技术(图4)
图10.1.3级联码原理实现框图
       当信道产生少量的随机错误时,可以通过内编码纠正;当产生较大的突发错误或随机错误,以至于超过内码的纠错能力时,用外编码纠正。内解码器产生错译,输出的码字错误仅相当于外码的几个错误符号,外解码器能较容易地纠正。因此,级联码用来纠正组合信道错误以及较长的突发性错误非常有效,而且编解码电路实现简单,付出代价较少,非常适合光纤通信使用。
       为了实现高比特率传输,需并行处理编码/解码,即使用分路器,把总的比特率分解为数个速率较低的支路数据流,然后对每一路进行编码/解码,最后再用合路器把编/解码后的几路数据流合在一起,如图10.1.4所示。
高速光通信:前向纠错—减少误码的关键技术(图5)
图10.1.4使用FEC的光纤传输系统