FEC前向纠错简介

haoyanlei

前向纠错（FEC）一直是光传输技术中降低OSNR要求的重点技术之一，并随着光传输速率的提升而得到迅猛的发展。FEC技术信号在被传输之前预先对其进行按一定的格式处理，在接收端则按规定的算法进行解码以达到找出错码并纠错的目的。

    衡量FEC的纠错能力一般要考察FEC的四个量：纠前BER容限、编码增益（CG）、开销（OH）和净编码增益（NCG）。纠前BER容限是指纠后BER达到1×10-15时所对应的纠前BER。编码增益是指BER为1×10-15时所对应的Q值（18dB）和纠前BER容限所对应的Q（dB）值之间的差异。目前主流应用的带外FEC会在业务码元（净荷）中插入一些附加的用于纠错的码元，插入码元的数目和净荷之间的比值称为开销（OH）。开销会使得传输速率增加，并在接收时带来一定的Q值代价。因此FEC的真实纠错能力即净编码增益为：

    一般而言FEC使用的开销越大，编码增益也越大，同时开销引起的Q值代价也越大。开销并非越大越好，有研究表明，开销低于20％时，NCG随开销的增加而增大；而开销超过20％后NCG反而会降低。此外，开销过大也会带来光信号的光谱过宽，从而引起其他问题。

    早期第一代的带外FEC采用以RS(255, 239)为代表的代数码技术，满足G.975标准规定，采用7％的开销，净编码增益为6.3dB，纠前BER容限约为8.3×10-5，主要用于2.5G系统和早期的10G系统。第一代FEC的复杂度较低，算法规模较小（～100,000LUT），采用FPGA即可满足其运算速度的要求。

    随着后期的10G及目前40G系统的广泛应用，为实现更长传输距离和更高的波特率，要求传输系统的纠前BER容限进一步降低。驱动了净编码增益更高、纠错能力更强的第二代FEC技术的诞生。第二代FEC采用级联编码技术，净编码增益可达到8～9dB，纠前BER容限可低至1×10-3~4×10-3。G.975.1中制定了第二代FEC的行业标准。净编码增益的提高同时也伴随着FEC算法复杂度的和运算规模的增加。第二代FEC技术一般需要300,000LUT的FPGA或百万门规模的ASIC芯片来承载。

    在第一代、第二代FEC技术中，通常只利用码的代数结构进行译码，由解调器供给译码器的是二进制序列，即解调器仅对接收序列进行0、1判决，这种译码方法称为“硬判决”。 硬判决的缺点在于损失了接收信号中所含的有关信道差错统计特性的信息，因此其纠错能力较香农极限尚有一定距离。

    在100G相干接收电处理技术的产业化力量的驱使下，并借助高速IC技术的发展，目前又引进了基于软判决（SD）的第三代FEC编码技术。软判决技术是一种概率译码方法，它将解调器输出的抽样电压进行多位量化后，再送入译码器进行码的代数结构译码。在高斯白噪声信道中，软判决的编码增益要比硬判决高2dB。SD-FEC一般采用LDPC码（低密度奇偶校验码）、TPC码(Turbo乘积码)等，可提供～11dB的净编码增益，可以将100G PDM-QPSK的OSNR要求降低到12dB以下（实验室结果）。第三代FEC需要更大的运算规模（1千万门以上乃至数千万门的ASIC），目前基于65nm工艺的ASIC技术难以为继，需要40nm工艺的ASIC才能实现其高运算量和低功耗目标。此外SD-FEC的另一个特点是开销更高，可高达20％（OIF建议SD-FEC的开销不超过20％），使得100G的线路速率达到128Gb/s，这会在WDM光信道之间的线性串扰、光纤非线性效应以及滤波效应等方面对传输性能造成影响。