FEC在高速光纖通信中的運用

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摘要：在大數據時代，通信系統已經走向了光通信時代，在城域網、骨干網中大量應用了高速光纖網絡。高速光纖網絡目前是光纖通信領域中的一個研究熱點，而高速光纖通信系統中fec是其一項重要技術。文章主要研究了FEC的相關原理、作用及工作方式，然后研究了FEC與其他技術結合運用于光纖通信系統中。通過研究FEC技術在高速光纖通信系統中的應用來研究高速光纖通信系統的組網與實際應用。

關鍵詞：FEC編碼；高速光纖通信；RS碼智能光

網絡中普遍采用的動態路由分配技術使光信號傳輸距離變得更加難以測量與估計，造成了PMD在傳輸過程中的疊加效應越來越嚴重，從而導致接收端信號質量的下降。PMD已經成為光纖通信系統傳輸速率提高的一個重要技術瓶頸，許多學者都試圖尋找新的技術和新型器件來解決這個問題。

1FEC技術原理

在高速光網絡通信系統中對通信的延時要求比較高，故往往采用了前向糾錯（FEC）的方式。目前在FEC的應用中主要有以下三種編碼方式：帶外FEC、帶內FEC以及并行FEC。這種分類方法實際上是根據FEC與SDH之間的關系來劃分的。帶外FEC在實際應用中使用更為廣泛，最典型的是RS碼，在本文中將以RS碼為例研究FEC技術的基本原理。RS碼的定義為：在有限域中GF（q），則碼長n=q-1的本原BCH碼稱為RS碼，其主要的特點為碼元的符號域與根域均取自GF（q）上，因此，對于碼長為n=q-1，設計距離為d的RS碼而言，其生成多項式為：（1）通常m=0或1，q=2m，其中為本原域元素。在有限域GF（2m）中，且選擇系統沒碼字編碼方式，則RS（n，k）的碼字為：C=（Cn-1，Cn-2，…，C1，C0）=（Mk-1，Mk-2，…，M1，M0，R2t-1，R2t-2，…，R1，R0），其中Mi為信息符號，Ri為校驗符號，2t=n-k。因此，這種以多項式除法為基礎的RS編碼器只需要四步就能完成編碼。（1）選擇有限域上的本原多項式；（2）計算RS碼的生成多項式；（3）計算信息多項式、校驗多項式以及碼字多項式；（4）RS碼編碼器完成多項式的除法，得到多項式的余式則完成了編碼過程。在國際標準中，對于FEC的幀結構進行了定義。其結構圖如圖1所示。圖1FEC子幀結構圖由圖可知，1個FEC子幀共有255bit，其中具有1bit的開銷位，238bit的負載位，16bit的RS編碼位，子幀之間的復用采用的是bit間插與字節間插共用的方式，其中8個FEC子幀采用的是bit間插，64個FEC子幀采用的是字節間插，FEC子幀的詳細內容可以參閱G.709標準。

2高速光纖通信

光纖在理論是可以實現超高速通信的，目前已經實現了多種形式的高速光纖通信，下面本文將詳細闡述這幾種方法基本原理、主要優勢和缺點、及其基本實現方法。要實現光在光纖中的高效傳輸，最關鍵的一點就是需要降低光纖損耗，其次還應使光纖達到至少25THz的傳輸帶寬。就目前的應用而言，光纖的傳輸速大部分都低于幾十Gbps，遠低于理論的傳輸帶寬25THz，這主要是由于信號在光纖傳輸過程中受到了損耗與色散的嚴重影響。目前實現高速光纖通信網絡主要是通過在光域進行復用實現的，復用的方法有：頻域復用、時域復用以及空域復用。所謂“光頻復用“指的是在系統設計時，人為地使光載波處于不同的頻段上。目前廣泛使用的光頻復用技術主要有三種：WDM、DWDM和FDM。這幾種通信方式使用了不同的波長間隔，因此各有各的特征。在光纖通信發展初期，許多學者相信基于FDM－相干檢測原理的光通信將大有作為，然而這種通信方式無論在經濟上還是在技術上都遠遠超越了當時的水平。后來，自摻鉺光纖放大器的發明使光纖通信領域發生了重大革命。傳統的”光—電—光”中繼方式一度被推翻，取而代之的是全新的EDFA技術。該技術的最大特點是能對在一根光纖中傳播的多路光信號進行同一時間的放大，這一革命性技術不但大大降低了光中繼系統的生產成本，而且減少了光纖中的能量損耗，使光纖的通信能力進一步提升。其中，WDM由于波長間隔較容易滿足實際需要，于是很快就得到了推廣。光時分復用（OTDM）具有與電時分復用（ETDM）類似的基本原理，它們的不同點僅僅是利用的物理介質不同，前者是光頻利用，后者是電頻利用。由于光時分的復用，光信號在光纖中傳輸的碼速率有了很大的提升。與WDM相比，OTDM具有其十分獨特的優勢，最關鍵的是OTDM可以實現相當高的頻帶利用率。為了避免各路信號相互竄擾，WDM信道之間往往會預留一段頻率寬度，這直接導致了WDM通信系統的頻帶利用率低下。為了解決這個問題，OTDM方法有了很大的改進，它使用了超短光脈沖進行通信，單個信號通道就能實現接近640Gbit/s的速率，超短光脈沖使光纖的頻帶得到了更高效的利用。由于傳輸只采用一個載波，OTDM系統在光纖傳輸時只需一個載波，信號的處理實現起來比較簡單。OTDM技術的實現主要依賴于以下技術的成熟：超短光脈沖的發生，時分復用及解復用算法，時鐘同步和時鐘提取技術，超高速光脈沖的傳輸及檢測。綜上所述，OTDM確實具有比其它方法更高的通信效率。但這種基于超短光脈沖的OTDM技術仍然存在著一些缺點：首先，超短脈沖在光纖中的傳輸同樣會受到色散的影響，從而造成衰減。其次，光開關的制造技術也還不能完全滿足超高速率的光通信。

3FEC應用于高速光纖通信系統

最常采用的波分設備原理框圖見圖2。圖2波分設備原理框圖波分復用系統在發送信號之前，必須由前級設備——FEC編碼器對負載信號進行編碼。相反地，在系統的接收端，必須將負載信號進行FEC譯碼器解碼，從而還原出各路信號，以便分別進行處理。FEC編碼是一種重要的信道編碼手段，主要用于通信鏈路的傳輸層，這種編碼方法可以適應各種極端環境，使系統傳輸的誤碼率大大降低。在系統運行環境中傳輸信號誤碼率較高時，可以通過FEC編碼降低傳輸的誤碼率，以實現較好的通信條件。采用了FEC編碼技術的高速通信系統，對系統配置要求較低，實現起來較容易，能夠在復雜惡劣的環境中穩定運行。與此同時也提高了光纖通信系統的其他性能指標，如：色散、非線性效應等。實驗表明，通信傳輸的誤碼率在不高于10~12的情況下，并不影響數據的正常傳輸與處理。與其它系統相比，基于FEC的通信設備性能更優秀，其OSNR最小只需要滿足15.5dB即可，而其它通信系統的OSNR必須至少在22dB以上才能保證通信系統的可靠性。為了對FEC系統的性能進行合理的評價，有學者提出了“編碼增益“的概念。所謂的編碼增益，是指通信系統在滿足某一特定的誤碼率的條件下，是否采用編碼手段對接收機最小光信噪比的影響，該影響表現為兩者之間的差值。在研究如何衡量FEC性能的指標時，提出了編碼增益這樣一個指標，它的定義為在滿足一定誤碼率要求的情況下，采用或不采用編碼技術時接收機所采用的最小光信噪比的差值。在一般情況下，FEC實現的編碼增益大概在6.5dB左右。

4FEC和偏振擾偏技術結合運用于光纖通信系統

系統框圖如圖1所示。為了避免光偏振帶來的不利影響，該系統配置了兩種不同狀態的LiNb03波形偏振擾偏器來消除光波的偏振，正弦信號產生器的作用是驅動擾偏器，它的頻率可在0~10MHz之間隨意調整，擾偏的速度即通常所說的驅動頻率。由于偏振對系統的性能影響極大，因此必須對擾偏器的性能進行嚴格測試，常用的方法是輸入一個線性偏振光到擾偏器中，然后在輸出端接收DOP信號，其值小于0.04，且受輸入端的偏振效應影響不大，即輸入信號的偏振態已經不明顯了。本文還測試了系統的信號傳輸速率。首先，在輸入端輸入一個1比特的誤碼率信號，得到一個9．95328Gbps的數據后，再由RS245等接口進行數據轉換，可計算出系統的數據傳輸速率至少為12.5Gbps。光信號經過編碼之后，由擾偏器為第一節點，再經一個相應的PMD模擬器，最終生成一階和二階PMD。為了讓光功率可調，還專門設計了一個光功率放大設備。經過以上環節之后，最終可得到需要的BER。前文已敘及，系統對偏振非常敏感，偏振的速率更是直接關系到整個通信系統能否穩定和高效運行。第一，FEC的糾錯性能是有限的，當誤碼率超過其限制時則無能為力。第二，BER直接取決于PMD系統的性能，并且不是一成不變的，而是在不同的時刻有一定的浮動。當分光比為0.5時，PMD對系統的貢獻幾乎為0。分光比同時會隨擾偏效果表現出十分敏感的特性。因此，擾偏速度要達到某個特定的值時，FEC幀才可以實現高與低之間的切換，這樣就能保證系統的抗干擾性能。另外，擾偏器的振動也會影響到信號的傳輸效率，并使DGD產生振蕩。在理想情況下，該振動帶來的影響與70ps的定時振動效果類似，并且擾偏器速率越大，定時振動的頻率就越高，反之亦然。

5總結

本文主要研究了FEC的基本原理、高速光纖通信系統、FEC應用于高速光纖通信系統以及FEC和偏振擾偏技術結合運用于光纖通信系統。以此為基礎，對FEC編碼技術在光纖通信系統中的應用進行了研究，并提出了FEC編碼技術結合其他技術運用于光纖通信糾錯領域中的新方法。

作者:唐錫龍 單位:貴州大學明德學院

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