FEC在高速光纤通信中的运用

摘要：在大数据时代，通信系统已经走向了光通信时代，在城域网、骨干网中大量应用了高速光纤网络。高速光纤网络目前是光纤通信领域中的一个研究热点，而高速光纤通信系统中FEC是其一项重要技术。文章主要研究了FEC的相关原理、作用及工作方式，然后研究了FEC与其他技术结合运用于光纤通信系统中。通过研究FEC技术在高速光纤通信系统中的应用来研究高速光纤通信系统的组网与实际应用。

关键词：FEC编码；高速光纤通信；RS码智能光

网络中普遍采用的动态路由分配技术使光信号传输距离变得更加难以测量与估计，造成了PMD在传输过程中的叠加效应越来越严重，从而导致接收端信号质量的下降。PMD已经成为光纤通信系统传输速率提高的一个重要技术瓶颈，许多学者都试图寻找新的技术和新型器件来解决这个问题。

1FEC技术原理

在高速光网络通信系统中对通信的延时要求比较高，故往往采用了前向纠错（FEC）的方式。目前在FEC的应用中主要有以下三种编码方式：带外FEC、带内FEC以及并行FEC。这种分类方法实际上是根据FEC与SDH之间的关系来划分的。带外FEC在实际应用中使用更为广泛，最典型的是RS码，在本文中将以RS码为例研究FEC技术的基本原理。RS码的定义为：在有限域中GF（q），则码长n=q-1的本原BCH码称为RS码，其主要的特点为码元的符号域与根域均取自GF（q）上，因此，对于码长为n=q-1，设计距离为d的RS码而言，其生成多项式为：（1）通常m=0或1，q=2m，其中为本原域元素。在有限域GF（2m）中，且选择系统没码字编码方式，则RS（n，k）的码字为：C=（Cn-1，Cn-2，…，C1，C0）=（Mk-1，Mk-2，…，M1，M0，R2t-1，R2t-2，…，R1，R0），其中Mi为信息符号，Ri为校验符号，2t=n-k。因此，这种以多项式除法为基础的RS编码器只需要四步就能完成编码。（1）选择有限域上的本原多项式；（2）计算RS码的生成多项式；（3）计算信息多项式、校验多项式以及码字多项式；（4）RS码编码器完成多项式的除法，得到多项式的余式则完成了编码过程。在国际标准中，对于FEC的帧结构进行了定义。其结构图如图1所示。图1FEC子帧结构图由图可知，1个FEC子帧共有255bit，其中具有1bit的开销位，238bit的负载位，16bit的RS编码位，子帧之间的复用采用的是bit间插与字节间插共用的方式，其中8个FEC子帧采用的是bit间插，64个FEC子帧采用的是字节间插，FEC子帧的详细内容可以参阅G.709标准。

2高速光纤通信

光纤在理论是可以实现超高速通信的，目前已经实现了多种形式的高速光纤通信，下面本文将详细阐述这几种方法基本原理、主要优势和缺点、及其基本实现方法。要实现光在光纤中的高效传输，最关键的一点就是需要降低光纤损耗，其次还应使光纤达到至少25THz的传输带宽。就目前的应用而言，光纤的传输速大部分都低于几十Gbps，远低于理论的传输带宽25THz，这主要是由于信号在光纤传输过程中受到了损耗与色散的严重影响。目前实现高速光纤通信网络主要是通过在光域进行复用实现的，复用的方法有：频域复用、时域复用以及空域复用。所谓“光频复用“指的是在系统设计时，人为地使光载波处于不同的频段上。目前广泛使用的光频复用技术主要有三种：WDM、DWDM和FDM。这几种通信方式使用了不同的波长间隔，因此各有各的特征。在光纤通信发展初期，许多学者相信基于FDM－相干检测原理的光通信将大有作为，然而这种通信方式无论在经济上还是在技术上都远远超越了当时的水平。后来，自掺铒光纤放大器的发明使光纤通信领域发生了重大革命。传统的”光—电—光”中继方式一度被推翻，取而代之的是全新的EDFA技术。该技术的最大特点是能对在一根光纤中传播的多路光信号进行同一时间的放大，这一革命性技术不但大大降低了光中继系统的生产成本，而且减少了光纤中的能量损耗，使光纤的通信能力进一步提升。其中，WDM由于波长间隔较容易满足实际需要，于是很快就得到了推广。光时分复用（OTDM）具有与电时分复用（ETDM）类似的基本原理，它们的不同点仅仅是利用的物理介质不同，前者是光频利用，后者是电频利用。由于光时分的复用，光信号在光纤中传输的码速率有了很大的提升。与WDM相比，OTDM具有其十分独特的优势，最关键的是OTDM可以实现相当高的频带利用率。为了避免各路信号相互窜扰，WDM信道之间往往会预留一段频率宽度，这直接导致了WDM通信系统的频带利用率低下。为了解决这个问题，OTDM方法有了很大的改进，它使用了超短光脉冲进行通信，单个信号通道就能实现接近640Gbit/s的速率，超短光脉冲使光纤的频带得到了更高效的利用。由于传输只采用一个载波，OTDM系统在光纤传输时只需一个载波，信号的处理实现起来比较简单。OTDM技术的实现主要依赖于以下技术的成熟：超短光脉冲的发生，时分复用及解复用算法，时钟同步和时钟提取技术，超高速光脉冲的传输及检测。综上所述，OTDM确实具有比其它方法更高的通信效率。但这种基于超短光脉冲的OTDM技术仍然存在着一些缺点：首先，超短脉冲在光纤中的传输同样会受到色散的影响，从而造成衰减。其次，光开关的制造技术也还不能完全满足超高速率的光通信。

3FEC应用于高速光纤通信系统

最常采用的波分设备原理框图见图2。图2波分设备原理框图波分复用系统在发送信号之前，必须由前级设备——FEC编码器对负载信号进行编码。相反地，在系统的接收端，必须将负载信号进行FEC译码器解码，从而还原出各路信号，以便分别进行处理。FEC编码是一种重要的信道编码手段，主要用于通信链路的传输层，这种编码方法可以适应各种极端环境，使系统传输的误码率大大降低。在系统运行环境中传输信号误码率较高时，可以通过FEC编码降低传输的误码率，以实现较好的通信条件。采用了FEC编码技术的高速通信系统，对系统配置要求较低，实现起来较容易，能够在复杂恶劣的环境中稳定运行。与此同时也提高了光纤通信系统的其他性能指标，如：色散、非线性效应等。实验表明，通信传输的误码率在不高于10~12的情况下，并不影响数据的正常传输与处理。与其它系统相比，基于FEC的通信设备性能更优秀，其OSNR最小只需要满足15.5dB即可，而其它通信系统的OSNR必须至少在22dB以上才能保证通信系统的可靠性。为了对FEC系统的性能进行合理的评价，有学者提出了“编码增益“的概念。所谓的编码增益，是指通信系统在满足某一特定的误码率的条件下，是否采用编码手段对接收机最小光信噪比的影响，该影响表现为两者之间的差值。在研究如何衡量FEC性能的指标时，提出了编码增益这样一个指标，它的定义为在满足一定误码率要求的情况下，采用或不采用编码技术时接收机所采用的最小光信噪比的差值。在一般情况下，FEC实现的编码增益大概在6.5dB左右。

4FEC和偏振扰偏技术结合运用于光纤通信系统

系统框图如图1所示。为了避免光偏振带来的不利影响，该系统配置了两种不同状态的LiNb03波形偏振扰偏器来消除光波的偏振，正弦信号产生器的作用是驱动扰偏器，它的频率可在0~10MHz之间随意调整，扰偏的速度即通常所说的驱动频率。由于偏振对系统的性能影响极大，因此必须对扰偏器的性能进行严格测试，常用的方法是输入一个线性偏振光到扰偏器中，然后在输出端接收DOP信号，其值小于0.04，且受输入端的偏振效应影响不大，即输入信号的偏振态已经不明显了。本文还测试了系统的信号传输速率。首先，在输入端输入一个1比特的误码率信号，得到一个9．95328Gbps的数据后，再由RS245等接口进行数据转换，可计算出系统的数据传输速率至少为12.5Gbps。光信号经过编码之后，由扰偏器为第一节点，再经一个相应的PMD模拟器，最终生成一阶和二阶PMD。为了让光功率可调，还专门设计了一个光功率放大设备。经过以上环节之后，最终可得到需要的BER。前文已叙及，系统对偏振非常敏感，偏振的速率更是直接关系到整个通信系统能否稳定和高效运行。第一，FEC的纠错性能是有限的，当误码率超过其限制时则无能为力。第二，BER直接取决于PMD系统的性能，并且不是一成不变的，而是在不同的时刻有一定的浮动。当分光比为0.5时，PMD对系统的贡献几乎为0。分光比同时会随扰偏效果表现出十分敏感的特性。因此，扰偏速度要达到某个特定的值时，FEC帧才可以实现高与低之间的切换，这样就能保证系统的抗干扰性能。另外，扰偏器的振动也会影响到信号的传输效率，并使DGD产生振荡。在理想情况下，该振动带来的影响与70ps的定时振动效果类似，并且扰偏器速率越大，定时振动的频率就越高，反之亦然。

5总结

本文主要研究了FEC的基本原理、高速光纤通信系统、FEC应用于高速光纤通信系统以及FEC和偏振扰偏技术结合运用于光纤通信系统。以此为基础，对FEC编码技术在光纤通信系统中的应用进行了研究，并提出了FEC编码技术结合其他技术运用于光纤通信纠错领域中的新方法。

作者:唐锡龙 单位:贵州大学明德学院

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