摘要：现代通信大多为高速光纤通信模式，在这种通信模式下，信号的传输会因受到偏振模色散影响而导致脉冲展宽，进而造成码间干扰，对系统传输性能与信号正常传输产生严重消极影响。为了降低码间干扰，前向纠错技术应运而生。本文围绕前向纠错技术，从前向纠错技术基本内容、光纤通信常用FEC编码类型，以及FEC编码在光纤通信中改善信号传输的作用机制几方面进行了重点探讨。
关键词：前向纠错技术；光纤通信；信号传输；性能改善
前言：自上世纪70年代光纤通信被逐步实用化以来，其便以惊人的速度和绝对的优势迅速占领通信市场，成为当代高速光纤通信的基础。经过几十年的研究发展，光纤通信已取得了重大发展成果，但在实际应用中因受到噪声干扰等原因，不可避免的会出现误码、乱码现象，降低通信服务质量，而采用前向纠错技术，则能够有效降低误码率，为信号安全可靠传输提供强有力保障。
1.前向纠错技术概述
在编码理论、远程通信理论中，前向纠错技术（FEC）是指数据在强噪声干扰、在不可靠条件下传输时，用于对错误进行控制的一种技术方法。前向纠错技术的核心思想是为发送方提供纠错码，使发送方通过使用纠错码来实现对信息的冗余编码，其具有引入级联信道编码、自动纠正传输过程中产生的错误码等特点。前向纠错技术的基本工作原理是使用一种算法为传输中的信息添加冗余部分，一个冗余位的值可能是原始信息中许多信息位的函数值，经编码后原始信息可能保持原样，也可能以其他形式存在，若原始信息包含在数据的编码中，则这类编码称为系统的，否则为非系统的[1]。
2.光纤通信常用FEC编码类型
前向纠错技术在长期不断的发展历程中，形成了多种纠错码，如汉明码、低密度奇偶校验码、级联码、RS码、BCH码、Turbo码、乘积码、卷积码等。
2.1汉明码
汉明码（20世纪40年代），是前向纠错技术中诞生的第一种纠错码，也是最早被应用于研究前向纠错技术在光纤通信领域中的编码类型，是美国著名数学家汉明在该领域研究中所取得的开创性发明成果。这种纠错码编码电路简单，性能好，易于实现，可以纠正单个的随机错误[2]。对于任意一个大于等于3的正整数，汉明码的码长、码率、校验元长度和信息元长度以及码的最小距离（d=3）都能够得以确定，而且当码长趋近于无穷时，码率趋近于1，表明汉明码是一种非常高效的纠正单个错误码的方法，且纠错率接近100%。
2.2RS码
RS码属于一种多进制的BCH码（一般所说的BCH码为二进制码），也属于一种极大最小距离可分码（MDS），拥有非常强大的纠错能力，不但能够纠正多个随机错误，而且还能够对突发的错误进行纠正，且在码率相同的条件下，纠错能力达到最强。此外，RS码还可以实现高速编译码，现已成为ITU-T G.975标准中的标准码型[3]。在综合考虑成本与编码复杂度两因素情况下，光纤通信系统采用RS码进行纠错是最为适用的一种码型。
3 FEC编码在光纤通信中对改善信号传输的作用机制
3.1FEC编码在不同调制格式下的性能
以40Gb/s的光纤通信系统配置为例，系统框架结构如图1。
图1FEC编码在光纤通信系统配置中的框架结构.png)
发射单元中的二进制伪随机序列经FEC编码（RS编码）和外调制器调制后，产生速率为40Gb/s的光信号。在不考虑偏振损耗和增益的条件下，为了保证与光信号带宽相匹配，利用传输矩阵对PMD模拟器频率范围进行计算，使其不低于信号带宽。为了使系统与信号取样频率间隔一致，两者间隔表示同一频率差，需要对传输矩阵进行插值处理。对单信道模拟器进行计算，得到两个偏振膜之间的差分群时延（DGD）最大为25ps，正好等于系统一个比特周期[4]。在上述处理基础上，鉴于模拟器最大模拟量为25ps，因而光纤通信系统传输速率宜设定为40Gb/s。
增益和自发辐射因子是预放大器的两个重要参数。由于一般情况下预放大器的输入信号很小，因而对其增益的处理我们可以认为预放大器的增益就是输入信号的增益。自发辐射因子与预放大器上下能级反转粒子有关，在粒子数完全反转的理想情况下，自发辐射因子值为1，计算时我们取2（3dB）。进入光滤波器内的噪声主要包括自发辐射之间的散粒噪声、差拍噪声，信号与自发辐射间的差拍噪声等，由于前一种噪声与光滤波器的带宽有关，因而光滤波器对这种噪声抑制更为有效，但在某些特殊条件下也不尽然。为了使光滤波器达到最佳的噪声抑制效果，需要确定出满足让误码率最小的最佳带宽。在O/E转换中，通常有平方检测和相干检测两种检测方式，这两种检测方式有着各自的特点，依据实际需要选择适合的检测方式[5]。经过检测的光电信号再经电放大器放大和滤波处理后输出，在这一环节中，电滤波器对光电信号的影响要比电放大器更大，因而对电滤波器性能的考虑需要综合考虑放大与滤波。
3.2FEC编码与补偿技术的有效结合
将FEC编码与补偿技术有机结合起来（如图2），结合后对信道差分时延进行计算，发现其主要集中在5ps，与之前相比明显减小。
图2FEC编码与补偿技术结合下的系统框图.png)
在传输速率为40Gb/s、差分群时延为16ps时，FEC编码与补偿技术结合前后所得信道眼图如图3所示，左图为未使用补偿技术、受PMD偏振膜色散影响的信道眼图，眼图恶化严重；右图为融入补偿技术后的信道眼图，可见补偿后信道眼图得到了有效的改善。通过对其他眼图补偿前后的变化对比分析，我们同样发现补偿技术与FEC编码的结合可以在一定程度上改善信道传输性能，提高信道容限，且在同一条件下，不同码容限提升的程度不同。
图3受PMD影响的信道眼图（左）.png)
，补偿后的眼图（右）.png)
总结：随着光纤通信技术的不断发展与光纤通信网络覆盖范围的不断扩大，前向纠错技术在保证信号正常稳定传输中的重要作用日益显现，并逐步得到了广泛的应用。前向纠错技术提供的多种纠错码有着各自的适用范围与条件，在光纤通信系统中的应用能够对信号传输性能进行有效改善。在未来光纤通信网络建设中，我国应加大对FEC编码的应用力度，充分发挥FEC编码纠错能力。
参考文献：
[1]王茹婷. 前向纠错技术在高速光纤通信中对改善信号传输性能的研究[D].北京邮电大学,2008.
[2]杜会峰. 前向纠错（FEC）技术在光通信网络中的应用及FEC性能测试[D].郑州大学,2007.
[3]李艳子. 超强前向纠错技术在100Gb/s WDM系统中的应用与研究[D].武汉邮电科学研究院,2012.
[4]颜菲. 应用于偏振模色散补偿系统中的前向纠错技术的研究[D].北京邮电大学,2011.
[5]罗超. 前向纠错在高速光纤通信系统中用于性能监测的研究[D].北京邮电大学,2006.
论文作者:文剑豪
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/11/21
标签：光纤通信论文; 前向论文; 技术论文; 信号论文; 信道论文; 噪声论文; 偏振论文; 《基层建设》2016年18期论文;