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摘要：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，通信系統(tǒng)已經(jīng)走向了光通信時(shí)代，在城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)中大量應(yīng)用了高速光纖網(wǎng)絡(luò)。高速光纖網(wǎng)絡(luò)目前是光纖通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，而高速光纖通信系統(tǒng)中fec是其一項(xiàng)重要技術(shù)。文章主要研究了FEC的相關(guān)原理、作用及工作方式，然后研究了FEC與其他技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于光纖通信系統(tǒng)中。通過研究FEC技術(shù)在高速光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用來研究高速光纖通信系統(tǒng)的組網(wǎng)與實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：FEC編碼；高速光纖通信；RS碼智能光

網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的動(dòng)態(tài)路由分配技術(shù)使光信號(hào)傳輸距離變得更加難以測(cè)量與估計(jì)，造成了PMD在傳輸過程中的疊加效應(yīng)越來越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致接收端信號(hào)質(zhì)量的下降。PMD已經(jīng)成為光纖通信系統(tǒng)傳輸速率提高的一個(gè)重要技術(shù)瓶頸，許多學(xué)者都試圖尋找新的技術(shù)和新型器件來解決這個(gè)問題。

1FEC技術(shù)原理

在高速光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中對(duì)通信的延時(shí)要求比較高，故往往采用了前向糾錯(cuò)（FEC）的方式。目前在FEC的應(yīng)用中主要有以下三種編碼方式：帶外FEC、帶內(nèi)FEC以及并行FEC。這種分類方法實(shí)際上是根據(jù)FEC與SDH之間的關(guān)系來劃分的。帶外FEC在實(shí)際應(yīng)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(shù)的基本原理。RS碼的定義為：在有限域中GF（q），則碼長(zhǎng)n=q-1的本原BCH碼稱為RS碼，其主要的特點(diǎn)為碼元的符號(hào)域與根域均取自GF（q）上，因此，對(duì)于碼長(zhǎng)為n=q-1，設(shè)計(jì)距離為d的RS碼而言，其生成多項(xiàng)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(tǒng)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(hào)，Ri為校驗(yàn)符號(hào)，2t=n-k。因此，這種以多項(xiàng)式除法為基礎(chǔ)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(xiàng)式；（2）計(jì)算RS碼的生成多項(xiàng)式；（3）計(jì)算信息多項(xiàng)式、校驗(yàn)多項(xiàng)式以及碼字多項(xiàng)式；（4）RS碼編碼器完成多項(xiàng)式的除法，得到多項(xiàng)式的余式則完成了編碼過程。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于FEC的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1FEC子幀結(jié)構(gòu)圖由圖可知，1個(gè)FEC子幀共有255bit，其中具有1bit的開銷位，238bit的負(fù)載位，16bit的RS編碼位，子幀之間的復(fù)用采用的是bit間插與字節(jié)間插共用的方式，其中8個(gè)FEC子幀采用的是bit間插，64個(gè)FEC子幀采用的是字節(jié)間插，F(xiàn)EC子幀的詳細(xì)內(nèi)容可以參閱G.709標(biāo)準(zhǔn)。

2高速光纖通信

光纖在理論是可以實(shí)現(xiàn)超高速通信的，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種形式的高速光纖通信，下面本文將詳細(xì)闡述這幾種方法基本原理、主要優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)、及其基本實(shí)現(xiàn)方法。要實(shí)現(xiàn)光在光纖中的高效傳輸，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是需要降低光纖損耗，其次還應(yīng)使光纖達(dá)到至少25THz的傳輸帶寬。就目前的應(yīng)用而言，光纖的傳輸速大部分都低于幾十Gbps，遠(yuǎn)低于理論的傳輸帶寬25THz，這主要是由于信號(hào)在光纖傳輸過程中受到了損耗與色散的嚴(yán)重影響。目前實(shí)現(xiàn)高速光纖通信網(wǎng)絡(luò)主要是通過在光域進(jìn)行復(fù)用實(shí)現(xiàn)的，復(fù)用的方法有：頻域復(fù)用、時(shí)域復(fù)用以及空域復(fù)用。所謂“光頻復(fù)用“指的是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(fù)用技術(shù)主要有三種：WDM、DWDM和FDM。這幾種通信方式使用了不同的波長(zhǎng)間隔，因此各有各的特征。在光纖通信發(fā)展初期，許多學(xué)者相信基于FDM－相干檢測(cè)原理的光通信將大有作為，然而這種通信方式無論在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了當(dāng)時(shí)的水平。后來，自摻鉺光纖放大器的發(fā)明使光纖通信領(lǐng)域發(fā)生了重大革命。傳統(tǒng)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(shù)。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是能對(duì)在一根光纖中傳播的多路光信號(hào)進(jìn)行同一時(shí)間的放大，這一革命性技術(shù)不但大大降低了光中繼系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，而且減少了光纖中的能量損耗，使光纖的通信能力進(jìn)一步提升。其中，WDM由于波長(zhǎng)間隔較容易滿足實(shí)際需要，于是很快就得到了推廣。光時(shí)分復(fù)用（OTDM）具有與電時(shí)分復(fù)用（ETDM）類似的基本原理，它們的不同點(diǎn)僅僅是利用的物理介質(zhì)不同，前者是光頻利用，后者是電頻利用。由于光時(shí)分的復(fù)用，光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)拇a速率有了很大的提升。與WDM相比，OTDM具有其十分獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，最關(guān)鍵的是OTDM可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的頻帶利用率。為了避免各路信號(hào)相互竄擾，WDM信道之間往往會(huì)預(yù)留一段頻率寬度，這直接導(dǎo)致了WDM通信系統(tǒng)的頻帶利用率低下。為了解決這個(gè)問題，OTDM方法有了很大的改進(jìn)，它使用了超短光脈沖進(jìn)行通信，單個(gè)信號(hào)通道就能實(shí)現(xiàn)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(gè)載波，OTDM系統(tǒng)在光纖傳輸時(shí)只需一個(gè)載波，信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單。OTDM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于以下技術(shù)的成熟：超短光脈沖的發(fā)生，時(shí)分復(fù)用及解復(fù)用算法，時(shí)鐘同步和時(shí)鐘提取技術(shù)，超高速光脈沖的傳輸及檢測(cè)。綜上所述，OTDM確實(shí)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(shù)仍然存在著一些缺點(diǎn)：首先，超短脈沖在光纖中的傳輸同樣會(huì)受到色散的影響，從而造成衰減。其次，光開關(guān)的制造技術(shù)也還不能完全滿足超高速率的光通信。

3FEC應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)

最常采用的波分設(shè)備原理框圖見圖2。圖2波分設(shè)備原理框圖波分復(fù)用系統(tǒng)在發(fā)送信號(hào)之前，必須由前級(jí)設(shè)備——FEC編碼器對(duì)負(fù)載信號(hào)進(jìn)行編碼。相反地，在系統(tǒng)的接收端，必須將負(fù)載信號(hào)進(jìn)行FEC譯碼器解碼，從而還原出各路信號(hào)，以便分別進(jìn)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(yīng)各種極端環(huán)境，使系統(tǒng)傳輸?shù)恼`碼率大大降低。在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中傳輸信號(hào)誤碼率較高時(shí)，可以通過FEC編碼降低傳輸?shù)恼`碼率，以實(shí)現(xiàn)較好的通信條件。采用了FEC編碼技術(shù)的高速通信系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)配置要求較低，實(shí)現(xiàn)起來較容易，能夠在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。與此同時(shí)也提高了光纖通信系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)，如：色散、非線性效應(yīng)等。實(shí)驗(yàn)表明，通信傳輸?shù)恼`碼率在不高于10~12的情況下，并不影響數(shù)據(jù)的正常傳輸與處理。與其它系統(tǒng)相比，基于FEC的通信設(shè)備性能更優(yōu)秀，其OSNR最小只需要滿足15.5dB即可，而其它通信系統(tǒng)的OSNR必須至少在22dB以上才能保證通信系統(tǒng)的可靠性。為了對(duì)FEC系統(tǒng)的性能進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，有學(xué)者提出了“編碼增益“的概念。所謂的編碼增益，是指通信系統(tǒng)在滿足某一特定的誤碼率的條件下，是否采用編碼手段對(duì)接收機(jī)最小光信噪比的影響，該影響表現(xiàn)為兩者之間的差值。在研究如何衡量FEC性能的指標(biāo)時(shí)，提出了編碼增益這樣一個(gè)指標(biāo)，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(shù)時(shí)接收機(jī)所采用的最小光信噪比的差值。在一般情況下，F(xiàn)EC實(shí)現(xiàn)的編碼增益大概在6.5dB左右。

4FEC和偏振擾偏技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于光纖通信系統(tǒng)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。為了避免光偏振帶來的不利影響，該系統(tǒng)配置了兩種不同狀態(tài)的LiNb03波形偏振擾偏器來消除光波的偏振，正弦信號(hào)產(chǎn)生器的作用是驅(qū)動(dòng)擾偏器，它的頻率可在0~10MHz之間隨意調(diào)整，擾偏的速度即通常所說的驅(qū)動(dòng)頻率。由于偏振對(duì)系統(tǒng)的性能影響極大，因此必須對(duì)擾偏器的性能進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，常用的方法是輸入一個(gè)線性偏振光到擾偏器中，然后在輸出端接收DOP信號(hào)，其值小于0.04，且受輸入端的偏振效應(yīng)影響不大，即輸入信號(hào)的偏振態(tài)已經(jīng)不明顯了。本文還測(cè)試了系統(tǒng)的信號(hào)傳輸速率。首先，在輸入端輸入一個(gè)1比特的誤碼率信號(hào)，得到一個(gè)9．95328Gbps的數(shù)據(jù)后，再由RS245等接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可計(jì)算出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率至少為12.5Gbps。光信號(hào)經(jīng)過編碼之后，由擾偏器為第一節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)一個(gè)相應(yīng)的PMD模擬器，最終生成一階和二階PMD。為了讓光功率可調(diào)，還專門設(shè)計(jì)了一個(gè)光功率放大設(shè)備。經(jīng)過以上環(huán)節(jié)之后，最終可得到需要的BER。前文已敘及，系統(tǒng)對(duì)偏振非常敏感，偏振的速率更是直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)能否穩(wěn)定和高效運(yùn)行。第一，F(xiàn)EC的糾錯(cuò)性能是有限的，當(dāng)誤碼率超過其限制時(shí)則無能為力。第二，BER直接取決于PMD系統(tǒng)的性能，并且不是一成不變的，而是在不同的時(shí)刻有一定的浮動(dòng)。當(dāng)分光比為0.5時(shí)，PMD對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)幾乎為0。分光比同時(shí)會(huì)隨擾偏效果表現(xiàn)出十分敏感的特性。因此，擾偏速度要達(dá)到某個(gè)特定的值時(shí)，F(xiàn)EC幀才可以實(shí)現(xiàn)高與低之間的切換，這樣就能保證系統(tǒng)的抗干擾性能。另外，擾偏器的振動(dòng)也會(huì)影響到信號(hào)的傳輸效率，并使DGD產(chǎn)生振蕩。在理想情況下，該振動(dòng)帶來的影響與70ps的定時(shí)振動(dòng)效果類似，并且擾偏器速率越大，定時(shí)振動(dòng)的頻率就越高，反之亦然。

5總結(jié)

本文主要研究了FEC的基本原理、高速光纖通信系統(tǒng)、FEC應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)以及FEC和偏振擾偏技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于光纖通信系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，對(duì)FEC編碼技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并提出了FEC編碼技術(shù)結(jié)合其他技術(shù)運(yùn)用于光纖通信糾錯(cuò)領(lǐng)域中的新方法。

作者:唐錫龍 單位:貴州大學(xué)明德學(xué)院

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