（通信与信息系统专业论文）光传输系统中fec的研究与应用.pdf

武汉邮电科学研究院硕士论文 摘要 前向纠错( f e c ) 技术目前已经被广泛地应用于光传输系统中，通过在信号中 加入少量的冗余信息来发现并纠正误码，降低接收端的光信噪比( o s n r ) 容限。 光传输系统设计中可采用f e c 技术来解决下列问题：用最小的光功率保证最大的 数据准确性，给既定的光纤链路分配最少的中继段数，使光纤非线性效应的影响 最小化。经由适当的纠错系统设计，f e c 技术使得系统可以在入纤功率、系统误 码率与系统设计复杂度之间取得一个极佳的平衡。因此，人们不断研究新型的f e c 编码类型并将f e c 技术的设计与应用付诸实践，用获得的编码增益来应对光传输 系统迅猛发展的需求。 要实现f e c 技术在光传输系统中的实际应用，首先就要对f e c 编码的基本原 理进行了解。所以在本文的第2 章首先介绍了纠错编码的编码原理、编码思想和 编码分类。在对光传输系统的特点分析的基础上，总结了f e c 码型的构造原则。 第3 章主要研究了光传输系统中常用的f e c 编码技术，分析了带内f e c 和带 外f e c 的原理、算法和帧结构。最后对具有更强纠错能力的超强f e c 进行了简要 的介绍，对其中的b t c 和l d p c 码的编译码原理进行了说明。 编码增益是衡量f e c 编码性能的主要指标，本文在第4 章对其进行了系统的 研究。首先用理论计算的方法给出了编码增益的计算过程，并对r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 和b c h ( 4 3 5 9 ，4 3 2 0 ) 的纠错性能进行了比较。然后采用2 种实验方法对r s ( 2 5 5 ， 2 3 9 ) 的编码增益进行了测试，并比较了测试方法的科学性。 在对f e c 技术的理论研究的基础上，第5 章给出了在双向转发器中集成f e c 技术的具体设计方法，对各个功能模块进行了详细的说明，针对s d h 刖d m 系统 的指标要求对器件进行了选型，最后对整个f e c o e o 的工作原理进行了说明。 第6 章分析了印制电路板( p c b ) 设计中的多个注意事项，通过对传输线和电 源系统的合理设计来增强f e c 设备的抗干扰能力和稳定性，最后通过极限指标测 试、高温和温循3 个实验对上述性能进行了验证，并对f e c o e o 的实际应用做了 实验研究。 关键词：光传输系统；前向纠错；编码增益；b c h 码；r s 码 武汉邮电科学研究院硕士论文 a b s t r a c t f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ( f e c ) t e c h n o l o g i e sa r ec u r r e n t l yw i d e l yd e p l o y e di no p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m s b ya d d i n gas m a l lq u a n t i t yo ft h er e d u n d a n ti n f o r m a t i o ni nt h e s i g n a l ，e r r o r sc a nb ef o u n da n dc o r r e c t e d ，i nt h i sw a y ：t h et o l e r a n c eo ft h eo p t i c a ls i g n a l n o i s er a t i o ( o s n r ) f o rt h er e c e i v i n ge n dc a nb er e d u c e d f e ca r ec o m m o n l yu s e di n o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m st oe n s u r eh i 曲e s ta c c u r a c yo f d a t at r a n s m i s s i o nw i t h l o w e s to p t i c a lp o w e r , a n dt ok e e pam i n i m u mn u m b e ro ft h er e p e a t e r st h a ti sr e q u i r e d f o rag i v e no p t i c a lf m e rs p a n ，a n dm e a n w h i l e ，t om i n i m i z et h en o n l i n e a r i t ye f f e c t s w i t h i nt h et r a n s m i s s i o nf i b e r a p p r o p r i a t ed e s i g no fe r r o r - c o r r e c t i n gs y s t e m se n a b l ea n e x c e l l e n tt r a d e o f fa m o n gi n p u tp o w e ri n t of i b e r , s y s t e mb i te r r o rr a t i o ( b e r ) a n d s y s t e mc o m p l e x i t y t h e r e f o r e ，t om e e t t h e i n c r e a s i n g d e m a n df r o m o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，n o v e lt y p e so ff e cc o d ea x ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p e dt o a c h i e v ec o d i n gg a i n ( c g ) t h eb a s i cp r i n c i p a lo ff e cc o d i n gi se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt ot h er e a l i z a t i o no ff e c i no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h e r e f o r e ，i nc h a p t e r2 ，t h ec o d i n gp r i n c i p l e s ，c o d i n g c l u e sa n dc o d i n gc l a s s e sh a v eb e e ni n t r o d u c e d ；t h e nb a s e do nt h ea n a l y s e so nt h e c h a r a c t e r i s t i co fo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ；t h ec o n s t r u c t i o np r i n c i p l e so ff e cc o d e t y p e sh a v eb e e ns u m m a r i z e d i nc h a p t e r3 ，t h ec l a s s i cf e c c o d i n gt e c h n o l o g i e si no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m s h a v eb e e ns t u d i e da n da n a l y s i sh a sb e e nm a d eo nt h ep r i n c i p l e s ，a l g o r i t h m sa n df r a m e s t r u c t u r e so fb o t hi n b a n df e ca n do u t - b a n df e c f i n a l l y , ab r i e fi n t r o d u c t i o no n s u p e r - f e c ( w i t hm o r ep o w e r f u le r r o r c o r r e c tp e r f o r m a n c e ) ，t h ec o d i n g d e c o d i n g p r i n c i p l e so fb l o c kt u r b oc o d e ( b t c ) a n dl o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ( l d p c ) a t ea l s o i n c l u d e di nt h i sp a r t c o d i n gg a i n ( c g ) i st h ek e yp a r a m e t e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ff e c c o d e s i nc h a p t e r4 s y s t e m a t i cr e s e a r c h e sa r eh a v eb e e nm a d eo nt h i s ：f i r s t l yt h ec a l c u l a t i n g p r o c e s s e so fc gi sg i v e nb ya r i t h m e t i c a la n a l y s i s ，t h e nc o m p a r i s o n sa r em a d eo n e r r o r - c o r r e c t i n gc a p a c i t yb e t w e e nr s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) c o d ea n db c h ( 4 3 5 9 ，4 3 2 0 ) c o d e 武汉邮电科学研究院硕士论文 f i n a l l y , t w oe x p e r i m e n t a lm e t h o d sh a v e b e e nu s e dt ov e r i f yt h ec o d i n gg a i no fr s ( 2 5 5 ， 2 3 9 ) c o d e ，v a l i d i t yo ft h et w om e t h o d sh a sa l s ob e e nc o m p a r e d b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s e so ff e c ，i nc h a p t e r5t h ed e t a i l e df e c d e s i g n i n g m e t h o do fh o wt oi n t e g r a t ef e ci n t ob i d i r e c t i o n a lo e oh a sb e e ni n t r o d u c e d f i r s t l y , e a c hf u n c t i o nm o d u l e sh a sb e e nd e t a i l e de x p l a i n e d ；t h e nf e ce q u i p m e n th a sb e e n s e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e dr e q u i r e m e n t so fs d h w d ms y s t e m s f i n a l l y , t h e o p e r a t i n gm e c h a n i s m so ft h ew h o l ef e ce q u i p m e n ta r ee x p l a i n e d i nc h a p t e r6 ，t h ep r e c a u t i o n sd u r i n gp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) d e s i g nh a v eb e e n i n t r o d u c e d r e a s o n a b l ed e s i g no ft r a n s m i s s i o nl i n e sa n dp o w e rs y s t e mc a nh e l pt o e n h a n c et h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n dt h u sm a k et h ee q u i p m e n tm o r es t a b l e a tt h ee n d o ft h i sc h a p t e r , t h ec o n c l u s i o na b o v e m e n t i o n e dh a sb e e nv e r i f i e db yt e s t i n gu l t i m a t e p a r a m e t e r sa n dr e l i a b i l i t yu n d e re x t r e m ea l i m e n tc o n d i t i o n s ( h i g h - t e m p e r a t u r ea n d t h e r m o c y c l i n g ) ，a n da na c t u a la p p l i c a t i o nc a s ei nu l t r al o n gh a u lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m sh a sb e e np r e s e n t e d k e yw o r d s ：o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，c o d i n gg a i n ，b c h c o d e ，r e e d s o l o m o nc o d e 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着网络时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。大量的需求下许多新技术和 新业务不断涌现，导致全球平稳增长的信息量呈指数上升，通信业务由传统单一的电 话业务转向高速坤数据和多媒体为代表的宽带业务，对传统电信业务带来巨大冲击 的同时，也为通信网的发展提出了更高的要求和新的机遇【1 】。 人们一直在寻找能承载如此巨大信息容量的传输系统，所以在光传输系统诞生之 初，人们就期望其向更高速、更长距方向发展。光纤通信的诞生与发展是电信史上的 一次重要革命，其容量发展速度超过了由摩尔定律限定的电交换机和路由器的发展速 度，而且也超过了数据业务的增长速度，成为历史上发展最快的技术领域之一【翔。人 们对通信事业的不断探索和不懈努力使得光传输技术在过去的短短几十年里得到了 突飞猛进的发展。光纤存在的巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速、大容 量传输的最理想的传输媒质。从过去的2 0 多年的光通信发展史看，商用系统的速率 已从4 5 m b i t s ，增加到1 0 g b i t s ，4 0g b i t s 系统也已进入实用化阶段，进一步增加传 输系统的容量、降低每比特传输成本的唯一出路，就是转向使用光波分复用( w d m ) 技术【1 1 。 光纤通信系统问世以来，一直向着两个目标不断发展。一是延长中继( 再生) 距 离，二是提高系统容量，也就是所谓的向超高容量和超长距离两个方向发剧1 1 。然而 光纤通信系统的许多不利因素影响了其传输性能。传输的有效性和可靠性是一对矛盾 体。更高的单信道速率和更小的信道间隔意味着色散、色散斜率、偏振模色散、非线 性效应( 四波混频，交叉相位调制等) 等性能，提出新的严格要求u 】。想要更长的传 输距离，就要引入光放大器，同时也带来了放大自发辐射噪声积累，对接收机性能的 要求也会提高，这些都成为了限制系统性能提高的主要因素。这些问题会引起光传输 系统中误码的产生，降低通信的可靠性。通信可靠性的降低最终又制约了通信质量的 武汉邮电科学研究院硕士论文 提高，大规模波分复用系统的应用以及通信设备成本的降低等等，因而会阻碍通信系 统的发展。 市场的需求决定着技术的发展，因此业界开始致力于改善器件性能，加大信号发 射端功率等措施的研究，以降低这些不利因素。但随着光通信速率、传输容量和传输 距离的不断增加，就会引发光传输系统中噪声的大量积累，如果保持发射机发射功率 不变，会在接收端带来光信噪比的下降，这会给接收机带来很大的压力。而如果加大 发射功率，则有可能对发射机提出苛刻的要求，同时发射功率的加大会带来光传输系 统中非线性效应的严重增大，从而引发更多的噪声，依然有可能带来接收端光信噪比 的下降，并给接收机提出过分的接收灵敏度要求；而且加大发射功率又会大大增加成 本，增加系统器件负担。由于目前器件性能的提高已经没有多少潜力可挖，改善器件 的性能势必会带来光传输系统成本的极大增加，因此，这些都不是理想的方案【3 1 。 前向纠错( f e c ) 技术在光传输系统中的应用在系统的速率和可靠性之间找到了 一个最佳的平衡点，它通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并剔除传输过程中由 噪声引起的误码，力求以较低的成本和较小的带宽损失换取高质量的传输【1 1 。采用 f e c 技术来降低系统的误码率，不过多的改变系统已有的硬件设施和增加系统的成 本，却可以明显改善光传输网的误码率性能，从而提高系统的可靠性。因此，在第一 代光传输系统中没有采用的f e c 技术目前已经被广泛的应用到超长距离光传输系统 中【3 】o f e c 技术最早在超长距离的海底光缆系统中得到应用1 5 】，f e c 在无线通信系统和 数据通信系统中的应用也已经得到了广泛的认同，在海底光缆系统中的应用也取得了 显著的成果。理论与实践均已证明f e c 是改善长途大容量光传输系统性能的一种有 效方法。在光传输系统中利用f e c 可以使系统能够容许光传输线路中f e c 解码前有 较大的线路误码率，f e c 的应用容许放宽对系统的光参数的要求和以较低的成本构建 长途大容量光传输系统。 f e c 技术在帮助光传输系统提高性能的同时，自身也得到的快速的发展。从编码 增益3 、4 d b 的带内f e c 到编码增益5 、6 d b 的带外f e c l 4 s l ，再到编码增益可达1 0 d b 以上的超强f e c f 6 - 7 1 ，f e c 技术在应对光传输系统不断增加的挑战中得到了发展与创 新，在光传输系统中起着越来越重要的作用。可以预计，f e c 技术将在下一代光传输 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 系统中扮演越来越重要的角色。研究f e c 及其实用化技术已经成为一个热门话题， 本课题正是基于上述应用背景展开的研究。 1 1 2 研究意义 在光传输系统中，有多种产生误码的源，例如：光放大器的自发辐射噪声( a s e ) 、 光纤群速色散( g v d ) 、光纤偏振模色散( p m d ) 等。另外，非线性效应，例j t t l ：自 相位调制( s p m ) 、受激布里渊散射( s b s ) 、单信道系统中的调制不稳定性( m i ) 、 多信道系统中的交叉相位调制( x p m ) 及四波混频( f w m ) 和受激拉曼( r a m a n ) 散射( s r s ) 等都可能劣化信号的性能。已经证明在o s n r 受限系统和色散受限系统 中应用f e c 技术是非常有效的。就非线性效应而言，降低输出功率将导致o s n r 降 低，对此，f e c 技术将十分有用。但是f e c 技术对消除p m d 的影响不太有效。如果 能够对误码的统计特性做出假定，则利用f e c 可以放宽对光参数的要求，提高系统 能力。f e c 的技术优势可概括如下【1 】： ( 1 ) 放宽对发射机和或接收机特性的要求 在最大限度放宽时，可以把最大b e r 从1 0 e 1 2 放宽，这就容许降低判决电路 处的信号噪声比。假定一个没f e c 的参考系统中某一给定o s n r 能足够产生所要求 的b e r ，则加入f e c 到系统中所提供的编码增益可以被用来放宽对发射机和或接收 机中部件的要求。可以有许多参数因此而受益，例如：总的发射功率、眼图模板、消 光比、p i n 接收机的电噪声、光前置放大器的噪声数值、解复用滤波器的隔离度，或 者在一定程度上改善在判决前决定符号间干扰和噪声带宽的接收机转移函数的特性 脑 奇o ( 2 ) 降低输出功率电平以节省泵浦功率 利用净编码增益( n c g ) 值降低发射机和线路放大器的输出功率电平可以减低光 放大链路末端的o s n r ，以及可降低相关的较高的电噪声，因而较高的b e r 可以通 过f e c 得到补偿。同样的原理可以适用于具有光前置放大接收机的单跨段应用。在 没有光前置放大接收机的单跨段系统中，利用f e c 可以使发射机的输出功率节省值 为n c g 值的一半。 ( 3 ) 降低功率电平以避免非线性 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 在其他参数不变的情况下，降低光放大器的输出和输入功率电平将使系统由受非 线性效应限制的系统变成为o s n r 受限系统。根据n c g 值( 或更大) ，降低其功率 是可行的，例如，在功率电平降低后，g 6 5 2 和g 6 5 5 光纤的多信道系统参数也可能 适用于g 6 5 3 光纤，因此一种共用的系统规范可能对所有光纤类型均适用。 ( 4 ) 增加最大跨段衰减 如果多个跨段的系统不是色度色散受限系统( 例如利用色散容纳的g 6 5 2 光纤， 或g 6 5 3 、g 6 5 5 光纤) ，则利用f e c 可以扩展目标跨段距离。每个线路放大器的输 入功率都可以减少等于净编码增益的数值，所以最大跨段衰减可以增加等于净编码增 益的数值( 最大情况) 。这时，有可能除去比规定损耗稍大的系统中不必要的中继器。 在没有前置放大器的单跨段系统中，最大通道衰减的增加仅为n c g 值的一半，这是 因为这时系统是受接收机电噪声限制。 ( 5 ) 增加长途系统的最大跨段数 如果色度色散和偏振模色散不是系统受限的因素( 即系统是o s n r 受限系统) ， 则通过增加跨段( 以及线路放大器) 数可以经济地扩展长途系统的总的目标距离。如 果每段的衰减相同且保持不变，跨段的最大数量可以增加到n c g 倍。在标准带外f e c 情况下，目标距离可以增加到约4 倍。 ( 6 ) 增加高容量系统的信道数 如果多跨段系统受到光放大器输出功率的限制，则利用f e c 可以把信道数增加 到n c g 倍。在标准带外f e c 情况下，信道数可以增加到约4 倍。应该注意，只要参 考系统不受非线性效应的影响( 可以通过降低信道功率来改变它) ，均可使用f e c 技 术的方法来增加信道数。 随着光传输技术的日益发展，在光传输系统中就会势不可挡的广泛应用f e c 技 术来改善系统性能。近年来，国际电信联盟电信标准化部门( i t u t ) 也展开了对f e c 的研究，相继推出了若干与此相关的建议( 如g 7 0 7 、g 9 7 5 、g 7 0 9 、g 9 7 5 1 等) 4 - 7 1 。 f e c 技术已成为目前高速光传输系统中运用最多的纠错编码方式，逐渐发展出来 一整套f e c 编码方案，应用的码型越来越多，从带内到带外的编码增益的不断提高， 光传输系统的性能也不断改善。随着高速超长距离光传输系统的发展，对更高增益的 f e c 技术的呼声越来越高，再次掀起了研究f e c 技术的热潮。本文本着上述的目的 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 展开研究，并做了一系列相关试验。 综上所述，展开本课题的研究对光传输系统的发展具有重要的参考和实践意义。 1 2 国内外研究现状 现代纠错码技术是由一些对通信系统感兴趣的数学家们和对数学有着深厚功底 的工程师们在近5 0 多年中发展起来的。1 9 4 8 年，法国数学家香农( s h a n n o n ) 在其 划时代的伟大论文通信系统数学理论( “m a t h e m a t i c a lt h e o r yo fc o m m u n i c a t i o n ) 中，推导了连续信道在附加高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i o nn o i s e ) 下的信道容 量，即著名的s h a n n o n 公式，提出了通信系统传输能力的极限1 8 j ；汉明( h a m m i n g ) 于1 9 4 9 年提出了可纠正单个随机错误的汉明码；e l i a s1 9 5 4 年提出乘积码的概念并在 1 9 5 5 年发明卷积码 9 1 ；普朗基( p r a n g e ) 于1 9 5 7 年提出了循环码的概念；随后b o s e 、 c h a u d h u r i 和h o c q u e g h e m 于1 9 6 0 年发明了一类能纠正多个随机错误的循环码一 b c h 码【1 0 2 1 ；1 9 6 0 年m i t l i n c o l n 实验室的r e e d 和s o l o m o n 发布了论文“p o l y n o m i a l c o d e so v e rc e r t a i nf i n i t ef i e l d s ”，构造出一类纠错能力很强的多进制b c h 码，这就是 r s ( r e e d s o l o m o n ) 码【1 3 】。1 9 9 3 年2 位法国教授b e r r o u 、g l a c i e u x 和他们的缅甸籍 博士生t h i t i m a j s h i m a 在i c c 会议上发表的“n e a rs h a n n o nl i m i te r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n g a n dd e c o d i n g ：t u r b oc o d e s ”，提出了一种全新的编码方式- t l l r b o 码【1 4 l ，它代表着超 强f e c 时代的到来。而t u r b o 码的出现也解决了麻省理工学院的r o b e r tg a l l a g e r1 9 5 3 年在他的博士论文中提出的低密度校验( l d p c ) 码【1 5 】的译码问题，使得l d p c 码重 新回到人们的视野，成为超强f e c 编码方案中倍受关注的一员。 作为信道编码的前向纠错码，利用它改进系统的传输性能并不是一种全新的技 术，在无线通信技术中早已获得成功的应用，在早期的多模光通信技术中也有成功的 试验。近来随着光通信传输速率的提高以及传输距离的进一步扩展，光通信的预算值 成为十分关键的限制因素，前向纠错技术再次引起人们的注意并获得了广泛的应用， 成为高速率长距离光传输系统的重要使能技术。 在光纤通信系统中，f e c 首先应用于海缆通信系统【5 l 。与陆缆不同，海缆受海洋 水文地质的限制，其再生站不能像陆地光缆通信系统那样较自由地进行设置。对于超 长距离，虽然可通过降低光纤损耗，增大激光器发射功率来达到。然而受非线性限制， 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 激光器的发射功率不能提高，而对于目前的石英光纤来说，进一步降低光纤衰耗目前 也难以做到。作为一种解决方案，r r u t 于1 9 9 6 年颁布的g 9 7 5 建议采用了f e c 功 能作为海缆通信标准的一部分，提出了带外f e c - 叫s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码【5 1 ，在2 0 0 0 年4 月通过的新草案中，新增了1 0 g b i t s 系统的f e c 功能作为选项。1 9 9 6 年的u t g 7 0 7 中也明确提出了在s d h 帧结构中采用带内f e c 技术【4 1 。删t 推出的一系列标 准中，2 0 0 1 年2 月推出的g 7 0 9 建议的意义最重大，它指出了光联网的技术基础，其 核心内容就是数字包封技术，它定义了一种特殊的帧格式，在帧尾提供了前向纠错字 节，并且定义了专用于数字包封技术的r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码【6 1 。 对长距离的光传输系统来说，目前r s 编码及其算法运用最广，实际上它还普遍 地运用于其他通信系统中，典型的有：无线和移动通信( 包括蜂窝电话，微波链路) ， 卫星通信等模拟领域；数字电视d v d ；高速m o d e m 等数字领域；还有各种存储器件。 随着光通信的发展，之前的一些编码带来的编码增益已经不能满足系统的需要， 一些非标准的f e c 也逐渐开始进入试验和商用阶段。为了提高传输效率，r r u t 建 议g ；7 0 9 也为非标准的带外f e c 提供了选项1 6 l 。在这种背景下人们开始研究具有更 强纠错性能的超强f e c 码型，由于目前s f e c 还没有统一的标准，因此很多公司各 自开发自己的高增益f e c 码型和解决方案。 针对这种技术现状，2 0 0 3 年1 0 月i t u ts g l 5 会议通过了新建议g 0 7 5 1 高速 d w d m 海底光缆系统f e c ，该建议中提出了一种用于高速率d w d m 海底光纤通信 系统的超强f e c l 7 】。建议g 9 7 5 1 在附件中给出了8 种超强f e c 码的实现方案。在 i t u t 建议g 7 0 9 和g 9 7 5 中定义的f e c 纠错码_ r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码在译码器输 出当1 0 e 1 2 的b e r 时有5 6 d b 的n c g ，而超强f e c 码比r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 码有更 强的纠错能力。 1 3 本文的目标和内容安排 1 3 1 本文的目标 本文针对目前光传输系统速率的跳跃式提升、系统容量的成倍增大与传输距离的 日益增加展开研究。由于上述因素的出现，引发了诸如光纤色散和非线性效应的加剧、 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 各路光信号之间的串扰、信号的同步、定时、恢复等问题，这些问题又都会引起光传 输系统中误码的产生，从而降低通信的可靠性，通信可靠性的降低最终又制约了通信 质量的提高、通信距离的延长、多路复用的大规模应用以及通信设备成本的精简，从 而大大阻碍光传输系统的进一步发展，因此，就有必要开展对f e c 技术的深入分析 和研究。本课题的开展旨在研究分析f e c 的编码原理及其获得的编码增益和纠错性 能以及对光传输系统中b e r 的改善，以期满足在光传输系统上的传输距离的实用化， 同时尽量避免实施设备昂贵复杂的色散补偿技术等。从而实现将具有高增益的f e c 码型应用到日益发展的光传输系统中来降低其中的误码率、改善和优化光链路传输质 量，延长传输距离，从而减少昂贵的中继器数目，降低光通信网络的投资成本。 1 3 2 本文的内容安排 根据光传输系统日益向更高速率、更大容量和更长传输距离的迅猛发展趋势以及 f e c 技术在光传输系统中的应用发展现状与趋势，本文将对适用于光传输系统中各 种f e c 码型的构造原理与原则、构造算法及其纠错性能与具体实现方案等等进行探 讨。本文研究的主要内容和具体工作大致如下： ( 1 ) 研究高速超长距离光传输系统的特点和发展趋势，对光传输系统中纠错编 码的原理进行分析，在此基础上总结了光传输系统中构造f e c 码型的原则，分析f e c 编码的构造原理。 ( 2 ) 研究光传输系统中常用的f e c 应用方式，对带内f e c 和带外f e c 进行原 理、算法和帧结构的分析，结合目前的光通信状况，对超强f e c 技术进行的研究 ( 3 ) 通过f e c 编码增益的理论计算方法，对f e c 的相关性能参数进行分析， 研究制定f e c 编码增益不同的测试方法，对实验结果和理论计算结果进行比较分析， 并对提出的编码增益的不同测试方法进行比较说明。 ( 4 ) 分析f e c 技术在光传输系统中的应用方式，设计f e c 双向转发器 ( f e c o e o ) 的原理架构，并就器件的选取进行分析比较。 ( 5 ) 针对f e c o e o 的原理设计，对f e c o e o 的硬件实施进行研究设计，并对 其进行整体性测试，对p c b 设计的合理性和可靠性进行实验研究，最后给出了实际 应用的实验研究。 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章光传输系统中f e c 编码理论的分析 2 1 纠错编码原理 现代高速w d m 光传输网络系统单信道的速率趋向于4 0 g b i t s 或更高速率，对于 高速光网络信号传输存在较大的困难，由于在工程实践中并不存在理想的数字信道， 数字信号在传输过程中，由于受到干扰的影响，码元波形将变坏，导致接收端收到后 可能错误判决。由乘性干扰引起的码间串扰，可以采用均衡的办法纠正。而加性干扰 则通过选择合理的调制与解调机制等方法来减小加性干扰对误码率的影响。若仍不能 满足要求时，就要考虑采用差错控制的措施了。在数字通信系统中，除了研究消除畸 变、抖动的技术外，采用差错控制技术也是改善系统传输性能的一种途径1 1 引。 2 1 1 通信系统中的差错控制 从差错控制角度看，各种信道引起的误码分布规律有所不同，在随机信道中，误 码的出现是随机的，且误码之间是统计独立的，这种误码称为随机误码。例如，高斯 白噪声引起的误码就具有这种性质。在突发信道中，误码是成串集中出现的，也就是 说，在一些短促的时间区间内会出现大量误码，而在其他时间又存在较长的无误码区 间，这种误码称为突发误码。根据不同的误码类型，应采用不同的差错控制方式。 常用的差错控制方式主要有三种【1 7 】：检错重发( a r q ) 、前向纠错( f e c ) 和混 合纠错( h e c ) ，它们的系统构成如图2 1 所示。 ( 1 ) 检错重发c a r q ) ( 2 ) 前向纠错( f e c ) ( 3 ) 混合纠错( h e c ) 图2 1 差错控制方式 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 1 检错重发( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 检错重发方式中，发送端经编码后发出能够发现错误的码，接收端收到后经检验 如果发现传输有错误，则通过反向信道把这一判断结果反馈给发送端。然后，发送端 把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已正确的接收到信息为止。常用的 检错重发系统有三种，即停发等候重发、返回重发和选择重发。其中停发等候重发方 式工作原理最简单，但效率低，而选择重发系统传输效率最高，要求较为复杂的全双 工控制链路。 2 前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 前向纠错系统中，发送端经编码发出能够纠正错误的码，接收端收到这些码组后， 通过译码能自动发现并纠正传输中的错误。前向纠错方式不需要反馈信道，特别适合 与只能提供单向信道的场合。由于能自动纠错，不要求检错重发，因而时延小、实时 性好。为了使纠错后获得低误比特率，纠错码应具有较强的纠错能力。但纠错能力越 强，则译码设备越复杂，这是该方式的不足之处。 3 混合纠错( h y b r i de r r o rc o r r e c t i o n ，h e c ) 混合纠错方式是前向纠错方式和检错重发方式的结合。在这种方式中，发送端不 但具有纠正错误的能力，而且对超出纠错能力的错误有检测能力。遇到后一种情况时， 通过反馈信道要求发送端重发一遍。混合纠错方式在实时性和译码复杂性方面是前向 纠错和检错重发方式的折中。 2 1 2 信道编码的基本思想 纠错编码的理论基础是香农第二定理。根据香农的信道编码定理【8 】：对于一个给 定的有扰信道，若信道容量为c ，只要发送端以低于c 的速率r 发送信息，则一定 存在一种编码方法，使编码错误概率p 随着码长1 1 的增加按指数下降到任意小的值， 可以表示为ps e x p ( 一，l e 俾) ) ，其中，e 僻) 为误差指数，它随r 的增大而减小，随 c 的增大而增加。由该定理可知：( 1 ) 当码长及发送信息速率一定的情况下，可通过 增大信道容量来减小编码错误概率p ；( 2 ) 当信道容量及发送信息速率一定时，增加 码长，可以使编码错误概率下降，但同时也增加了设备的复杂性和译码延时。 香农定理虽没有给出具体的差错控制编码方法以及纠错码的结构，但从理论上为 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 信道编码指明了方向。 纠错编码的基本原理是在待传输的信息序列后按一定的规则增加一些用以实现 检错、纠错的冗余监督码元，构成一个码字，再送入信道传输，在接收端则按同样的 规则检测所接收的码组，实现检错和纠错的功能。各种纠错编码方案都是在原有信息 比特的基础上增加一些冗余比特，根据冗余比特与信息比特的关系来发现和纠正传输 错误，因此，编码后要多传这些冗余信息，增加了系统带宽，是牺牲一定的有效性来 换取系统的可靠性。纠错码的性能取决于码的纠错能力、译码算法及所用的差错控制 方式。 下面以三位二进制码组为例说明检错纠错的基本原理i 1 7 l ，如图2 2 所示。 叵圈圈 侧侧侧 数i 剩数l 旦皇笪兰! 兰篁l 乜1 i 互0 正0 丑至0 工口1 王0 1 1 1 正1 丁三0 【1 口1 1 工0 口匝0 皿0 0 用户信号+ f e c liililll 。j _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ 。_ _ - _ _ l _ - - l 一 图2 2f e c 检错纠错的基本原理示例 三位二进制码组可能的组合有8 种：0 0 0 ，0 0 1 ，0 1 0 ，0 1 1 ，1 0 0 ，1 0 1 ，1 1 0 ，1 1 1 。 若8 种码组都用于传递信息，则传输中发生错误的话，在接收端就无法检测。但若只 选取0 0 1 ，0 1 0 ，1 0 0 ，1 1 1 这4 种码组传送信息，相当于只传递0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 1 这4 种信号，附加的第三位与前面的两位一起以保证码组中的“1 个数为奇数。除上述 4 组许用码组外，其余4 种为禁用码组，不可能出现在编码后的发送码元中。接收端 若收到禁用码组则表示传输过程中发生了错误，采用该编码方式可以发现1 个或3 个错误，但无法纠正错误。比如若收到1 1 0 信号，可以断定出现了传输错误，但无法 判断原始码组信号。但若将许用码组限制为两种：0 0 0 和1 1 1 ，则不难发现采用该码 组可以发现2 个以下的错误，并可以纠正1 位错误。 在信道编码中，定义码组中非零码元的数量为码重，而把两个码组对应码位上具 1 0 圉数一数一数一 型则 武汉邮电科学研究院硕士论文 有不同码元的位数称为码距，用符号d 表示，所有码组中码距最小的为最小码距，用 符号d m i n 表示。 上述示例就是一个典型线性分组码的模型。线性分组码的符号一般为( n ，k ) ， 把信息流分割成前后独立的多个信息元组，每组有k 个信息元，再将每组信息元映射 成由n 个码元组成的码字，即为一个线性分组码字。其中的信息码元k 和监督码元 ( n - k ) 是用线性方程式联系起来的，它的主要性质有两个：( 1 ) 任意两许用码组的 逐位模2 和仍为一许用码组，也即其具有封闭性；( 2 ) 码的最小距离等于非零码的最 小重量。 由上述示例可知，一种编码的最小码距d m i n 直接关系到该码的检错纠错能力。一 般情况下，对分组码有以下结论： ( 1 ) 在一个码组内要检验出e 个误码，要求最小码距d 曲e + 1 。 ( 2 ) 在一个码组内要纠正t 个误码，要求最小码距d m i n 乏2 t + 1 。 ( 3 ) 在一个码组内要纠正t 个误码并检测e ( e 芑t ) 各误码，要求最小码距 d m i n g + f + 1 。 纠错编码是提高通信系统的可靠性，降低接收端误码率的主要技术。在海底通信， 卫星通信，移动通信及计算机网络中都得到了广泛应用。 2 1 3 差错控制编码类别 在2 1 1 节中叙述的差错控制系统中可使用多种形式的编码，分类如下【r 九 根据码的功能，可以分为两类：第一类用于发现错误，叫检错码；第二类还能自 动纠正差错，叫纠错码。二者只是应用场合不同，侧重的性能参数也不同。 根据码的数学结构，按信息码和监督码的检验关系，可分为线性码和非线性码。 线性码的监督码元是若干信息码元的线性组合，而非线性码的监督码与信息码不满足 线性关系。在达到相同纠错能力的条件下，线性码的编译码复杂度优于非线性码，不 考虑编译码复杂度，非线性码可以得到更好的纠错能力。 根据码的结构，按对信息序列处理方式分类，可分为分组码和卷积码。分组码将 信息序列分割为k 位一组后独立编解码，分组间没有关系。根据信息码元在分组码中 武汉邮电科学研究院硕士论文 的位置，又可分为系统码和非系统码。根据分组码的结构，又可分为循环码和非循环 码。卷积码也先将信息序列分组，不同的是编解码运算不仅与本组信息有关，而且还 与前面若干分组有关。 根据纠错类型，纠错码可分为纠随机误码、纠突发误码和纠随机与突发误码。 根据构码理论来分，有代数码、几何码、算术码和组合码等。代数码的理论基础 是近世代数，几何码的理论基础是投影几何，算术码的理论基础是数论、高等算术， 组合码的理论基础是排列组合和数论，用到同余、拉丁方阵、阿达玛矩阵等数学方法。 除了上述分类，有多少观察问题的角度，就有多少分类方法。比如，按码元的取 值，可以分为二进制码与多进制码。不同分类方法只是从不同的角度抓住码的某一特 性进行归类而已，并不能说明某个码的全部特性。比如某线性码可能同时又