FEC 编码在高速光通信系统中的应用与性能分析 摘要：高速光纤通信系统的研究是当前光通信领域的一大热点，信道编码技术是其中的一 项关键技术。文章首先介绍了前向纠错(FEC)编码技术及其在光通信系统中的应用，然后描 述了ITU—T G．709中定义的FEC帧的具体格式，数学推导了FEC编码给带来的误码率改善， 并列出了具体的计算结果。最后通过实测两款具有FEC数字包封功能的芯片，给出了其在系 统传输中的误码率与光信噪比的关系曲线，验证了前向纠错功能。 关键词：信道编码技术；前向纠错；编码增益；误码率；光信噪比 随着光纤通信的发展，传输容量与距离的需求在不断增长。但由于噪声、非线性效应、 色度色散以及偏振模色散(PMD)的影响，高速率长距离的光通信的发展和应用受到了限制。 虽然通过各种补偿技术，可以减轻光信号传输中所受到的影响，但这样做需要花费很高的代 价。为了适应目前对通信技术大容量、高服务质量、低成本的要求，人们开始从信道编码以 及信号调制格式等与传输系统硬件无关的方面进行研究，寻找有利于提升信号传输容量和距 离的编码格式以及调制格式。ITU—T提出了G．707与G．709协议，将一种新的信道编码格式 ——前向纠错(FEC)编码应用到了光纤通信系统中，可以有效提高系统中信号的可靠性，延 长传输距离。 l FEC介绍 FEC方式是发送端的FEC编码器将待传输的业务信号编成具有一定纠错能力的码，接收端 FEC译码器对接收的序列进行译码，若传输中产生的差错数目在其纠错能力范围之内时，译 码器对差错进行定位并加以纠正。FEC方式的主要特点是：不需要反馈信道、译码延时固定， 较适合于实时业务传输系统。具有FEC功能的光传输系统组成如图1所示。 FEC分为带内FEC(In—Band-FEC)和带外FEC（Out-of-Band-FEC)。所谓带内FEC，是指利 用信道本身未使用的传输开销字节，作为FEC纠错编码字节，实施FEC编码后，信道码元速率 不变。所谓带外FEC，是指把FEC纠错冗余字节加入传输信道，实施FEC编码后，信道码元速 率增高。带外FEC编码应用的建议是ITU—T G．709建议，运用RS(255，239)码来产生与要传 输的信号的校验信息。这些附加的校验信息被用在接收端以确认并纠正在传输过程中产生的 错误，同时也使得线路码元速率较原线路码元速率有所增高。 2 FEC在光通信系统中的应用 在发送端，各种业务信号如SDH／SONET、ATM、IP等先经过FEC编码，再进入波分传输系 统；在接收端，各种业务信号需经FEC解码再在各自线路中传送。实际光通信系统中的波分 设备如图2所示。 

FEC 编码是信道编码技术，可以有效地降低误码率。FEC 编码可以允许系统工作在较高 的误码率的情况下，也就是说，即使系统工作在较高的误码率的信道中，也能通过 FEC 技术 达到一个较低的误码率水平。这无疑放宽了高速通信系统对各个器件性能的要求，从而降低 了系统的造价。同时也提高了系统对色散、非线性效应、Q 值和 OSNR 的容忍度，有利于信 号高速率长距离地传输。 图 3 显示了 FEC 对 OSNR 容限的改善。 12 10− ≥ 10− 12 一般认为，当误码率为 时，可以保证信号的正常传输和接收。由上图可知，若不 的误码率，而采用FEC后，OSNR只需≥15.5dB， 使用FEC，要OSNR 22 dB时才能保证< 就可以保证这一误码率。这意味着采用FEC后，信号在较恶劣的传输条件下仍能保证一定的 传输质量。衡量FEC性能的指标是编码增益，它的定义为在满足一定误码率要求的情况下， 采用或不采用编解码技术时接收机所需要的最小信噪比的差值 。上图中显示当误码率为 10− 时，FEC带来的编码增益约为6.5dB。编码增益越高，则在恶劣的传输条件下保证信号 质量的能力越强。不同的编码方式，获得的编码增益也不同。 12 3 G.709中定义的FEC 1个FEC子帧由255 bit构成，其中1 bit为开销位，238 bit为载荷，l6bit的RS编码。 帧结构FEC子帧结构如图4所示。 

8个FEC子帧bit间插，构成一个FEC帧，即255字节。 64个FEC帧字节间插构成一个G.975或G.709帧。间插过程如图5所示,每个FEC帧的第1 个字节作为 G.709 帧的开销字节，从第 2 字节到第 239 字节(共 238 个字节)作为 G.709 帧的 载荷，而剩余的 l6 字节 RS 编码作为 G.709 帧的 FEC 字节。 如图5所示，一个FEC帧由4行4080列组成，在进行FEC时，通过字节问插将每行分成16 个子行(如图5所示)，每个子行为255个字节。每个FEC编／解码器处理一个子行，每个子行 的前239个字节为信息字节，通过对前239个字节进行计算得到16个校验字节，即每个子行的 第240到255字节。这样做能带来两个好处，首先，数据流的编码速率被降低了，因为16个子 行被分别编／解码，使得编解码芯片易于实现。第二，字节问插提高了系统抗突发误码的能 力。字节问插与RS编码算法本身的纠错能力相结合，使得传输中连续的128个字节错误都能 被纠正。 4 带外FEC及其相关性能的分析 带外FEC采用RS(255，239)码，能纠正8个字节的随机错误和检测16个字节的随机错误。 假设未采用FEC时系统的误码率为 当 inBER << 1 时， p se 设FEC纠错后系统误码率为 BER p se inBER⋅= 8 out BER 则每个字节的出错概率： in 1(1 −−= BER 8) in ，每个字节出错概率为： 

则 p ue −= 1 1( BER− 8 ) out BER out 1 −−= （ uep 1 1 8 ） 当 1 pue << 时， BER out = n 个字节误码概率为： 1 8 uep 。255 个字节中，0 个字节误码概率为 p o 1( −= p 255) se 由于FEC可以纠出8个字节错误，所以纠错后每字节出错概率为： pcp 1( n se n n 255 = − p ) se 255 − n p ∑ = ue pi 255 9 255 i = n （1） 9p 255p 9p 式中， 为9个字节误码概率； 为1O个字节误码概率，纠错后 为 、 …… 10p 之和。要精确地计算式(1)工作量巨大，我们可以首先计算 、 比值 、 的 比 值 ， 试图发现某些特征来略去式(1)中微小的、次要的量，从而简化计算过程。 10p 11p uep 10p 10p 9p 下面来看看 、 的关系 9p 10p p 10 p 9 = 246 10 ⋅ p se p ) − se 1( 由于 1 pse << ，所以上式中的 10 pp ≤ 9 ，为了简化计算得 ，同理 11 pp ≤ 10 9 p 255 pcp 1( 9 se 9 pue = 9 255 − = 9 246 p ) se 将 p se ⋅= 8 BER in 带入得 p ue = BER out = p 9 9 255 p ue = 8 8 × 6 10 ×= 9 255 9 255 21 × = out BER c 9 255 8( BER ) in 9 81( −× BER ) in 246 c 9 255 8( BER ) in 9 81( −× BER ) in 246 8( BER ) in 9 81( −× BER ) in 246 即 lg BER out = 78.21 + lg9 BER in + 246 81lg( − BER ) in 当 BER in < e 1 − 时5 246 故 lg BER out = 78.21 + lg9 BER 。in 表1列出了FEC对系统误码率的改善 81lg( − inBER 0) ≈ 

从表1的计算结果来看，FEC编码对系统的误码率有很大的改善。在实际应用中，采用 G．709FEC编码后编码增益为5～6dB。 5 结束语 目前，解决高速率长距离光传输的途径包括采用拉曼放大器、信道编码、信号调制格式 、 精确色度色散补偿(包括可调色散补偿)、PMD补偿等。目前实际应用的SDH光通信系统中，普 遍应用了FEC编码解码技术。在一些超长距离传输系统中，除了使用FEC编码技术之外，发送 模块采用了RZ码，传输线路使用拉曼放大器以减小非线性效应，接收端进行电色散补偿，这 些措施都能帮助我们获得更好的信号质量。在我们享受FEC编码带来的好处的同时，新的信 道编解码技术还在不断的研究之中，例如SFEC、级联FEC等。新的编码方式能获得更高的编 码增益，在实际应用中将获得更多的应用。 参考文献： [1] ITU．T Recommendation G．709—2003，Interfaces for the optical transport network[s]． [2] ITU—T Recommendation G．975—2000，Forward error cotrection for submarine systems『S]． [3] 顾畹仪，李国瑞。光纤通信系统[M]。北京：北京邮电大学出版社，1998。 [4] 周伟勤，王清理，张炼。40 Gbit／sWDM 系统技术与应用前景展望[J]。中兴通讯技术特刊，2002(10)