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光通信系统中信道模型与FEC码型构造的分析.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.36M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    《半导体光电》2008 年 8 月第 29 卷第 4 期 袁建国 等 : 　光通信系统中信道模型与 FEC 码型构造的分析 光 通 信 光通信系统中信道模型与 FEC 码型构造的分析 袁建国 , 毛幼菊 , 叶文伟 ( 重庆邮电大学 光纤通信技术重点实验室 , 重庆 400065) 摘 　要 : 　对光通信系统中光发射机产生的噪声 、光纤中的噪声 、放大器的放大的自发辐射 (ASE) 噪声和光接收机噪声等噪声进行了分析与探讨 。用中心极限定理将其中一些噪声综合化归 成高斯噪声 ,再利用随机过程知识将光通信系统信道中的噪声简化为高斯噪声 ,从而建立了光通信 系统的信道模型 ,即加性高斯白噪声信道模型 ,基于此信道模型对光通信系统中误码率进行了理论 分析 。并基于这些分析以及对光通信系统中前向纠错 ( F EC) 码型的分析 ,提出了光通信系统中 F EC 码型的主要构造方法 。 关键词 : 　噪声 ; 信道模型 ; F EC 码型 ; 光通信系统 中图分类号 : TN929. 11 　文献标识码 : A 　文章编号 : 1001 - 5868 (2008) 04 - 0571 - 05 Analysis on Channel Model and Construction of FEC Code Type for Optical Communication Systems ( Key Lab. of Optic Fiber Communications Technol. , Chongqing University of Posts & Telecomm. , Chongqing 400065 , CHN) YUAN Jian guo , MAO You ju , YE Wen wei Abstract : 　The existing noises , such as t he noise to arising f rom t he optical t ransmitter , t he t he Amplified Spontaneo us Emission ( ASE) noise in t he optical noise in t he optical fiber , amplifier and t he noise coming f rom t he optical receiver , in optical communication systems were analyzed and p robed. Some noises in optical communication systems can be synt hesized and normalized into Gauss noise by means of t he cent ral limit t heorem , and t hen t he noise in t he channel for optical communication systems are reduced as t he Gauss noise by means of applying t he knowledge of t he stochastic p rocess , t hus , t he channel model ( viz. additive white gaussian noise channel model) is established , based o n t his channel model , t he Bit Error Rate (B ER) for optical communication systems was t heoretically analyzed. This analysis shows t hat t he decrease of t he signal noise ratio in t he optical channels can result in t he worse B ER , t his p roblem can be imp roved and solved by means of applying t he Forward Error Correction ( F EC) technology in optical communication systems. Furt hermore , based on t hese analyses above as well as t he analysis of t he F EC code t ype for optical communication systems , t he main const ruction met hods of t he F EC code t ype for optical communication systems were analyzed and p ropo sed. Key words : 　noise ; channel model ; F EC code t ype ; optical communication systems 1 　引言 在光通信系统中 ,衡量系统传输质量好坏的一 个非常重要的技术指标就是系统误码率 。前向纠错 收稿日期 :2007 - 12 - 17. 基金项目 :国家“863”计划项目 (2005AA123730) ;重庆邮电 大学博士启动基金项目 (A2007 - 47) . 　 ( F EC) 技术就是一种能够改善系统误码率的非常实 用的技术 。这是因为把 F EC 技术应用到光通信系 统中能提高光通信系统的传输质量和改善通信的可 靠性[ 1 ] 。然而 ,要研究光通信系统中的 F EC 技术 , 就必须首先分析造成误码的噪声 。只有分析清楚了 光通信系统中噪声的来源 、分布及模型 ,才能建立合 适的光通信系统信道模型 ,然后才能有针对性地构 ·175·
    SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS 　Vol. 29 No. 4 Aug. 2008 造合适的 F EC 码型来解决误码的问题 。 2 　光通信系统中的噪声分析 光通信系统主要包括发射机 、光纤 、光放大中继 设备以及接收机 ,如图 1 所示 。探讨光通信系统中 的噪声应该主要从它的实际构成来分别加以讨论 。 图 1 　光通信系统的组成示意图 2. 1 　发射机产生的噪声 发射机产生的噪声主要来源于激光器的量子噪 声 ,它是激光器的本征噪声 ,是不可避免的[ 2 ] 。一般 把激光器的输出散粒噪声功率等效为输出光强的方 差 。通过选择合适的激光器 ,这些噪声可以得到很 好的控制 。 2. 2 　光纤中的噪声 光纤具有三种基本特性 :衰减 (即损耗) 、群速度 色散以及偏振模色散 ,此外 ,光纤在一定条件下还存 在非线性效应 。其中衰减是光纤的本征特性 ,随着 传输距离的增加 ,它的影响将使光信号的功率下降 。 但是由于光放大器的出现 ,传输衰减带来的影响已 能完全克服 ,下面重点分析后三者 。 2. 2. 1 　群速度色散 ( GVD) 和偏振模色散 ( PMD) 群速度色散用来描述不同波长的光在光纤中以 不同速度传播的现象 。对于群速度色散较高的波 长 ,光脉冲会在某时刻变宽并造成传输的信号间相 互干扰 ,这将造成通信系统比较大的误码率 。在单 模光纤中传输的光波具有两个相互正交的基模 。在 非对称的均匀光纤中有两个主要模式 ,并且这两种 传输模式存在传输速度的差异 。在高速光纤通信系 统中 ,这两种模式从发射端经过一段传输距离后就 产生了差分群时延 ,从而形成 PMD ,因而要加以控 制 。在光纤通信系统中偏振模色散 ( PMD) 是一类 误码源 。在长途光纤通信系统中 ,通过在相距适当 的间隔插入色散补偿模块 ,使色散可以得到较好的 控制 。 2. 2. 2 　光纤的非线性 光放大器产生的高功率电平会造成信号与光纤 相互作用产生多种非线性效应 。光纤的非线性效应 可以分为两大类 :受激散射和折射率波动 。 (1) 受激散射 :在光强度调制系统中 ,当光信号 ·275· 与声波或光纤材料中振动的分子相互作用时 ,这种 相互作用会散射光并把能量向更长的波长转移 。非 线性受激散射可分为布里渊和拉曼散射两种形式 。 受激布里渊散射 ( SBS) :在光纤中光波与声波相互 作用产生受激布里渊散射 。一些向前传输的光被改 变方向向后传播 ,从而减小了向前传输光的光功率 并限制了到达光检测器的信号光功率 。在所有非线 性效应中 ,受激布里渊散射的门限最低 。典型的 ,受 激布里渊散射的门限在几毫瓦数量级 ,并且与信道 数目无关 。由于受激布里渊散射的门限随着信号源 的线宽增加而增加 ,一个简单可行的提高门限的方 法是采用低频 、正弦小信号对激光器进行调制 。受 激拉曼散射 ( SRS) :光纤中的光信号与光纤的材料 分子相互作用产生受激拉曼散射 。虽然受激拉曼散 射会产生前后两个方向的散射光 ,但采用光隔离器 件可以滤除后向传输的光 。受激拉曼散射的门限取 决于光纤的特性 、传输信道的数目 、信道间隔 、每个 信道的平均光功率以及非再生段的距离 。单信道系 统受激拉曼散射的门限约为 1 W ,明显高于受激布 里渊散射的门限 。对于受激布里渊散射的门限能够 通过增加信号源的线宽来提高 ,而对于受激拉曼散 射的门限却不能采用相类似的方法来改变 。受激拉 曼散射很有可能是最终限制未来光纤通信容量的瓶 颈 。然而 ,就目前而言受激拉曼散射的门限较高 ,对 光通信系统影响不是特别大 。 (2) 折射率波动 :采用光放大器后光纤中的光 功率变高 ,光纤的折射率受到传输信号光强度的调 制而发生变化 。非线性折射率波动效应可分为三大 类 :自相位调制 ( SPM) 、交叉相位调制 ( XPM) 和四 波混频 ( FWM) 。光信号脉冲对信号自身相位的作 用称为自相位调制 。光脉冲信号的边缘使得强度随 时间变化 ,从而产生了随时间变化的折射率 。随时 间变化的折射率对传输信号波长的相位进行了调 制 ,同时展宽了光脉冲的频谱 。在 DWDM 系统中 , 如果自相位调制现象较严重 ,展宽的光谱会覆盖到 相邻的信道 ,从而使相邻信道中的噪声加剧 。此外 , 当自相位调制和群速度色散共同作用时 ,展宽的光 谱会瞬间展宽光脉冲 ,这有可能对相邻的光脉冲带 来干扰 。交叉相位调制是用来描述光脉冲对其他信 道信号光脉冲相位的影响 ,所以交叉相位调制仅在 多信道系统中才发生 。四波混频 ( FWM) 是指三个 光波相组合产生一个或多个新波长的现象 。新波长 的频率为入射波长组合产生的新频率 。此外 ,两个
    2 袁建国 等 : 　光通信系统中信道模型与 FEC 码型构造的分析 3 　信道噪声分析与信道模型建立 3. 1 　信道噪声分析 从上节分析可看出 ,在光通信系统信道中 ,发射 机噪声可以通过选择合适的激光器而得到较好的克 服 ,光纤的衰减使用放大器可以得到很好的解决 ,光 纤的色散使用色散补偿模块也得到了比较满意的处 理效果 。将这些已经克服得比较好的噪声忽略在信 道模型选取之外 ,其他主要的噪声还有光纤的非线 性效应产生的噪声 、服从泊松分布的散粒噪声 、ASE 噪声和电阻有源器件的热噪声 。减少在这些噪声影 响下的光通信系统中出现的误码将是 F EC 技术研 究的主要目标 。 光纤非线性效应会导致一定量的串扰误码的产 生 ,但这些串扰有的却可以看成是无记忆的[ 3 ] 。如 文献[ 3 ]通过实际的实验表明光纤非线性效应中的 四波混频呈现出无记忆的噪声分布特性 。而另外的 非线性效应则有可能造成一定的突发错误 ,目前还 没有有效的分布理论可用 ,但可以考虑通过应用纠 突发差错的码型来减小这些有记忆的突发差错 ,这 样它们的影响也将变得较小 ,可以忽略 。而服从泊 松分布的散粒噪声和电阻有源器件的热噪声由中心 极限定理可以采用高斯分布近似 。最后 ,还有光通 信系统中最主要的 ASE 噪声 ,在使用光放大器的长 途大容量光通信系统中 ,A SE 噪声相对于前面由近 似而来的高斯噪声更加占据主导地位 。 3. 2 　信道模型建立 在上面的分析中通过近似处理 ,将光通信系统 中的噪声简化为了高斯噪声和占主导地位的 ASE 噪声 。而事实上 ,对 ASE 噪声来讲 ,在研究光通信 系统中的 F EC 时 ,它可以近似看成高斯白噪声[ 4 ] 。 这样信道中的噪声就可以看成两个高斯白噪声的叠 加 ,由基本的随机过程知识可知 ,两个高斯白噪声的 叠加结果也是高斯白噪声 。所以 ,光通信系统信道 中的噪声可以近似看作高斯白噪声 ,也就是说在研 究 F EC 时 ,光通信系统的信道模型可以近似成加性 高斯白噪声 (A W GN) 信道 。这与文献[ 5 ]中提出的 三种光通信系统信道模型 : Chi square 、非对称高斯 信道和 A W GN 信道中的第三种是相同的 。这也表 明了所建立的信道模型的合理性 。 此外 ,还需要进一步指出的是对于使用软判决 的 F EC 码型性能的评估 ,在 A W GN 信道模型上进 行评估和在 Chi square 信道模型 (一种更加精确的 ·375· 《半导体光电》2008 年 8 月第 29 卷第 4 期 不同波长的信号如果它们的强度和波长有特定关系 时也会产生 FWM 。在两个信道的系统中 ,受到信 号直接强度调制的频率对光纤的折射率进行调制时 不同频率的信号相位受到调制 。这种相位调制产生 了两个新的波长 ,四波混频效应能够将原来的各个 波长信号的光功率转移到新产生的波长上 ,从而对 传输系统性能造成破坏 。在光频域范围内信道等间 隔分配的 DWDM 系统 ,混合产生的新波长会落入 其他信号的信道内 。由于四波混频效应产生的新波 长会随着信号波长数目呈几何数目增加 ,并且因为 新波长在电域范围内会对原来的波长产生破坏性的 干扰 ,这种非线性效应会产生误码 。 2. 3 　放大器的 ASE 噪声 目前 ,掺铒光纤放大器 ( EDFA) 已成为长途大 容量光通信系统中不可或缺的组成部分 。EDFA 在 放大过程中 ,由于自发辐射产生的光子大部分在传 输中逃逸出光纤 ,但有一小部分由于传输方向正好 在光纤的轴线上而被光纤捕获 ,这一部分的光子在 掺铒光纤中传输时同样也被放大 ,形成了放大的自 发辐射 (amplified spontaneous emissio n , A SE) 噪 声 。A SE 噪声是伴随着对信号光放大而产生的不 可避免的噪声 ,它是长途大容量光通信系统中最主 要的 噪 声 。在 多 级 联 的 EDFA 系 统 中 , 每 级 的 EDFA 又将前面的自发辐射噪声放大 ,并产生新的 ASE ,积累的 A SE 噪声经过前置光放大器进入光接 收机 。A SE 噪声是一种不可避免的热噪声 。 2. 4 　光接收机噪声 光接收机噪声包括光电检测器的噪声和检测器 后面的放大器的噪声 。光电检测过程的量子起伏形 成散粒噪声 ,表现为信号功率和功率谱的起伏 。光 电二极管的检测过程为“光子计数”过程 ,其概率密 度函数为泊松函数 。一般地 ,把光电检测器的输出 散粒噪声功率等效为输出电压的方差 。另外 ,光电 检测器在即使没有光入射时也会有电流产生 ,称为 暗电流 ,受温度的影响而起伏 ,这个起伏也会产生噪 声 ,最终会产生通过了倍增区的暗电流噪声和没有 通过倍增区的漏电流噪声 。由于暗电流和漏电流值 很小 ,在分析时对其造成的噪声可忽略不计 。放大 器的噪声主要由前置放大器引入 ,前置级电阻的热 噪声和有源器件的噪声都可以认为是概率密度为高 斯函数 、具有均匀 、连续频谱的白噪声 。经过放大电 路这个线性系统以后 ,输出端的噪声仍呈高斯分布 。
    SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS 　Vol. 29 No. 4 Aug. 2008 光通信系统信道模型) 上进行评估基本上是同样精 确的[ 5 ] 。这就表明选用 A W GN 信道作为光通信系 统的信道模型来分析光通信系统中 F EC 码的性能 是比较理想的 。同时 , 还巧妙地摆脱了采用 Chi square 信道模型带来的复杂性 。 由于 二 进 制 对 称 信 道 ( BSC ) 可 以 看 成 是 A W GN 信道加上调制解调形成的 ,所以包含调制解 调的光通信系统的信道模型也可以看成是 BSC 信 道模型 ,因而在光通信系统中 F EC 码型的仿真试验 中两种信道模型都可以采用 ,并且二者是等效的 。 对于硬 判决 的 BC H 码 、RS 码 和 级 联 码 来 说 , 在 BSC 信道上进行仿真可以加快仿真速度 。对于软 判决的 F EC 码型来讲 ,由于它们的译码要利用信道 提供的软信息 ,所以不能选用输出只为 0 和 1 的 BSC 信道 ,为此可选用 A W GN 信道来进行仿真 。 这样通过选择合适的输入误码率或信噪比参数 ,即 可仿真测试出在光通信中应用 F EC 码后输出的误 码率 ,进而可以得到使用 F EC 码后的误码率改善以 及所获得的净编码增益 。 3. 3 　信道模型下的差错分析 上面通过分析光通信系统中的噪声建立了光通 信系统的信道模型 ———A W GN 信道 ,下面进一步分 析在该信道模型下的误码率 。如图 2 所示[ 6 ] , v1 表 示发送端发 1 信号 s1 时 ,通过 A W GN 信道后在接 收端 接 收 的 信 号 , 它 是 由 原 来 发 送 的 s1 加 上 A W GN 中的噪声形成的 ,其概率密度函数为 p ( v/ s1 ) 。v0 表示发送端发 0 信号 s0 时 ,通过 A W GN 信 道后在接收端接收的信号 ,它是由原来发送的 s0 加 上 A W GN 中 的 噪 声 形 成 的 , 其 概 率 密 度 函 数 为 p ( v/ s0 ) 。设高斯信道中的高斯噪声均值为 0 ,方差 为σ2 0 ,则[ 5 ,6 ] : p ( v/ s1 ) = p ( v/ s0 ) = e - ( v- s1 ) 2 / (2σ2 0 ) , e - ( v- s0 ) 2 / (2σ2 0 ) 1 2πσ0 1 2πσ0 　　设发送端发送 1 信号和 0 信号的概率是等概率 的 ,即发送 1 信号的概率 P ( s1 ) = 1 2 ,发送 0 信号的 概率为 P ( s0 ) = 1 2 。再设接收端接收到信号后 , 使 用的判决门限为 v d , 将 s1 误判为 s0 的概率为 Pe1 , 将 s0 误判为 s1 的概率为 Pe0 ,则信号经过信道传输 后的误码率[ 5 ,6 ] 为 ·475· ( Pe1 + Pe0 ) = B ER = 1 2 1 p ( v/ s0 ) d v = 1 - ∞ 2 ∫v d 2 ∫v d ∫+ ∞ - ∞ v d p ( v/ s1 ) d v +∫+ ∞ e - ( v- s1 ) 2 / (2σ2 v d 1 2πσ0 e - ( v- s0 ) 2 / (2σ2 1 2πσ0 0 ) d v + 0 ) d v = 1 2 1 2 erfc s1 - v d 2σ0 + 1 2 1 2 erfc v d - s0 2σ0 为了使误码率 B ER 最小 , 要取 v d = s1 + s0 2 , 同时假 设 s0 = - s1 ,则上式可以化为 B ER = 1 2 1 2 erfc s1 - s0 2 2σ0 = 1 2 erfc 2 s2 1 σ2 0 = [erfc ( 2 S N R ) ] 其中 :erfc ( x) = 2 π∫∞ e - y2 x d y 。 图 2 　信号通过 AW GN 信道传输后的概率密度分布示意图 由上述推导结果可知 ,在建立的信道模型中 ,信 道的信噪比的变化会影响信道输出的误码率 ,信噪 比减小到一定程度时 ,信号经过信道传输就会有较 严重的误码率 ,以至于超出传输系统的最大误码率 要求 。采用 F EC 技术就是要解决这一问题 ,它通过 在发送端给发送的信息加入一定的冗余信息 ,可以 在接收端通过译码将原来的误码率降低 ,从而可以 减小因信道中信噪比较小导致的大误码率 。也就是 说 ,使用 F EC 技术后 ,可以放宽系统信道的信噪比 要求 ,利用这一点可以在许多方面改善系统的性能 。 针对具体的光通信系统来说 ,可以考虑使用 F EC 技 术在如下几个方面改善系统的性能[ 7 ,8 ] : (1) 降低光放大器的输出和输入功率电平以避 免非线性效应 ; (2) F EC 可以带来更多的光功率富余度 ; (3) 增加长途系统的最大跨段数 ;
    π 2 2 2 π 2 2 2 《半导体光电》2008 年 8 月第 29 卷第 4 期 (4) 增加大容量系统的信道数 。 4 　F EC 码型的构造分析 4. 1 　FEC 码型分析 F EC 技术是通过在发送端被传输的信息序列 中加入一些冗余的监督码进行纠错 ,在发送端由发 送设备按一定算法生成冗余码插入到要传输的数据 流中 ,接收端按同样算法对接收到的数据流进行译 码 ,根据接收到的码流确定误码的位置并进行纠错 。 在光通信系统中 ,对 F EC 码型的选择必须要符合光 通信系统特点的要求 ,因而对其分析之后 ,应从如下 几方面对 F EC 码型进行分析[ 9 ,10 ] : (1) 冗余度 。即附加符号数与传输信息符号数 的比率 ; (2) F EC 编译码的复杂度 。F EC 编码与译码 的设计与实现过程不能过于复杂 ,并且适合以二进 制传输 ; (3) 可纠正突发错误的总长度 ; (4) 对误码性能的改善程度 。 4. 2 　FEC 码型的主要构造方法 通过对光通信系统的噪声分析可知 ,光通信信 道具有低噪声 、低衰落的特性[ 11 ] 。其信道低噪声的 特点决定了系统常常工作在高信噪比的情形下 ,这 要求选取 F EC 码型时要选取低的错误平层 (error floor) 或者没有错误平层 (所谓错误平层 ,就是指在 中高信噪比下 ,当误码率小于 10 - 6 时 ,随着信噪比 的增大 ,改进纠错码的性能非常困难 ,误比特率曲线 和帧错率曲线接近于水平线 ,这种现象就称为误比 特率曲线或帧错率曲线的“错误平层”现象) 的码型 , 这样在系统高信噪比的情形下 ,可以取得更大的净 编码增益 。考虑到不过分增加器件成本 ,使光信号 传送更长的距离 ,选取的 F EC 码型要有很好的净编 码增益 ,从而使传输长距离时的可靠性得到满足 。 在大传输容量的情形下 ,如果选用的 F EC 码型冗余 度很大 ,就会占用过多的码数容量来传输非信息数 据 ,严重降低传输的有效性 ,因此选取的 F EC 码型 要尽可能有低的冗余度 。此外 ,考虑到实际实现问 题 ,选取的 F EC 码型还必须有利于硬件实现 ,不会 带来过多的编译码延时 。综上所述 ,光通信系统中 F EC 码型的构造方法如下 : (1) 要有低的错误平层或者没有错误平层 ,这 是考虑到光通信系统信道具有低噪声的特点 ,在系 袁建国 等 : 　光通信系统中信道模型与 FEC 码型构造的分析 统高信噪比的情形下 ,依然可以取得更大的编码增 益 ; (2) 要有较高的净编码增益和低的码型冗余 度 ,这是长途大容量光通信系统对 F EC 码型的要 求 。这两者实际上反映了传输的可靠性和有效性的 要求 ,是一对矛盾 ,在选取 F EC 码型时要做一定的 折中 ; (3) 码长不能过长 ,不能引入过多的编译码延 时 ,要有利于软硬件实现 。这主要是从实用化的角 度来考虑的 。上述这些在光通信系统中 F EC 码型 的主要构造方法也是今后光通信系统中构造 F EC 码型时的基本指导方法 。 5 　结论 分析了光通信系统中存在的噪声 ,近似处理了 一部分噪声 ,用中心极限定理将一些噪声综合化归 成高斯噪声 ,从而将光通信系统信道中的噪声简化 为高斯噪声 , 建立了光通信系统的信道模型 ——— A W GN 信道 ,分析了该模型下的信道差错情况 。同 时 ,对适用于光通信系统中的 F EC 码型进行了分 析 ,提出了光通信系统中 F EC 码型的主要构造方 法 。这些工作都为今后光通信系统中 F EC 码型的 构造和仿真研究打下了坚实的基础 。 参考文献 : [ 1 ] 　Tomizawa M , Yamabayashi Y. Parallel FEC code in speed optical transmission systems[J ]. Electron. high Lett . , 1999 , 35 (8) : 1 367 1 369. [ 2 ] 　Azadet K , Harat sch E F , Kim H , et al. Equalization IEEE and FEC techniques for optical transceivers[J ]. 327. J . Solid State Circuit s , 2002 , 37 (3) : 317 [ 3 ] 　Mello D , Offer E , Reichert J . Error arrival statistics wave mixing limited systems for FEC design in four [ C]. Proc. O FC 2003 , 2003 , 2 : 529 530. [ 4 ] 　Agrawal G P. Fiber Optical Communication Systems [ M ]. 2nd Edition , John Wiley &sons , Inc. , 1997. [ 5 ] 　Cai Y , Pilipet skii A , L ucero A , et al. On channel correction models for predicting soft decision error performance in optically amplified systems [ C ]. Proc. O FC 2003 , 2003 , 2 : 532 533. [ 6 ] 　Pauluzzid R , Beaulieu N C. A comparison of SNR estimation techniques in the AW GN channel[J ]. IEEE Trans. Communications , 1995 , 48 (10) : 1 681 1 691. (下转第 582 页) ·575·
    2 2 2 2 2 2 2 2 π 2 2 SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS 　Vol. 29 No. 4 并将之保存为. t bl 文件后用 Matlab 读出显示如图 3 (d) 所示 。系统以数据流的方式连续运行 ,运行时 钟频率可达 102 M Hz ,相应于 1 024 ×1 024 的红外 图像其帧采样频率可达 97 Hz ,而对于 512 ×256 的 红外图像其帧采样频率可达 778 Hz 。 作者对两点校正和四点三次多项式拟合校正算 法也进行了相应的实验 ,所得结果与三点二次多项 式拟合校正比较见表 1 。 从表 1 可以看出 ,由于 IRFPA 响应特性非线性 的影响 ,两点校正的精度不高 ,而四点三次多项式校 正精度较三点二次多项式稍高 ,但其计算量和硬件 开销相对较大 。 表 1 　各算法校正精度及在线计算量比较 　 　 非均匀性 输入非均匀图像 11. 7 % 7. 6 % 三点二次多项式 1. 8 % 四点三次多项式 1. 7 % 两点校正 在线计算量 — 1 次乘法 1 次加法 2 次乘法 2 次加法 3 次乘法 3 次加法 5 　结论 从上述研究结果 ,可得出如下结论 : (1) 本文研究的函数拟合红外焦平面阵列非均 匀性校正算法能有效适用于 IRFPA 响应特性的大 动态范围和非线性 ,具有较高的校正精度 ; (2) 本文研究的三点二次多项式拟合红外焦平 面阵列非均匀性校正 FP GA 实现系统 ,采用流水线 数据处理技术 ,以数据流的方式连续运行 ,结构简 单 ,体积小 ,运算速度快 ,校正精度高 ,便于扩展和移 植 ; novel super high [J ]. Optics Communications , 2007 , 273 (2) : 421 (上接第 575 页) [ 7 ] 　Yuan Jianguo , Ye Wenwei , Mao Youju , et al. A FEC code based on concatenated code for haul optical communication systems 427. al. Next generation FEC for optical transmission systems [ C ]. Proc. O FC [ 8 ] 　Mizuochi T , Kubo K , Yoshida H , et 2003 , 2003 , 2 : 527 speed long 528. [ 9 ] 　Yuan Jianguo , Ye Wenwei , Mao Youju , et al. Study on ameliorating the FEC coding techniques in current high transmission systems [ J ]. Proc. of SPIE , 2006 , 6279 : 62796F rate optical 7. 1 [ 10 ] 　Sab O A. FEC techniques in submarine transmission ·285· Aug. 2008 (3) 由于大存储容量 FP GA 芯片价格高 ,将数 据采集存储器和校正系数存储器等以外挂的方式置 于 FP GA 芯片外面 ,采用小存储容量的高速 FP GA 芯片可显著提高系统性价比 ; (4) 本文研究成果为红外焦平面阵列器件在空 间体积有限且要求有较高的计算精度和运算速度场 合的工程应用开辟了一条新的技术途径 。 参考文献 : [ 1 ] 　Gro ss W , Hierl T , Schulz M. Correctability and long term stability of inf rared focal plane arrays[J ]. Optical Engineering , 1999 , 38 (5) : 862 865. [ 2 ] 　代少升 , 张 　跃 , 刘文煌. 利用 DSP 实现 IRFPA 非均 匀性校正及其关键技术研究 [J ]. 半导体光电 , 2006 , 27 (5) : 642 644. [ 3 ] 　李 　庆 , 刘上乾 , 赖 　睿 , 等. 一种基于场景的红外 焦平面阵列非均匀性校正算法 [J ]. 光子学报 , 2006 , 35 (5) : 720 723. [ 4 ] 　周慧鑫 , 王炳健 , 刘上乾 , 等. 红外焦平面器件非均 匀性校正数字实现 [J ]. 系统工程与电子技术 , 2004 , 26 (1) : 130 132. [ 5 ] 　程正兴 , 李水根. 数值逼近与常微分方程数值解[ M ]. 西安 : 西安交通大学出版社 , 2000. 187 246. [ 6 ] 　任爱锋 , 初秀琴. 基于 FP GA 的嵌入式系统设计[ M ]. 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 2004. 41 126. 作者简介 : 李恩科 (1960 - ) ,男 ,陕西宝鸡人 ,博士研究生 , 主要研究方向为红外成像系统 。 E mail : ekli @xidian. edu. cn systems [ C ]. Proc. Optical Fiber Communication Conf . , Anaheim , CA , 2001 , 2 : TuF1 TuF1 3. 1 [ 11 ] 　Cai Y , Morris J M , Adal T , et al. On turbo code fiber communication decoder performance in optical systems with dominating ASE noise[J ]. J . Lightwave Technol. , 2003 , 21 (3) : 727 734. 作者简介 : 袁建国 (1968 - ) ,男 ,副教授 ,毕业于重庆大学 光电工程学院光学工程专业并获博士学位 ,主要从 事光纤通信技术 、光通信器件等方面的研究 。 E mail : yuanjg @cqupt . edu. cn
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