100G傳輸中的軟判決技術[圖]

軟判決是相對于硬判決而言的，與具體的糾錯編碼或后續(xù)算法沒有必然關聯(lián)。軟硬判決的區(qū)別在于：硬判決以閾值為準繩，武斷地對輸入信號進行判定;軟判決以閾值為參考，對輸入信號進行猜測，并聲明猜測的可信度。軟判決并未判決，僅提供猜測信息和可信度信息，便于后續(xù)算法(如Viterbi算法)結(jié)合其他信息進一步處理、綜合判定。

對于一般的單比特判決而言，判決軟硬判決的不同在物理實現(xiàn)上表現(xiàn)為其對信號量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對信號量化的比特數(shù)為1位，其判決結(jié)果非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特對信號進行量化，一個比特為猜測信息，額外的比特提供該猜測的可信度信息。

采用軟判決的原因

基于數(shù)字相干接收PM-QPSK調(diào)制100G接收機，不論其采用軟判決還是硬判決，其信號處理結(jié)構(gòu)和流程基本相同，不同之處在于軟判決給后續(xù)的前向糾錯編碼(FEC)解碼單元提供了額外的可信度信息，而硬判決僅提供單比特判決信息，拋棄了可信度信息，放棄了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字相干接收所提供的糾錯優(yōu)勢。軟判決所提供的可信度信息可以進一步提高FEC編碼增益。

糾錯編碼技術可以跳出傳輸物理層的限制，在邏輯層對一切物理傳輸損傷進行補償，特別是對非線性效應影響的補償。糾錯編碼的編碼增益越大，相同傳輸距離下對入纖光功率的要求越低，接收機OSNR要求越小。另一方面，光信號在傳輸過程中OSNR越小，纖芯光功率強度的變化越小，纖芯折射率的波動越小，非線性效應的影響就越不明顯。因此，對于主要受到非線性效應限制的100G光傳輸系統(tǒng)，1dB糾錯編碼增益對系統(tǒng)傳輸性能的提升遠高于衰減或色散受限的光傳輸系統(tǒng)。根據(jù)中國移動、中國電信100G測試結(jié)果以及100G行標，G.655光纖時采用軟判決的傳輸距離比硬判決多6個跨段，傳輸距離提升了60%。

實現(xiàn)軟判決的途徑

軟判決的實現(xiàn)得益于模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)的使用。100G要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的有效比特位數(shù)(ENOB)大于6比特。輸入光信號經(jīng)光學前端光電轉(zhuǎn)換為四路模擬電信號，四路模擬電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在時間和幅度上離散量化為四路數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)字信號處理完成信道均衡和載波估計得到估計的四通道(Ix，Qx，Iy，Qy)數(shù)據(jù)用于判決。

其軟硬判決的差異僅在于四通道判決輸出的比特數(shù)：硬判決對每個通道輸出1個比特判決;軟判決除了對每個通道輸出1個比特的猜測信息外，還提供若干比特的可信度信息。軟判決以判決閾值為參考提供猜測信息，以若干可信度閾值為參考提供可信度信息。圖1為數(shù)字相干接收PM-QPSK單個偏振態(tài)上I，Q分量的軟判決示例。該示例對I，Q分別給出3比特的軟判決，其中以判決閾值為參考提供1比特猜測信息，以3個可信度閾值為參考提供2比特可信度信息。

　　基于軟判決的糾錯編碼

糾錯編碼算法與軟判決沒有必然聯(lián)系，但某些糾錯編碼算法可以軟判決所提供的可信度概率信息進一步提高編碼的糾錯能力，提高編碼增益。基于軟判決和迭代算法的第三代糾錯編碼，其編碼增益可達到11dB以上，其典型代表為Turbo和LDPC編碼，其中LDPC較Turbo編碼具有更優(yōu)的糾錯特性和實現(xiàn)復雜度。LDPC碼即低密度奇偶校驗碼(Low Density Parity Check Code，LDPC)，它是由Robert G.Gallager博士于1963年提出的一類具有稀疏校驗矩陣的線性分組碼，不僅有逼近Shannon限的良好性能，而且譯碼復雜度較低，結(jié)構(gòu)靈活，是近年信道編碼領域的研究熱點，目前已廣泛應用于深空通信、光纖通信、衛(wèi)星數(shù)字視頻和音頻廣播等領域。LDPC碼已成為第四代通信系統(tǒng)(4G)強有力的競爭者，而基于LDPC碼的編碼方案已經(jīng)被下一代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標準DVB-S2采納。

烽火科技100G糾錯編碼技術

烽火科技100G DWDM采用了基于數(shù)字相干接收PM-QPSK調(diào)制技術，其糾錯編碼采用7%硬判決和13%軟判決結(jié)合的方式，分別置于framer和ASIC中，如圖2所示。其中，7%的硬判決糾錯編碼為G.975.1所定義的二級鏈接碼，13%軟判決糾錯編碼為低密度奇偶校驗編碼(LDPC)，這種組合實際上構(gòu)成三級鏈接碼。

之所以采用這種三級鏈接碼，是因為LDPC編碼具極強的大誤碼糾錯能力，可以將2.5e-2的誤碼降低到1e-5以下，但LDPC因其解碼過程出現(xiàn)環(huán)路和死鎖導致“誤碼平層”問題，無法將誤碼降低到1e-12以下。烽火在外部采用G.975.1所定義的7%二級鏈接硬判決糾錯編碼消除了LDPC“誤碼平層”的影響。這種配置一方面利用了LDPC編碼對大誤碼的糾錯能力，利用外部硬判決糾錯編碼消除了“誤碼平層”的影響，另一方面利用成熟商用7%硬判決糾錯編碼的高增益盡可能地降低了LDPC編碼的復雜度、功耗和時延，具有最優(yōu)的性價比。例如，LDPC(9216，7936)+RS(992，956)編碼組合以3%硬判決糾錯編碼消除17% LDPC的誤碼平層可獲得9.7dB凈編碼增益，而LDPC(4608，4080)+G.975.1則通過7%硬判決糾錯編碼消除13% LDPC的誤碼平層獲得11.5dB凈編碼增益且LDPC編碼長度少一半。

烽火科技100G三級鏈接糾錯編碼以較小的編碼復雜度、處理時延和功耗達到11.5dB的凈編碼增益和2E-2的糾前誤碼極限，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和健壯性。

100G軟判決現(xiàn)網(wǎng)應用成熟問題及將來發(fā)展由上述分析可以看出：基于數(shù)字相干接收PM-QPSK調(diào)制100G接收機，不論其采用軟判決還是硬判決，其信號處理結(jié)構(gòu)和流程基本相同，不同之處在于軟判決給后續(xù)的前向糾錯編碼(FEC)解碼單元提供了額外的可信度信息，而硬判決僅提供單比特判決信息，拋棄了可信度信息，放棄了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字相干接收所提供的糾錯優(yōu)勢。(也就是說，僅從純技術的角度而言，軟判決相對于硬判決的成熟度問題實際上是一個偽問題。)

軟判決所提供的可信度信息可以進一步提高FEC編碼增益。根據(jù)電信以及移動100G測試結(jié)果以及100G行標來看，軟判決比硬判決具備很多性能優(yōu)勢：①軟判決糾前誤碼率極限高達2.5E-2，而硬判決的糾前誤碼極限為6E-3;②接收機OSNR容限：行標規(guī)定軟判決為13dB(BOL)，硬判決為14.5dB(BOL);③傳輸距離：G.652軟判決比硬判決多4段，G.655軟判決比硬判決多6段。

從產(chǎn)業(yè)鏈的角度而言，軟判決的產(chǎn)業(yè)鏈比硬判決更成熟。業(yè)界做DSP的芯片供應商，無一例外全部采用軟判決技術，而硬判決只是一些廠家內(nèi)部自行研究開發(fā)。

從成本的角度來看，軟硬判的內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，區(qū)別只在于DSP處理芯片。當前軟判比硬判價格略高，原因是DSP前期投入太多，現(xiàn)階段量產(chǎn)不多的情況下造成價格虛高。而一旦上量后，成本分攤下降非常快。從長遠來看，由于軟判決的產(chǎn)業(yè)鏈更成熟，軟判決的整體價格可以做到比硬判更低。

來源：中電網(wǎng)