100G傳輸中的軟判決技術(shù)

軟判決是相對(duì)于硬判決而言的，與具體的糾錯(cuò)編碼或后續(xù)算法沒(méi)有必然關(guān)聯(lián)。軟硬判決的區(qū)別在于：硬判決以閾值為準(zhǔn)繩，武斷地對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行判定;軟判決以閾值為參考，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行猜測(cè)，并聲明猜測(cè)的可信度。軟判決并未判決，僅提供猜測(cè)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(jìn)一步處理、綜合判定。

對(duì)于一般的單比特判決而言，判決軟硬判決的不同在物理實(shí)現(xiàn)上表現(xiàn)為其對(duì)信號(hào)量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對(duì)信號(hào)量化的比特?cái)?shù)為1位，其判決結(jié)果非“0”即“1”，沒(méi)有回旋余地。軟判決則采用多個(gè)比特對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，一個(gè)比特為猜測(cè)信息，額外的比特提供該猜測(cè)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(jī)，不論其采用軟判決還是硬判決，其信號(hào)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(cuò)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(cuò)優(yōu)勢(shì)。軟判決所提供的可信度信息可以進(jìn)一步提高FEC編碼增益。

糾錯(cuò)編碼技術(shù)可以跳出傳輸物理層的限制，在邏輯層對(duì)一切物理傳輸損傷進(jìn)行補(bǔ)償，特別是對(duì)非線性效應(yīng)影響的補(bǔ)償。糾錯(cuò)編碼的編碼增益越大，相同傳輸距離下對(duì)入纖光功率的要求越低，接收機(jī)OSNR要求越小。另一方面，光信號(hào)在傳輸過(guò)程中OSNR越小，纖芯光功率強(qiáng)度的變化越小，纖芯折射率的波動(dòng)越小，非線性效應(yīng)的影響就越不明顯。因此，對(duì)于主要受到非線性效應(yīng)限制的100G光傳輸系統(tǒng)，1dB糾錯(cuò)編碼增益對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的提升遠(yuǎn)高于衰減或色散受限的光傳輸系統(tǒng)。根據(jù)中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信100G測(cè)試結(jié)果以及100G行標(biāo)，G.655光纖時(shí)采用軟判決的傳輸距離比硬判決多6個(gè)跨段，傳輸距離提升了60%。

實(shí)現(xiàn)軟判決的途徑

軟判決的實(shí)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(hào)經(jīng)光學(xué)前端光電轉(zhuǎn)換為四路模擬電信號(hào)，四路模擬電信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在時(shí)間和幅度上離散量化為四路數(shù)字信號(hào)，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理完成信道均衡和載波估計(jì)得到估計(jì)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?cái)?shù)：硬判決對(duì)每個(gè)通道輸出1個(gè)比特判決;軟判決除了對(duì)每個(gè)通道輸出1個(gè)比特的猜測(cè)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(cè)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(gè)偏振態(tài)上I，Q分量的軟判決示例。該示例對(duì)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(cè)信息，以3個(gè)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(cuò)編碼

糾錯(cuò)編碼算法與軟判決沒(méi)有必然聯(lián)系，但某些糾錯(cuò)編碼算法可以軟判決所提供的可信度概率信息進(jìn)一步提高編碼的糾錯(cuò)能力，提高編碼增益?；谲浥袥Q和迭代算法的第三代糾錯(cuò)編碼，其編碼增益可達(dá)到11dB以上，其典型代表為T(mén)urbo和LDPC編碼，其中LDPC較Turbo編碼具有更優(yōu)的糾錯(cuò)特性和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。LDPC碼即低密度奇偶校驗(yàn)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(yàn)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(fù)雜度較低，結(jié)構(gòu)靈活，是近年信道編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)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(lǐng)域。LDPC碼已成為第四代通信系統(tǒng)(4G)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)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(biāo)準(zhǔn)DVB-S2采納。

烽火科技100G糾錯(cuò)編碼技術(shù)

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(shù)，其糾錯(cuò)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(cuò)編碼為G.975.1所定義的二級(jí)鏈接碼，13%軟判決糾錯(cuò)編碼為低密度奇偶校驗(yàn)編碼(LDPC)，這種組合實(shí)際上構(gòu)成三級(jí)鏈接碼。

之所以采用這種三級(jí)鏈接碼，是因?yàn)長(zhǎng)DPC編碼具極強(qiáng)的大誤碼糾錯(cuò)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(guò)程出現(xiàn)環(huán)路和死鎖導(dǎo)致“誤碼平層”問(wèn)題，無(wú)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(jí)鏈接硬判決糾錯(cuò)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(duì)大誤碼的糾錯(cuò)能力，利用外部硬判決糾錯(cuò)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(cuò)編碼的高增益盡可能地降低了LDPC編碼的復(fù)雜度、功耗和時(shí)延，具有最優(yōu)的性價(jià)比。例如，LDPC(9216，7936)+RS(992，956)編碼組合以3%硬判決糾錯(cuò)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(guò)7%硬判決糾錯(cuò)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(zhǎng)度少一半。

烽火科技100G三級(jí)鏈接糾錯(cuò)編碼以較小的編碼復(fù)雜度、處理時(shí)延和功耗達(dá)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(yīng)用成熟問(wèn)題及將來(lái)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(jī)，不論其采用軟判決還是硬判決，其信號(hào)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(cuò)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(cuò)優(yōu)勢(shì)。(也就是說(shuō)，僅從純技術(shù)的角度而言，軟判決相對(duì)于硬判決的成熟度問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)偽問(wèn)題。)

軟判決所提供的可信度信息可以進(jìn)一步提高FEC編碼增益。根據(jù)電信以及移動(dòng)100G測(cè)試結(jié)果以及100G行標(biāo)來(lái)看，軟判決比硬判決具備很多性能優(yōu)勢(shì)：①軟判決糾前誤碼率極限高達(dá)2.5E-2，而硬判決的糾前誤碼極限為6E-3;②接收機(jī)OSNR容限：行標(biāo)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(yīng)商，無(wú)一例外全部采用軟判決技術(shù)，而硬判決只是一些廠家內(nèi)部自行研究開(kāi)發(fā)。

從成本的角度來(lái)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(dāng)前軟判比硬判價(jià)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(jià)格虛高。而一旦上量后，成本分?jǐn)傁陆捣浅？?。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于軟判決的產(chǎn)業(yè)鏈更成熟，軟判決的整體價(jià)格可以做到比硬判更低。