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高速光传输系统前向纠错编码的设计与FPGA实现

施泓昊  
【摘要】:在超100 G光网络中,由于光信噪比恶化导致了误码严重等问题,因此在光网络中普遍使用前向纠错编码。传统的RS编码器时延大,不能满足目前高速光网络的需求,且高速编码器相关的研究也非常少;RS译码器的研究大多集中在关键方程求解算法,针对降低时延方法的研究也较少。另一方面,近些年提出的极化码在理论上可以达到信道容量的极限,因而得到了广泛的关注,并有很大发展,是下一代前向纠错编码的热门研究内容。针对这些问题,本文做了以下几方面的研究:(1)针对目前100GE和400GE以太网接口中使用的前向纠错编码——里德-所罗门(544,514)码,提出了递推并行的编、译码结构,并通过FPGA实现,单个编码器模块的吞吐量超过36 Gbit/s,计算校验位的延时约0.14,译码器单模块吞吐量超过66Gbit/s,延时约0.17,完全满足当下高速光网络需要。(2)研究了极化码的编译码方法,并针对将来的灵活光网络,提出三种极化码与里德-所罗门码级联的方案:两种固定速率的级联码和一种二维帧结构的级联码型。前两种码型适用于低信噪比时,误码较高的场景;二维帧结构的级联码则可以灵活改变信息速率和开销比,能满足各种信噪比条件下的纠错性能要求。(3)针对级联码,提出联合译码算法,包括:(1)快速联合译码算法;(2)迭代联合译码算法。前者适用于信噪比高、开销低的场景,在RS码校验无误时直接不进行极化码译码,降低译码时延;后者通过把前述二维帧结构的级联码块作为一个整体来考虑,利用内外码之间的交互,来降低极化码SC译码出错概率,进一步提高级联码纠错性能,从而获得额外的级联译码增益。本文研究了高速光传输系统中的前向纠错编码,对超100G光网络中使用到的RS码进行了研究并用FPGA实现;对极化码与RS码级联方案、联合译码性能,为极化码将来的实用化做了基础性的研究工作,最后对RS-polar级联码在未来光网络中的应用进行了探索和展望。


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