基本介紹
簡介,套用場景,數據流分類,數據流簡介,常用的前向糾錯碼,電視傳輸專用的前向糾錯碼,多媒體傳輸的前向糾錯碼,影響FEC性能三個主要因素,第三代FEC是高性能傳輸的關鍵,
簡介
前向糾錯是一種差錯控制方式，它是指信號在被送入傳輸信道之前預先按一定的算法進行編碼處理，加入帶有信號本身特徵的冗碼，在接收端按照相應算法對接收到的信號進行解碼，從而找出在傳輸過程中產生的錯誤碼並將其糾正的技術。
套用場景
數位元組目和模擬節目比，效果更清晰，色彩更純淨，通透性更高，畫面沒有雜質干擾。這都要得益於數位訊號出色的抗干擾能力。在數位訊號中，為了防止外界信號干擾，保護信號不變異，要進行多重的糾錯碼設定。數位訊號在解碼過程中，對錯誤信號十分敏感，每秒鐘只要存在很小的誤碼，就無法正常解碼。而數字衛星信號之所以能順利播放，又是得益於數位訊號中的糾錯碼的設定。在各種糾錯碼的設定中，被稱做FEC的前向糾錯是一個非常重要的防干擾算法。 FEC降低了數位訊號的誤碼率，提高了信號傳輸的可靠性。因此，在衛視接收的參數中，FEC是個非常重要的數據。
圖一：FEC在光通信中的位置
數據流分類
數位訊號實際傳送的是數據流包括以下三種：
- 前向糾錯ES流：也叫基本碼流，包含視頻、音頻或數據的連續碼流。
- 前向糾錯PES流：也叫打包的基本碼流，是將基本碼流ES流根據需要分成長度不等的數據包，並加上包頭形成了打包的基本碼流PES流。
- 前向糾錯TS流：也叫傳輸流，由固定長度為188位元組的包組成，含有獨立時基的一個或多個節目，適用於誤碼較多的環境。
數據流簡介
以一個產品的流向來比喻上述三種數據流的區別：
若ES流為產品的原材料，那么PES流就是工廠剛剛生產出來的一件產品，而TS流就是經過包裝好送到商店櫃檯或用戶手裡的商品。如果ES流的重量被成為淨重，那么TS流的重量就被稱為毛重。這個比喻和FEC有什麼關係呢？
從PES流到TS流，這個過程中已經加進去FEC糾錯碼，可以採用不同的速率的FEC，在DVB-S標準中，規定5種速率—1/2、2/3、3/4、5/6、7/8。以7/8為例，其實際意義是，在一個TS流中，只有7/8的內容是裝有節目內容的PES流，而另外的1/8內容，則是用來保護數據流不發生變異的糾錯碼。仍借用上述比喻，如果整個節目的符碼率是毛重的話，則7/8的節目內容好比是淨重，而1/8的糾錯碼就是包裝箱的重量。
FEC糾錯率越低（即速率越小），則糾錯碼占據的比例越高。那么同樣功率時，對解碼的門限要求越低，要求天線口徑越小，接收越容易。相反，FEC越高，則糾錯碼越低，解碼門限值越高，天線口徑要求越大，接收越困難。那么，既然FEC糾錯碼率越低，門限越低，天線口徑越小，越容易接收，為什麼鳳凰衛視和韓國阿里郎還要用7/8那么高的FEC碼率呢?如果改用1/2的FEC，接收天線不是可以變的更小嗎?這就涉及到F
EC的另一個重要作用：如果糾錯碼過高，那么相應的節目內容占用的碼率則更低，一方面降低節目畫質，另一方面，如果不降低畫質，則只能減少傳送節目的數量了。
假如韓國阿里郎節目的符碼率是4420，FEC是7/8，而亞洲2號各省節目的符碼率也同樣是4420，但是FEC則只有3/4，實際上這兩個同樣符碼率的節目，畫質並不相同，阿里郎的畫質就要比省台的高一些，原因是阿里郎的碼流中，只拿出了1/8的碼流用來保護數據流不受干擾變化，而亞洲2號的各省台則要拿出比阿里郎多一倍的1/4的碼流來保護數據流。但是，如果阿里郎和亞洲2號各省台的節目信號強度相同，亞洲2號的省台接收起來更容易。
常用的前向糾錯碼
電視傳輸專用的前向糾錯碼
電視節目廣播前向糾錯採用2/3碼率格形碼、卷積交織碼RS碼構成的級聯碼。RS(209，187)分組碼是截短的RS(255，233)分組碼，可以糾正11B的傳輸誤碼。為了減少突發脈衝干擾所造成的連續誤碼的影響，DMB-T傳輸系統在內碼和外碼之間插入了卷積交織編碼（B=19，M=22），總時延相當於36個RS(209，187)分組碼。
多媒體傳輸的前向糾錯碼
多媒體綜合數據業務服務的前向糾錯採用的是多層分組乘積碼(Multi-levelBlockProductCode)。它是由分組乘積碼BPC(3762，2992)構成的一種系統碼，是二維分組乘積碼BPC(4096，3249)的刪余截短，其解碼器可以採用高性能Turbo算法。
影響FEC性能三個主要因素
FEC的使用可以有效提高系統的性能，根據香農定理可以得到噪聲信道無誤碼傳輸的極限性能（香農限），如圖2所示。從圖2可以看出，FEC方案的性能主要由編碼開銷、判決方式、碼字方案這三個主要因素決定。
（1）編碼開銷：校驗位長度（n-k）與信息位長度k的比值，稱為編碼開銷。開銷越大，FEC方案的理論極限性能越高，但增加並不是線性的，開銷越大，開銷增加帶來的性能提高越小。開銷的選擇，需要根據具體系統設計的需求來確定。
圖二：硬判決FEC和軟判決FEC的香農限
（2）判決方式：FEC的解碼方式分為硬判決解碼和軟判決解碼兩種。硬判決FEC解碼器輸入為0，1電平，由於其複雜度低，理論成熟，已經廣泛套用於多種場景。軟判決FEC解碼器輸入為多級量化電平。在相同碼率下，軟判決較硬判決有更高的增益，但解碼複雜度會成倍增加。隨著微電子技術發展，100G吞吐量的軟判決解碼已經可以實現。隨著傳送技術的發展，100G時代快速到來，軟判決FEC的研究與套用正日趨成熟，並將在基於相干接收的高速光通信中得到廣泛套用。
（3）碼字方案：當確定開銷和判決方式後，設計優異碼字方案，使性能更接近香農極限，是FEC的主要研究課題。軟判決LDPC碼，由於其良好的糾錯性能，且非常適合高並行度實現，逐步成為高速光通信領域主流FEC的方案。
第三代FEC是高性能傳輸的關鍵
FEC在光纖通信中的套用研究起步較晚，從1988年Grover最早將FEC用於光纖通信開始，光纖通信中的FEC套用可分為三代。
第一代FEC：採用經典的硬判決碼字，例如漢明碼、BCH碼、RS碼等。最典型的代表碼字為RS（255，239），開銷6.69%，當輸入BER為1.4E-4時輸出BER為1E-13，淨編碼增益為5.8dB。RS（255，239）已被推薦為大範圍長距離通信系統的ITU-T G.709 標準，可以很好匹配STM16幀格式，獲得了廣泛套用。1996年RS（255，239）被成功用於跨太平洋、大西洋長達7000km的遠洋通信系統中，數據速率達到5Gbit/s。
第二代FEC：在經典硬判決碼字的基礎上，採用級聯的方式，並引入了交織、疊代、卷積的技術方法，大大提高了FEC方案的增益性能，可以支撐10G甚至40G系統的傳輸需求，許多方案性能均達到8dB以上。ITU-T G .975.1中推薦的FEC方案可以作為第二代FEC的代表。
現有10G系統多採用第二代硬判決FEC，採用更大開銷的硬判決FEC可以支撐現有系統的平滑升級。例如，10G海纜傳輸系統採用ITU-T G .975.1推薦的開銷為6.69%的硬判決FEC方案，若採用20%開銷的高性能硬判決FEC，較現有方案可提高1.5dB左右的編碼增益，極大改善系統的性能。
第三代FEC：相干接收技術在光通信中的套用使軟判決FEC的套用成為可能。採用更大開銷（20%或以上）的軟判決FEC方案，如Turbo 碼、LDPC 碼和TPC碼，可以獲得大於10dB的編碼增益，有效支撐40G、100G至400G的長距離傳輸需求。
圖三：光通信FEC的演進