前向纠错

　　前向纠错也叫前向纠错码(Forward Error Correction，简称FEC)，是增加数据通讯可信度的方法。在单向通讯信道中，一旦错误被发现，其接收器将无权再请求传输。FEC 是利用数据进行传输冗余信息的方法，当传输中出现错误，将允许接收器再建数据。

　　简介

　　前向纠错是一种差错控制方式，它是指信号在被送入传输信道之前预先按一定的算法进行编码处理，加入带有信号本身特征的冗码，在接收端按照相应算法对接收到的信号进行解码，从而找出在传输过程中产生的错误码并将其纠正的技术1。

　　应用场景

　　数字节目和模拟节目比，效果更清晰，色彩更纯净，通透性更高，画面没有杂质干扰。这都要得益于数字信号出色的抗干扰能力。在数字信号中，为了防止外界信号干扰，保护信号不变异，要进行多重的纠错码设置。数字信号在解码过程中，对错误信号十分敏感，每秒钟只要存在很小的误码，就无法正常解码。而数字卫星信号之所以能顺利播放，又是得益于数字信号中的纠错码的设置。在各种纠错码的设置中，被称做FEC的前向纠错是一个非常重要的防干扰算法。 FEC降低了数字信号的误码率，提高了信号传输的可靠性。因此，在卫视接收的参数中，FEC是个非常重要的数据。

　　图一：FEC在光通信中的位置

　　数据流分类

　　数字信号实际传送的是数据流包括以下三种：

　　前向纠错ES流：也叫基本码流，包含视频、音频或数据的连续码流。

　　前向纠错PES流：也叫打包的基本码流，是将基本码流ES流根据需要分成长度不等的数据包，并加上包头形成了打包的基本码流PES流。

　　前向纠错TS流：也叫传输流，由固定长度为188字节的包组成，含有独立时基的一个或多个节目，适用于误码较多的环境。

　　数据流简介

　　以一个产品的流向来比喻上述三种数据流的区别：

　　若ES流为产品的原材料，那么PES流就是工厂刚刚生产出来的一件产品，而TS流就是经过包装好送到商店柜台或用户手里的商品。如果ES流的重量被成为净重，那么TS流的重量就被称为毛重。这个比喻和FEC有什么关系呢？

　　从PES流到TS流，这个过程中已经加进去FEC纠错码，可以采用不同的速率的FEC，在DVB-S标准中，规定5种速率—1/2、2/3、3/4、5/6、7/8。以7/8为例，其实际意义是，在一个TS流中，只有7/8的内容是装有节目内容的PES流，而另外的1/8内容，则是用来保护数据流不发生变异的纠错码。仍借用上述比喻，如果整个节目的符码率是毛重的话，则7/8的节目内容好比是净重，而1/8的纠错码就是包装箱的重量。

　　FEC纠错率越低（即速率越小），则纠错码占据的比例越高。那么同样功率时，对解码的门限要求越低，要求天线口径越小，接收越容易。相反，FEC越高，则纠错码越低，解码门限值越高，天线口径要求越大，接收越困难。那么，既然FEC纠错码率越低，门限越低，天线口径越小，越容易接收，为什么凤凰卫视和韩国阿里郎还要用7/8那么高的FEC码率呢?如果改用1/2的FEC，接收天线不是可以变的更小吗?这就涉及到F

　　EC的另一个重要作用：如果纠错码过高，那么相应的节目内容占用的码率则更低，一方面降低节目画质，另一方面，如果不降低画质，则只能减少传送节目的数量了。

　　假如韩国阿里郎节目的符码率是4420，FEC是7/8，而亚洲2号各省节目的符码率也同样是4420，但是FEC则只有3/4，实际上这两个同样符码率的节目，画质并不相同，阿里郎的画质就要比省台的高一些，原因是阿里郎的码流中，只拿出了1/8的码流用来保护数据流不受干扰变化，而亚洲2号的各省台则要拿出比阿里郎多一倍的1/4的码流来保护数据流。但是，如果阿里郎和亚洲2号各省台的节目信号强度相同，亚洲2号的省台接收起来更容易2。

　　常用的前向纠错码电视传输专用的前向纠错码

　　电视节目广播前向纠错采用2/3码率格形码、卷积交织码RS码构成的级联码。RS(209，187)分组码是截短的RS(255，233)分组码，可以纠正11B的传输误码。为了减少突发脉冲干扰所造成的连续误码的影响，DMB-T传输系统在内码和外码之间插入了卷积交织编码（B=19，M=22），总时延相当于36个RS(209，187)分组码。

　　多媒体传输的前向纠错码

　　多媒体综合数据业务服务的前向纠错采用的是多层分组乘积码(Multi-levelBlockProductCode)。它是由分组乘积码BPC(3762，2992)构成的一种系统码，是二维分组乘积码BPC(4096，3249)的删余截短，其解码器可以采用高性能Turbo算法。

　　影响FEC性能三个主要因素

　　FEC的使用可以有效提高系统的性能，根据香农定理可以得到噪声信道无误码传输的极限性能（香农限），如图2所示。从图2可以看出，FEC方案的性能主要由编码开销、判决方式、码字方案这三个主要因素决定。

　　（1）编码开销：校验位长度（n-k）与信息位长度k的比值，称为编码开销。开销越大，FEC方案的理论极限性能越高，但增加并不是线性的，开销越大，开销增加带来的性能提高越小。开销的选择，需要根据具体系统设计的需求来确定。

　　图二：硬判决FEC和软判决FEC的香农限

　　（2）判决方式：FEC的译码方式分为硬判决译码和软判决译码两种。硬判决FEC译码器输入为0，1电平，由于其复杂度低，理论成熟，已经广泛应用于多种场景。软判决FEC译码器输入为多级量化电平。在相同码率下，软判决较硬判决有更高的增益，但译码复杂度会成倍增加。随着微电子技术发展，100G吞吐量的软判决译码已经可以实现。随着传送技术的发展，100G时代快速到来，软判决FEC的研究与应用正日趋成熟，并将在基于相干接收的高速光通信中得到广泛应用。

　　（3）码字方案：当确定开销和判决方式后，设计优异码字方案，使性能更接近香农极限，是FEC的主要研究课题。软判决LDPC码，由于其良好的纠错性能，且非常适合高并行度实现，逐步成为高速光通信领域主流FEC的方案。

　　第三代FEC是高性能传输的关键

　　FEC在光纤通信中的应用研究起步较晚，从1988年Grover最早将FEC用于光纤通信开始，光纤通信中的FEC应用可分为三代。

　　第一代FEC：采用经典的硬判决码字，例如汉明码、BCH码、RS码等。最典型的代表码字为RS（255，239），开销6.69%，当输入BER为1.4E-4时输出BER为1E-13，净编码增益为5.8dB。RS（255，239）已被推荐为大范围长距离通信系统的ITU-T G.709 标准，可以很好匹配STM16帧格式，获得了广泛应用。1996年RS（255，239）被成功用于跨太平洋、大西洋长达7000km的远洋通信系统中，数据速率达到5Gbit/s。

　　第二代FEC：在经典硬判决码字的基础上，采用级联的方式，并引入了交织、迭代、卷积的技术方法，大大提高了FEC方案的增益性能，可以支撑10G甚至40G系统的传输需求，许多方案性能均达到8dB以上。ITU-T G .975.1中推荐的FEC方案可以作为第二代FEC的代表。

　　现有10G系统多采用第二代硬判决FEC，采用更大开销的硬判决FEC可以支撑现有系统的平滑升级。例如，10G海缆传输系统采用ITU-T G .975.1推荐的开销为6.69%的硬判决FEC方案，若采用20%开销的高性能硬判决FEC，较现有方案可提高1.5dB左右的编码增益，极大改善系统的性能。

　　第三代FEC：相干接收技术在光通信中的应用使软判决FEC的应用成为可能。采用更大开销（20%或以上）的软判决FEC方案，如Turbo 码、LDPC 码和TPC码，可以获得大于10dB的编码增益，有效支撑40G、100G至400G的长距离传输需求3。

　　本词条内容贡献者为:

　　李嘉骞 - 博士 - 同济大学