一、什么是軟判決？
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(guān)聯(lián)。軟硬判決的區(qū)別在于：硬判決以閾值為準(zhǔn)繩，武斷地對輸入信號進(jìn)行判定；軟判決以閾值為參考，對輸入信號進(jìn)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(jìn)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(shí)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?cái)?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(jìn)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。
圖1.基于數(shù)字相干接收PM-QPSK調(diào)制100G接收機(jī)軟硬判決實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)對比
二、為什么要采用軟判決？
如圖1所示，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(jìn)一步提高FEC編碼增益。如圖2所示，2比特的軟判決（1比特猜測信息＋1比特可信度信息）較1比特的硬判決，其性能有顯著提升。一般而言，在相同開銷和編碼算法的情況下，軟判決相對于硬判決可以獲得1.1dB以上的編碼增益提升。
糾錯編碼技術(shù)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(jìn)行補(bǔ)償，特別是對非線性效應(yīng)影響的補(bǔ)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(jī)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(qiáng)度的變化越小，纖芯折射率的波動越小，非線性效應(yīng)的影響就越不明顯。因此，對于主要受到非線性效應(yīng)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(yuǎn)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(biāo)，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%。
圖2.軟判決提高糾錯編碼增益
三、如何實(shí)現(xiàn)軟判決？
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。圖1所示為基于數(shù)字相干接收PM-QPSK調(diào)制100G接收機(jī)軟硬判決實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)對比。輸入光信號經(jīng)光學(xué)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(jì)得到估計(jì)的四通道（Ix,Qx，Iy,Qy）數(shù)據(jù)用于判決。
從圖1可以看出，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3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。
圖3.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
四、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(jìn)一步提高編碼的糾錯能力，提高編碼增益�；谲浥袥Q和迭代算法的第三代糾錯編碼，其編碼增益可達(dá)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。LDPC碼即低密度奇偶校驗(yàn)碼（LowDensityParityCheck 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(biāo)準(zhǔn)DVB-S2采納。
五、烽火科技100G糾錯編碼技術(shù)
烽火科技100GDWDM采用了基于數(shù)字相干接收PM-QPSK調(diào)制技術(shù)，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4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(yàn)編碼（LDPC），這種組合實(shí)際上構(gòu)成三級鏈接碼。
之所以采用這種三級鏈接碼，是因?yàn)長DPC編碼具極強(qiáng)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(dǎo)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，如圖5所示。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(fù)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(fù)雜度、處理時延和功耗達(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。
圖4.烽火科技三級鏈接碼
圖5.外部糾錯編碼消除“誤碼平層”
六、100G軟判決現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)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(jī)，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(shù)的角度而言，軟判決相對于硬判決的成熟度問題實(shí)際上是一個偽問題。）
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100G測試結(jié)果以及100G行標(biāo)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(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(dāng)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?jǐn)傁陆捣浅？�。從長遠(yuǎn)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。
