近代通信技术的发展

        经过研究人员的不断研究与创新，光纤通信已经发展成为全球数据实时传输和互通互联的基石，承载着全球超过85%的数据流量传输。下表展示了光纤通信在近几十年的发展历程。

        迈入21 世纪，随着研究学者对光纤通信领域的不断探索，高阶正交幅度调制（M-Quadrature Amplitude Modulation, M-QAM）格式以其在有限频谱内传输更多信息的优势逐渐崭露头角。该技术的问世不仅为光纤通信灌注了新的生机，更是推动了光纤通信系统传输容量的增长。

        二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying, BPSK）、正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying, QPSK）、16-QAM 和64-QAM 等格式是目前光纤通信领域中广泛使用的调制方案，对应星座图如下图所示。

        对于 BPSK格式，每个码元对应一位信息；而对于QPSK 格式，每个符号对应两位信息比特；对于M-QAM 格式，每个码元含有的信息比特数量可以达到2 log M 。下表给出了BPSK、QPSK、16-QAM 和64-QAM 调制格式在单载波偏振复用通信系统中的相关指标。

        容易观察到，频谱利用率随着调制阶数的增加呈现逐渐上升的趋势。具体而言，QPSK格式的频谱效率是BPSK 格式的两倍，64-QAM 格式更进一步将频谱效率提升至BPSK 信号的六倍。

        尽管高阶调制格式具有更高的频谱利用率，可以达到更高的数据传输速率，然而其星座点更加密集，对传输过程中存在的干扰更为敏感。同时，由于星座点间的欧式距离减小，高阶调制信号对于光信噪比（Optical Signal Noise Ratio, OSNR）的要求也相应增加。

        在长距离光纤传输中，前向纠错（Forward Error Correction, FEC）在信道编码中扮演着关键的角色，能够有效提升光信号的信噪比。FEC 编码技术通过在信息中引入较少的冗余比特，以较低的宽带损失换取高可靠传输的有用数据。
相对于传统的高阶调制传输方案，结合FEC 编码技术的光纤传输系统能够有效改善光信噪比容限，提高系统抗干扰能力和传输容量。

        目前，高阶光纤通信系统中广泛采用的纠错码包括低密度奇偶校验（Low Density Parity Check,LDPC）码、里德所罗门（Reed Solomon, RS）码、Turbo 码等。

        相对于其余纠错码，性能逼近容量极限的LDPC 码，凸显出明显的优越性。LDPC 码作为一种线性分组码，其译码机制利用校验矩阵，允许高效并行迭代，具备低运算量和相对简单的硬件部署特性。

        近几年，国际电联将LDPC 码确定为50G PON 的信道编码方案，降低通信中光器件的指标要求。然而，尽管LDPC 码在多个领域取得了成功，但在应用于长距离光通信系统时，却出现了误码平层现象。该现象在高阶调制信号传输中变得尤为明显，因此迫切需要一种适用于高阶光通信系统的编码算法，以有效降低误码平层。

        同时，为了满足高阶光通信系统对实时性的要求，需要采用低复杂度的译码算法，以确保系统可以及时而有效地处理信息。
高阶调制格式的光通信系统是应对当今通信容量急剧攀升问题的重要技术，是未来光通信研究的关键方向。然而，在当前高阶光通信系统中，LDPC 码仍然面临着误码平层和高阶调制信号带来的译码延迟等技术挑战。