光通信中有很多的基本概念，有的時候既容易混淆又容易理解偏差。今天就來理一理表征信號質(zhì)量性能的指標(biāo)參數(shù)，有哪些？怎么定義的？相互之間有什么關(guān)系？抓住本質(zhì)了，記住一個就夠了。

我們知道，表征通信系統(tǒng)質(zhì)量的指標(biāo)包括可用性和可靠性兩個方面，具體來講主要涵蓋速率相關(guān)，信號優(yōu)劣程度相關(guān)，最終性能相關(guān)這三個方面的參數(shù)。詳細(xì)的可見下表。

表1. 光通信系統(tǒng)衡量可靠性和有效性的指標(biāo)參數(shù)

表中有些參數(shù)是系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)，比如比特速率，而有些是最終的信號質(zhì)量評價指標(biāo)，比如誤碼率。我們今天主要關(guān)注的是評價指標(biāo)，包括SNR，OSNR，EbN0，BER，Q，EVM。

首先看看他們的定義及怎么計算吧。對于單偏振信號，信噪比

(1)

需要注意的是，上式中默認(rèn)了是有個假設(shè)的，假設(shè)信號是以最小帶寬接收的，此時信號帶寬（噪聲帶寬）等于波特率。

比特信噪比與符號信噪比（SNR）滿足關(guān)系：

(2)

上式中，如果是均勻分布的M階調(diào)制格式，每符號比特數(shù)為：

從而，

(3)

對于單偏振態(tài)信號的光信噪比OSNR，它的定義為：

(4)

其中，2表示的是2個偏振態(tài)上噪聲功率之和，OSNR的定義是信號功率降低參考帶寬內(nèi)的噪聲總功率（包含2個偏振態(tài)），Bref是參考帶寬，一般是0.1nm，在1550nm處，Bref=12.5GHz。這里有個小問題，怎么把波長間隔換算成頻域帶寬呢？根據(jù)頻率與波長的關(guān)系，兩邊分別對波長微分，就可以得到：

（5）

代入中心波長，真空光速c，和波長間隔就可以得到頻率間隔。

回到OSNR的定義上，繼續(xù)變換得到：

(6)

這就得到了單偏振信號OSNR與SNR之間的關(guān)系，上式中假設(shè)了光路中只有EDFA的ASE噪聲，所以N0=Nase，這在一般鏈路上是成立的。而對于偏振復(fù)用信號，容易得到：

（7）

從（6）和（7）式可知單偏信號的OSNR與雙偏信號有3dB的區(qū)別，不過二者也可以寫成統(tǒng)一的形式，如下：

(8)

其中，為兩個偏振態(tài)上的平均SNR，即：

(9)

（8）式對于單偏和雙偏信號均適用，單偏的話y偏振功率Psy=0,而x,y兩路噪聲功率譜相同，N0x=N0y，也就相當(dāng)于多出了一個2,與（6）和（7）式一致。

SNR和 OSNR的定義可以用下圖形象地來表示。

圖1. SNR和OSNR定義圖示。

OSNR和 BER的關(guān)系是怎樣的呢？

首先我們知道對于格雷映射的方形MQAM和 MPSK，BER與SNR具有嚴(yán)格的解析表達(dá)式，如下表所示：

表1. 常見調(diào)制格式的BER與SNR關(guān)系

而如果對于非方形QAM等沒有解析表達(dá)式的情況，則可以通過蒙洛卡羅數(shù)值仿真的方法得到BER與SNR的曲線，通過插值就能得到任意SNR的BER。

再利用OSNR與SNR的關(guān)系，就可以得到BER與OSNR之間的關(guān)系了，大致關(guān)系曲線是瀑布形，如圖2所示

圖2. 30GG波特時不同調(diào)制格式BER與OSNR的關(guān)系曲線

而BER和Q之間滿足：

（7）

反推得到Q

（8）

再說說怎么以圖形化的方式評估信號的質(zhì)量呢？通常有兩種手段，眼圖和星座圖。對于強(qiáng)度調(diào)制的信號，通常直接用眼圖儀來測量信號的眼圖，而對于幅相調(diào)制的信號，通常要用光調(diào)制分析儀（OMA），在相干混頻之后結(jié)合DSP算法解調(diào)，測量信號的星座圖以及I，Q支路上的眼圖。

眼圖是多段時域信號在固定時間窗口位置處的波形疊加，NRZ的眼圖看來像人的眼睛，因此而得名，如圖3.

圖3. 典型NRZ眼圖

從眼圖上我們怎樣看出信號質(zhì)量的好壞呢？

眼圖上其實(shí)也可以測量信號和噪聲幅度計算出信號的Q值，

其中I1和σ1分別為高電平的信號幅度和噪聲標(biāo)準(zhǔn)差，I0和σ0分別為低電平的信號幅度和噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。信號的幅度很容量觀察，上下眼皮的高度，上下眼皮的厚度分別代表了高低電平噪聲的相對大小，眼高最大的地方代表的是最佳判決時刻，眼圖上升下降沿的寬度，暗示了時鐘抖動的大小。通常眼高越高，眼寬越寬，表示信號質(zhì)量越好。

星座圖則表示信號在IQ復(fù)平面上的分布，如圖4所示。

圖4. 16QAM星座圖（AWGN噪聲）

從星座圖上也能讀出很多的信息，比如IQ幅度失衡，相位偏差，IQ時延，噪聲大小，還有信號誤差矢量EVM。

圖5. EVM示意圖

EVM是指接收到的信號與理想信號之間誤差矢量的幅度，如圖5所示。EVM一般用歸一化的百分比或dB來表示。計算公式如下：

** (8)**

其中，P0為理想符歸一化的平均功率，M為調(diào)制階數(shù)，N為接收到的符號數(shù)量。EVM越大說明信號受干擾越大，恢復(fù)出的信號誤差越大，反之則干擾小，信號誤差小。

進(jìn)一步分析不難發(fā)現(xiàn)上式的分子部分相當(dāng)于是信號的噪聲項(xiàng)，因此可以推導(dǎo)得到，當(dāng)N相當(dāng)大時，EVM和SNR滿足下列關(guān)系：

（9）

即，

(10)

由于SNR與OSNR關(guān)聯(lián)，SNR與BER有關(guān)聯(lián)，BER與Q關(guān)聯(lián)，EVM與SNR關(guān)聯(lián)，從而可以得出的結(jié)論是BER、Q、EVM、SNR、OSNR之間都是存在確定關(guān)系的，理論上只要知道其中任何一個，都可以換算得到其它的所有值。

另外，從線性單位換算到對數(shù)單位，與功率相關(guān)的量用XdB=10*log0(X，如SNR，OSNR，否則用XdB=20*log10X)，如EVM，Q。

從而理論上，這么多評估信號質(zhì)量的參數(shù)和指標(biāo)，其實(shí)只有1個獨(dú)立變量，這就像我們現(xiàn)在困在家每天通過各種途徑打卡匯報體溫一樣，很多的重復(fù)勞動。其實(shí)通信系統(tǒng)信號質(zhì)量的終極決定因素，是噪聲和干擾的程度，而SNR正是表征的這個，因而上面的這么多參量知道其一就能推演其它所有也并不奇怪。事實(shí)也證明了OSNR確實(shí)是光通信系統(tǒng)里很好的一個觀測和評價指標(biāo)。不過理論歸理論，實(shí)際可就比這個復(fù)雜了，不僅有光的噪聲，也有電的噪聲，還有非線性，相互混疊在一起就麻煩了。這也是為什么基于DSP的方法算SNR然后再擬合OSNR精確度不高，而且對非線性效應(yīng)敏感的原因了。

對于OSNR的監(jiān)測，一般用光譜儀（OSA）來測量，對于多信波號，首先在帶寬B1內(nèi)測量待測信號與噪聲總功率P1，然后關(guān)掉待測波道，測量帶寬B1內(nèi)的噪聲功率P2，同時測得0.1nm帶寬內(nèi)噪聲功率P3。利用公式OSNR=(P1-P2)/P3。對于單波就更容易了。當(dāng)然也可以只測一次噪聲功率，然后基于噪聲基底是平坦的這一假設(shè)直接按比例換算求得噪聲和信號分別的功率。OSA的話常用的是Yokogawa,或者Finisar的。甚至有的光譜儀自帶自動測試OSNR的功能，基于3點(diǎn)或5點(diǎn)法來測的好像是帶外OSNR了，自動測的不是太準(zhǔn)，功能有點(diǎn)雞肋。

測OSNR的時候有幾點(diǎn)要注意。1. 設(shè)置OSA的分辨率，不大于0.1nm,一般越小越好；2. OSA光譜上光標(biāo)顯示的是功率譜密度，需要積分算功率；3. 測量信號和噪聲總功率時，帶寬B1要大于信號譜寬。