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量性能的指標參數，有哪些？怎么定義的？相互之間有什么關系？抓住本質了，記住一個就夠了。

我們知道，表征通信系統質量的指標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，信號優劣程度相關，最終性能相關這三個方面的參數。詳細的可見下表。

表1. 光通信系統衡量可靠性和有效性的指標參數

表中有些參數是系統的設計指標，比如比特速率，而有些是最終的信號質量評價指標，比如誤碼率。我們今天主要關注的是評價指標，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，上式中默認了是有個假設的，假設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）滿足關系：

(2)

上式中，如果是均勻分布的M階調制格式，每符號比特數為：

從而，

(3)

對于單偏振態信號的光信噪比OSNR，它的定義為：

(4)

其中，2表示的是2個偏振態上噪聲功率之和，OSNR的定義是信號功率降低參考帶寬內的噪聲總功率（包含2個偏振態），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？根據頻率與波長的關系，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，繼續變換得到：

(6)

這就得到了單偏振信號OSNR與SNR之間的關系，上式中假設了光路中只有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的區別，不過二者也可以寫成統一的形式，如下：

(8)

其中，為兩個偏振態上的平均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具有嚴格的解析表達式，如下表所示：

表1. 常見調制格式的BER與SNR關系

而如果對于非方形QAM等沒有解析表達式的情況，則可以通過蒙洛卡羅數值仿真的方法得到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的關系，就可以得到BER與OSNR之間的關系了，大致關系曲線是瀑布形，如圖2所示

圖2. 30GG波特時不同調制格式BER與OSNR的關系曲線

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量呢？通常有兩種手段，眼圖和星座圖。對于強度調制的信號，通常直接用眼圖儀來測量信號的眼圖，而對于幅相調制的信號，通常要用光調制分析儀（OMA），在相干混頻之后結合DSP算法解調，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量的好壞呢？

眼圖上其實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準差，I0和σ0分別為低電平的信號幅度和噪聲標準差。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，表示信號質量越好。

星座圖則表示信號在IQ復平面上的分布，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為調制階數，N為接收到的符號數量。EVM越大說明信號受干擾越大，恢復出的信號誤差越大，反之則干擾小，信號誤差小。

進一步分析不難發現上式的分子部分相當于是信號的噪聲項，因此可以推導得到，當N相當大時，EVM和SNR滿足下列關系：

（9）

即，

(10)

由于SNR與OSNR關聯，SNR與BER有關聯，BER與Q關聯，EVM與SNR關聯，從而可以得出的結論是BER、Q、EVM、SNR、OSNR之間都是存在確定關系的，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單位，與功率相關的量用XdB=10*log0(X，如SNR，OSNR，否則用XdB=20*log10X)，如EVM，Q。

從而理論上，這么多評估信號質量的參數和指標，其實只有1個獨立變量，這就像我們現在困在家每天通過各種途徑打卡匯報體溫一樣，很多的重復勞動。其實通信系統信號質量的終極決定因素，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。事實也證明了OSNR確實是光通信系統里很好的一個觀測和評價指標。不過理論歸理論，實際可就比這個復雜了，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，而且對非線性效應敏感的原因了。

對于OSNR的監測，一般用光譜儀（OSA）來測量，對于多信波號，首先在帶寬B1內測量待測信號與噪聲總功率P1，然后關掉待測波道，測量帶寬B1內的噪聲功率P2，同時測得0.1nm帶寬內噪聲功率P3。利用公式OSNR=(P1-P2)/P3。對于單波就更容易了。當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點或5點法來測的好像是帶外OSNR了，自動測的不是太準，功能有點雞肋。

測OSNR的時候有幾點要注意。1. 設置OSA的分辨率，不大于0.1nm,一般越小越好；2. OSA光譜上光標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。