光纤通信系统传输性能指标

#学习笔记

#参考《光纤通信》第五版

眼图

眼图是评估数字传输系统数据处理能力确实是一种极为有效的测量方法。眼图通过在时域中实时显示波形失真情况，能够直观地展示数字信号在传输过程中的质量特性。现代误码率测试仪（BERT）在构建眼图时，通过产生速率相同但方式随机的伪随机0、1图案来实现，这种方法进一步增强了眼图评估的准确性和可靠性。当这些脉冲图案同时叠加一起，会产生下图眼图图案。

眼图评估的基本原理

眼图的形成主要基于示波器的实时显示功能，将数字信号在时域上进行叠加和观察。当数字信号（如伪随机比特流）通过传输系统后，其波形会受到各种因素的影响（如噪声、抖动等），导致波形失真。眼图通过将这些失真波形在示波器上进行叠加显示，形成一个类似“眼睛”的图案，从而可以直观地评估信号的传输质量。

伪随机码在眼图评估中的应用

伪随机码（如PRBS，Pseudo-Random Binary Sequence）是一种具有随机特性的序列，但其产生方式是确定的，因此可以重复产生。在眼图评估中，伪随机码被广泛用于生成测试信号。伪随机指产生0、 1序列实际上是重复的，但对测试目的而言已经具有足够的随机性了。通过产生速率相同但方式随机的伪随机0、1图案，可以模拟实际传输过程中的各种情况，从而更全面地评估数字传输系统的数据处理能力。2比特长的二进制伪随机序列(PRBS）有4种不同组成方式，3比特的PRBS有8种，N比特长的PRBS有 $2^{N}$ 种不同组成方式。PRBS代码长度是 $2^{N}-1$ ，其中N是一个整数

模板测试

对畸变眼图特性的判读是通过模板测试完成的。工业上定义的模板呈多边形或正方形，必须在眼图张开区域之内，如图所示。模板高度与信号功率电平成正比，这个高度表明为了获得特定误码率，1电平和0电平之间所需的最小差别可从Q因子中推导出来。多边形边缘的斜率支出了10%~90%的上升和下降时间。模板宽度和比特率成正比，即比特率越高，宽度越窄。过冲参数和凹陷参数分别是1电平和0电平的边界。大部分现代误码测试仪器的操作软件都内置了很多不同协议的模板可供选择。模板参数的单位是单位间隔（UI）。

眼图测试参数定义如下：

压力眼图

随着信号速率的提升和系统链路复杂度的加剧，接收端的性能评估变得越来越重要。传统的测试方法，如示波器测试抖动和眼图等参数，虽然可以衡量发射端的性能，但无法验证接收端在恶劣条件下的容忍程度。因此，压力眼图测试成为了一种必要的补充手段。压力眼图（Stressed Eye Diagram）是一种用于评估高速数字通信系统中接收端性能的重要工具。其核心思想是通过向接收端施加一个严重劣化的信号（即压力眼图），来检测在这种极端情况下，接收端是否仍能够正确地接收和解码信号。这种方法对于评估接收端的接收容忍能力（即接收容限）尤为重要。

这种测试的概念是假设信号上所有可能的抖动和码间干扰损伤会使眼图闭合成一个菱形，如图所示，如果待测光接收机眼图张开程度高于确定无误码工作时的这种菱形图案，那么实际的现场系统中预计也能正常运行。

眼图轮廓

与压力眼图相关的一个参量称为BER轮廓（误码率眼图轮廓（Bit Error Ratio Eye Contour）），显示眼图内误码概率的不同等级，随着斜率变陡，不同的BER轮廓更加靠近。这意味着如果接收机工作在靠近这种陡的轮廓边缘处，更容易发生误码，因此在轮廓边界内，接收机判决点越远，它的性能就越好，这样的情况称为健康眼图。

####################################################部分注释

比特

比特（Bit）是信息技术中的最小单位，是二进制数的一位包含的信息或两个相等可能状态之一。简单来说，比特就是0或1，它是计算机存储和处理信息的基本单位。在数字通信中，比特通常用来表示一个数据单元，可以是文本、图像、声音等信息的最小组成部分。

比特率

比特率（Bit Rate），又称为“二进制位速率”，是衡量单位时间内数据传输速率的指标，单位通常为比特每秒（bps，Bits Per Second）。比特率表示的是每秒传输的比特数量，它决定了数据传输的速度和质量。在数字通信系统中，比特率越高，表示单位时间内传输的数据量越大，但也可能受到信道带宽、噪声、信号衰减等因素的限制。

误码率

误码率BER是一个统计参量，它的值取决于测量时间以及引起误码的原因，比如信号色散、累积过剩噪声以及定时抖动等。测量BER时要计算在特定的时间间隔 $\Delta T$ （选通时间）中产生误码的比特数量以及接收到的总比特数。在相对稳定的传输链路中如果误码是由于高斯噪声引起，则BER不会随时间强烈起伏，如图(a)所示。这种情况下测量选通时间内需要发生100个以上的错误以确保统计上有效的BER。当发生突发错误，如图(b)所示，需要更长的测量时间来累积100个错误来去报测量的统计正确性。

比特速率是B时，当在时间窗口 $\Delta T$ 中发生 $N_{e}$ 个误码，则BER为

$BER=\frac{N_{e}}{B\Delta T}$

因此需要测量 $N_{e}=100$ 个误码的宣选通时间窗口为 $\Delta T=100/\left ( BER\times B \right )$

码型发生器产生一列PRBS（伪随机二进制序列（Pseudo-Random Binary Sequence））以光的形式通过传输链路发送出去，在接收端，误码检测器将接收到的比特数据流与参考信号比较。在BER测试中这两个信号必须在时间上精确同步才能正确地比较。

如图，为了确定误码数量，误码检测器使用一个异或（XOR）门，对达到的比特和来自参考路径的比特进行比较。当来自参考路径和传输路径的数据码型一致并在时间上同步时，异或门输出为0.若在某个比特周期内码型不匹配，异或门输出比特1，意味着出现1个比特的误码。

光信噪比OSNR

在有光放大的多跨距DWDM网络中，系统性能主要受限于OSNR，而不是到达接收机的光功率。

光信噪比（OSNR, Optical Signal-to-Noise Ratio）是在光信号的有限带宽内，光信号功率与噪声功率的比值，是衡量光网络性能优劣的重要指标之一。它直接反映了传输信号以及信道环境的优劣，OSNR越高，表明光信号受到噪声的干扰越小，信号传输的可靠性越高。反之，OSNR越低，则信号受到的噪声干扰越大，可能导致传输过程中的误码率增加。OSNR通常通过光谱分析仪等专用仪器进行测量。

$OSNR=\frac{P_{ave}}{P_{ASE}}$

或用分贝形式表示：

$OSNR\left ( dB \right )=10lg\frac{P_{ave}}{P_{ASE}}$

OSBR与信号格式、脉冲形状或光滤波器带宽等因素无关，只取决于OSA测量到的平均光信号功率 $P_{ave}$ 和平均ASE噪声功率 $P_{ASE}$

IEC标准61280-2-9将OSNR定义为信道的峰值信号功率与在峰值处噪声功率差值的比值，此文件将OSNR定义为：

$OSNR=10lg\frac{P_{i}}{N_{i}}+10lg\frac{B_{m}}{B_{o}}$

其中第二项给出的OSNR值与仪器的分辨率带宽 $B_{m}$ 无关，这样可以比较不同OSA仪器得到的OSNR结果。为了获得合理的OSNR测量结果，OSA的波长测量范围必须足够宽，足以包含所有DWDM信道。另外分辨率带宽也要足够大，要包含每个调制信号的整个信号功率谱，这对噪声测量的精确度有直接影响。

OSNR受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：

1）入纤光功率：入纤光功率的大小直接影响光信号在传输过程中的衰减和噪声积累。

2）出纤光功率：虽然出纤光功率本身不直接影响OSNR，但它反映了光信号经过传输链路后的强度，对接收端的光信号质量有一定影响。

3）线路损耗：线路损耗会导致光信号在传输过程中逐渐减弱，从而降低OSNR。

4）线路色散：线路色散会使光信号在传输过程中发生展宽和畸变，增加噪声干扰，降低OSNR。

5）光放大器噪声：在光网络中，光放大器是常用的信号放大设备。然而，光放大器在放大光信号的同时也会引入噪声，从而影响OSNR。

###################################################部分注释

DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexing，即密集波分复用技术。这是一种光纤数据传输技术，通过利用激光的不同波长在单根光纤内并行传输数据，从而显著提高光纤的传输容量。DWDM技术中的波长间隔通常非常小，一般在0.2nm到1.2nm之间，这使得在同一根光纤中可以复用大量的波长。由于采用了密集波分复用，DWDM技术可以显著提高光纤的传输效率，使得单根光纤能够承载的数据量大幅增加。特性：高容量、长距离传输

Q因子

Q因子（Quality Factor）是一个重要的性能参数，用于衡量光信号的质量以及光通信系统的性能。Q因子被定义为在接收机判决电平下信号功率和噪声功率的比值，即在最佳判决点、判决电路的信噪比。它是衡量光通信系统信号质量的一个重要指标，能够反映光通道的性能。Q因子越高，表示信号质量越好，信噪比越高，系统的误码率也就越低。这是因为较高的Q因子意味着信号功率相对于噪声功率更大，从而提高了信号的正确判决率，降低了误码率。

数字链路中误码概率 $P_{e}$ 与Q因子相关联如下：

对于畸变的眼图，Q因子可以表示为

对于超过15dB的OSNR值，信号-ASE噪声是主要的噪声因子，因此ASE-ASE差拍噪声和散粒噪声可以忽略，在这种情况下，畸变眼图的Q因子可以表示成如下的简化关系：

$Q=\frac{\left ( \sqrt{A}-\sqrt{B} \right )\sqrt{P_{ave}}}{\sqrt{S_{ASE}B_{e}}}=\frac{\left ( \sqrt{A}-\sqrt{B} \right )}{\sqrt{B_{e}}}\sqrt{OSNR}$

OSNR表示光信号功率与噪声功率的比值。在光纤通信系统中，OSNR的改善或劣化会直接影响Q因子的值。具体来说，OSNR改善1dB等同于Q值提高1dB；OSNR劣化1dB则等同于Q值降低1dB。这表明OSNR和Q因子在衡量光信号质量时具有一致性。在高速传输系统中（如单信道10G及以上速率），非线性效应可能会对系统性能产生显著影响。在这种情况下，仅依靠OSNR可能无法更准确地衡量系统性能，而Q因子则能够更全面地反映系统的性能状况。

####################################################部分注释

判决电平

判决电平是指在信号接收过程中，用于区分不同信号状态（如0和1）的电平阈值。在数字通信系统中，接收到的信号波形可能会受到信道噪声、衰减等因素的影响而发生畸变。为了从畸变的信号中恢复出原始的比特序列，接收端需要设置一个判决电平，当信号电平高于此阈值时，判定为一个状态（如1），低于此阈值时，则判定为另一个状态（如0）。

判决电平的选择对于系统的误码率有直接影响。如果判决电平设置不当，可能会导致信号状态的误判，从而增加误码率。因此，在实际应用中，需要根据系统的具体情况和性能要求来选择合适的判决电平。

最佳判决点

最佳判决点是指在信号接收过程中，使得系统误码率最低或性能最优的判决电平位置。在光纤通信系统中，由于光纤信道以及接收机频率特性和噪声的影响，接收端信号波形会发生畸变。为了克服这种畸变并尽可能准确地恢复出原始信号，需要确定一个最佳判决点。

最佳判决点的确定通常基于最佳检测理论，如最小错误概率准则。在二进制通信系统中，最佳判决点通常位于信号波形中两个状态（0和1）的交界处附近，使得信号在该点处被误判的概率最小。

判决电路

判决电路是信号处理电路中的一种，其主要作用是根据判决电平对接收到的信号进行判决，以恢复出原始的比特序列。判决电路通常包括比较器、触发器等元件，它们共同工作以实现对信号状态的识别和转换。

在光纤通信系统中，判决电路是接收机的重要组成部分。它接收来自光检测器的电信号，并将其与判决电平进行比较。根据比较结果，判决电路输出相应的逻辑电平信号，以表示原始的比特序列。

光调制幅度OMA

长途网络使用高质量激光器，消光比很高.

与之相反，为了降低光以太链路的成本需要使用价格低廉、低消光比的激光器，此时低消光比使压力眼图部分闭合，平均光功率测量不能较好地给出接收机性能。从而需要对传统用来确定长途接收机性能的测试方法进行修改，这种需求催生了光调制幅度OMA方法的诞生。

测量压力眼图如上图所示，为了测量OMA，用一个发送机输出重复的方波，通常是5个1码和5个0码，在接收机处从这个码型中可以得到三个关键参数：

光调制幅度定义为两个功率之差：

$OMA=P_{1}-P_{0}$

基本测试设备

测试用光源

1）可调谐激光器

是测试光器件或链路与波长相关响应的重要仪器，能在每个选定的波长点上产生真正的单模激光谱线。

2）宽带非相干光源

评估无源DWDM部分所需要的光源，耦合进单模光纤中的输出功率可以很高，这种仪器乐意通过使用EDFA中放大的自发辐射（ASE）来实现。

光谱分析仪

光谱分析仪OSA是用来进行光谱分析的，测量得到的光功率是波长的函数，最普通的实现途径是利用基于衍射光栅的光滤波器，波长分辨率小于0.1nm。波长分辨率由OSA中的光滤波器的带宽决定。“分辨率”带宽用于描述光滤波器的带宽。OSA通常扫描一个光谱区，并在离散的波长点上进行测量。波长间隔，也就是所谓的轨迹点间距取决于仪器的带宽分辨能力。

多功能光测试仪

多功能光测试仪是一种综合性的光学测试仪器，它结合了多种光学测试技术，能够实现对光信号、光器件、光网络等多种对象的测试和分析。根据不同的测试对象和测试需求，多功能光测试仪可以分为多种类型，如光纤测试仪、光缆普查仪、光功率计、光谱分析仪等。它利用光电探测器将光信号转换为电信号，然后通过电子电路对电信号进行处理和分析，最终得到所需的测试结果。

1）光纤测试：多功能光测试仪能够测试光纤的衰减、长度、色散等参数，帮助用户了解光纤的性能状况。

2）光缆普查：针对光缆网络，多功能光测试仪能够识别光缆的路由、查找光缆故障点，提高光缆网络的维护效率。

3）光功率测量：通过光功率计模块，可以测量光信号的功率大小，确保光信号在传输过程中的稳定性。

4）光谱分析：光谱分析仪模块可以分析光信号的波长成分，对于光通信系统的调试和优化具有重要意义。

光衰减器

如果电平太高，如光放大器的输出，则测量信号前需要经过精确衰减，这样做是为了避免仪器损坏或测量的过载失真，光衰减器允许用户降低光信号电平。

光传送网（OTN）测试仪

光传送网（OTN）测试仪是一种在电子与通信技术领域广泛应用的电子测量仪器，专门用于测试和分析光传送网（OTN）的性能和参数。

1）光接口测试：能够测试OTN光接口的性能参数，如光功率、光波长、光信噪比等。

2）开销及维护信号测试：能够测试OTN帧中的开销信号和维护信号，确保信号的正确传输和处理。

3）抖动测试：测试OTN网络中的抖动性能，确保信号传输的稳定性和可靠性。

4）网络性能测试：对OTN网络的整体性能进行测试，包括吞吐量、延迟、丢包率等关键指标。

5）设备功能测试：测试OTN设备的各项功能是否正常，如交叉连接、保护倒换等。

可视故障指示仪

可视故障指示仪是一种安装在电力线（如架空线、电缆等）或相关设备上的装置，用于指示和显示故障状态。功能主要包括故障检测、故障指示（如通过红牌、灯光等方式）、故障定位（如结合GPS定位系统）以及数据上传至监控平台等。

标签：人工智能信息与通信

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