鏈路系統(tǒng)中的信噪比

伴隨著數(shù)字信號處理DSP出現(xiàn)，相干技術(shù)在鏈路系統(tǒng)中得以普及采用。該技術(shù)帶來的好長顯而易見的。鏈路中進(jìn)行的光纖色散補(bǔ)償可以轉(zhuǎn)移到電子系統(tǒng)中進(jìn)行處理，從而給系統(tǒng)帶來了很大的簡化。這種系統(tǒng)級的變化，還帶來了另一個好長就是系統(tǒng)建模的可能性。

對于光纖色散補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，利用系統(tǒng)建模對系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測一直存在很大的問題，而對于非色散補(bǔ)償系統(tǒng)，系統(tǒng)建模的預(yù)測準(zhǔn)確性已經(jīng)在過去的若干年得以驗證。

高斯噪聲（GN）模型是近幾年來提出的幾個模型之一，或許是研究最多的模型。高斯噪聲模型相對來說比較簡單，但也是一個足夠可靠的模型。很多公開的研究中，該模型在比較廣泛的系統(tǒng)場景下的進(jìn)行了性能預(yù)測，預(yù)測結(jié)果和實驗比較結(jié)果保持了很好的一致，這樣，該模型對系統(tǒng)分析和設(shè)計都變得非常有效。

信噪比是模型研究的目標(biāo)之一。

信噪比在不同的對象上具有不同的定義，具有不同的目的。這幾個不同的定義是非常必要的，因為系統(tǒng)的整體信噪比可以劃分為若干個子系統(tǒng)的信噪比，從而針對不同的子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和分析。

整體信噪比和各個子系統(tǒng)的信噪比關(guān)系

常見的信噪比根據(jù)產(chǎn)生噪聲的源頭劃分成幾個部分，主要是鏈路中的光纖放大器帶來的噪聲，光纖的非線性NLI噪聲，光纖的聲波導(dǎo)布里淵散射GAWBS噪聲，以及收發(fā)器內(nèi)部的噪聲。

鏈路中的光纖放大器帶來的噪聲為放大自發(fā)輻射(ASE)帶來的噪聲，為光信噪比OSNR的主要來源。而放大自發(fā)輻射(ASE)噪聲，加上光纖的非線性噪聲以及光纖的聲波導(dǎo)布里淵散射噪聲，組成了光纖的廣義信噪比GSNR。如果再加上系統(tǒng)的電子收發(fā)器內(nèi)部的噪聲，則形成系統(tǒng)的SNRtotal。這是建模系統(tǒng)分析中的最基礎(chǔ)的內(nèi)容。

則廣義噪聲功率為

其光信噪比OSNR主要來源于光纖放大器帶來的噪聲

其廣義信噪比GSNR包含了光纖中三個主要噪聲來源

或者

而考慮收發(fā)器內(nèi)部的噪聲，則為系統(tǒng)整體的信噪比

OSNR來自光纖放大器內(nèi)部，光纖中則保持不變。光纖的NLI和GAWBS的SNR來自于整個光纖的跨度。兩者都是光的部分的噪聲帶來的信噪比。收發(fā)器為電氣部分的噪聲帶來的信噪比。對于整個系統(tǒng)來說，系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)的性能預(yù)測都需要考慮所有這些因素。

首先來看ASE信噪比。

放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲來自于光纖放大器介質(zhì)中高能級自發(fā)躍遷到低能級時釋放的光子。980nm的泵浦源激發(fā)電子到激發(fā)態(tài)進(jìn)而躍遷到亞穩(wěn)態(tài)，或者1480nm的泵浦源激發(fā)電子躍遷到亞穩(wěn)態(tài)。電子在該亞穩(wěn)態(tài)或許會發(fā)生自發(fā)輻射，形成光子能量發(fā)射出來。這些自發(fā)輻射的光子一旦在光纖中形成傳播模式，將帶來ASE噪聲。

自發(fā)輻射是一個隨機(jī)過程，它和受激發(fā)射中光子等同于信號光子不同，具有隨機(jī)的相位和頻率，并且向各個方向傳播，可以處理為高斯噪聲。這種隨機(jī)過程的特征是噪聲功率譜隨著頻率變化呈平坦化。

這樣對于定義和識別帶來一點問題。光信噪比OSNR原則上是信號功率和ASE噪聲功率的比值，測量出的信號平均功率實際上包含了ASE噪聲功率。

但是由于ASE噪聲功率相對信號功率非常小，則還可以直接用公式繼續(xù)計算

當(dāng)然相關(guān)的測量設(shè)備可以在濾波后依舊可以正確識別并計算。

從計算的角度看，OSNR通常定義為平均光功率與0.1nm的帶寬內(nèi)ASE噪聲功率之比。

對于1550nm波長，0.1nm帶寬對于12.48GHz。

對于單個光放大器，0.1nm帶寬Bopt中的平均噪聲功率為其功率譜密度和0.1nm帶寬的乘積，這個容易理解。

式中的2代表兩個偏振，如果只考慮一個偏振，則去掉2即可。

而其功率譜密度為：

Nsp為發(fā)生自發(fā)輻射因子，G為放大器增益。

放大器的噪聲因子Fn和自發(fā)輻射因子Nsp，放大器增益G有如下關(guān)系。

當(dāng)G>>1時，可以有如下簡化

根據(jù)這些經(jīng)典的公式，可以根據(jù)放大器的噪聲因子Fn，放大器增益G，工作波長，光纖放大器的輸入功率，簡單的計算出單個光纖放大器的OSNR。

在整個鏈路中一般肯定不至一個光纖放大器，乃至數(shù)據(jù)中心之間的互聯(lián)也存在多個光纖放大器，這樣就需要計算整個鏈路中累計的OSNR。

對于經(jīng)典的計算方法，有兩類方法進(jìn)行初步預(yù)測，當(dāng)然，實際建模系統(tǒng)中需要更為復(fù)雜的準(zhǔn)確的計算方法。

第一中簡單的方法是假定每一跨段的參數(shù)均相同，簡單計算相關(guān)的損耗和增益，比如

OSNR = 58 + Ptop - Nch - G - NF -Nr

Ptop為光纖放大器輸出功率(dBm)

G光纖放大器增益

Nch通道數(shù)量(dB)

NF光纖放大器噪聲因子(dB)

Nr為鏈路中光纖放大器數(shù)量(dB)

這個方法的假定帶來的差距可能比較大。所以第二種方法可能更好一點，為各段單獨(dú)計算后累計所得整體的OSNR。

OSNRi = 1/(1/OSNR(i-1) + NF.h.v.Δf /Pin)

Pin為每個光纖放大器的輸入功率

OSNR(i-1)為前一段光纖放大器的光信噪比。

由于單獨(dú)考慮各跨段的光纖放大器，該方法相對來說更具有參考性。