Методы оценки качества цифрового сигнала

В предыдущей статье были рассмотрены общие аспекты оценки качества и измерений в цифровых системах связи. Дальнейшее рассмотрение начнем с анализа методов оценки качества сигнала в этих системах

Глаз-диаграмма

   Удобным (и гениально простым!) графическим методом оценки качества цифрового сигнала на выходе регенератора является глаз-диаграмма. Она представляет собой результат наложения всех возможных импульсных последовательностей в течение промежутка времени, равного двум тактовым интервалам линейного сигнала.
   Наиболее простой пример - диаграмма для троичного (возможные уровни -1, 0, +1) линейного сигнала при косинус-квадратной форме входного сигнала регенератора. Хорошо видна область («раскрыв») глаз-диаграммы, в пределах которой должна производиться операция решения (т.е., опознания сигнала) для каждого из двух уровней решения. Горизонтальные линии, обозначенные через +1, 0 и -1, соответствуют амплитудам импульсов при отсутствии помех. Вертикальные линии через каждый тактовый интервал Т соответствуют идеальным моментам решения

   Процесс принятия решения показан в виде двух крестиков в каждом раскрыве глаз-диаграммы. При этом вертикальная черта каждого крестика определяет момент решения, а горизонтальная - уровень решения. Гарантией безошибочной регенерации цифрового сигнала является наличие вблизи каждого крестика некоторой области, в пределах которой и должно происходить опознание сигнала.

   Наличие помех приводит к уменьшению этой области по сравнению с идеальным случаем. Минимальное расстояние между центром крестиков и краями глаза является мерой запаса помехозащищённости. Этот запас уменьшается как из-за искажений формы импульса, так и вследствие несовершенства самого процесса принятия решения. Причём первая причина приводит к уменьшению раскрыва глаз-диаграммы, а вторая - к перемещению точки принятия решения вдоль границ глаза. Для удобства дальнейших рассуждений будем считать, что точка принятия решения остаётся неподвижной, а уменьшается раскрыв глаз-диаграммы.

   Искажения, возникающие в соответствии с двумя указанными причинами, принято подразделять на амплитудные и временные, соответствующие смещению точки принятия решения по вертикали и горизонтали.

   Степень уменьшения раскрыва глаз-диаграммы по вертикали определяется результирующими искажениями, включающими межсимвольные помехи, эхо сигналы, изменения амплитуды импульсов на выходе регенератора, погрешность порогов решающих устройств. В результате этих воздействий появляется вертикальная составляющая искажений глаз-диаграммы ΔA. Именно на эту величину должны быть сдвинуты края идеальной глаз-диаграммы.

   Временные искажения глаз-диаграммы ΔТ, включающие несоответствие моментов решения их статическим значениям и джиттер, учитываются обычно смещением границ «глаза» по горизонтали.

   Очевидно, что для компенсации ухудшения реальной глаз-диаграммы по сравнению с идеальной необходимо увеличить величину отношения сигнал/шум на величину ΔS/N = 20 lg (H/h), дБ, где H и h представляют собой вертикальный раскрыв идеальной и реальной глаз-диаграмм соответственно.

 

Коэффициент битовых ошибок

Ключевым параметром качества ЦСП являются ошибки. Существует множество показателей ошибок, которые мы поочередно рассмотрим ниже. Самым простым из этих показателей является коэффициент битовых ошибок Bit Error Ratio (BER). Напомним, что под BER следует понимать отношение количества ошибочных битов к их общему переданному числу.

Необходимо отметить, что при прочих равных условиях BER зависит от количества переданных битов. Например, длинная последовательность одинаковых символов может вызвать низкочастотную амплитудную модуляцию и детерминированный джиттер, следствием которых будет рост числа ошибок. Чтобы сравнение разных ЦСП было корректным, используются стандартные испытательные последовательности, причём каждой стандартной скорости передачи соответствует своя испытательная последовательность. Такие последовательности по своим свойствам близки к гауссову шуму, но имеют определённый период повторения. Поэтому они называются не просто случайными, а псевдослучайными последовательностями (ПСП), или Pseudo-Random Bit Sequence (PRBS).

Следует особо подчеркнуть, что оценка BER будет абсолютно точной только при бесконечно большом числе переданных битов. Поэтому, строго говоря, при практических измерениях, когда число переданных битов ограничено, мы получаем не вероятность события BER, а его оценку BERT. Очевидно, что уровень достоверности этой оценки Confidential Level (CL), называемый также доверительной вероятностью, зависит от количества зарегистрированных ошибок и от общего числа переданных битов N.

Это подтверждают данные таблицы, где приведены требуемые значения нормированной длительности NxBER в зависимости от числа зарегистрированных ошибок Е и уровня достоверности оценки CL - чем больше число зарегистрированных ошибок и уровень достоверности оценки CL, тем большее число битов требуется передать. 

Типовая схема измерения BER, содержит генератор испытательных битовых (символьных) последовательностей BER-тестера, испытуемый объект (регенератор, участок ЦСП и т.д.) и детектор ошибок BER-тестера.

  Генератор BER-тестера формирует испытательные сигналы, которые далее подаются на вход тестируемого объекта. Генератор тестируемого сигнала является также источником сигнала для детектора ошибок BER-тестера.

Тестируемый объект может быть территориально совмещён с BER-тестером или находиться в удалённом пункте. В любом из этих случаев испытуемый объект должен быть выведен из эксплуатации и сигнал с выхода этого объекта подан на вход приёмника BER-тестера. Связисты говорят в этом случае, что должен быть организован измерительный шлейф.

Детектор ошибок получает испытательный сигнал с выхода тестируемого объекта или формирует точную копию этого сигнала автономно. В детекторе ошибок испытательный сигнал генератора сравнивается побитно с сигналом с выхода испытуемого объекта. Каждое различие этих сигналов детектор фиксирует как битовую ошибку.

Необходимую синфазность двух указанных сигналов выполняет детектор ошибок, в котором предусмотрена требуемая задержка сигнала с выхода генератора. Задача фазирования сигналов с выхода генератора и тестируемого объекта обычно выполняется на этапе калибровки BER-тестера.

Испытательные сигналы BER-тестеров стандартизованы. Как уже отмечалось выше, информационный сигнал в BER-тестерах имитируется в виде так называемых псевдослучайных последовательностей ПСП (PRBS), которые формируются в соответствии со стандартными алгоритмами и различаются числом генерируемых символов M = 2k – 1 , где k - целое число.

В генераторах промышленно выпускаемых BER-тестеров предусмотрена также возможность создания произвольных испытательных последовательностей, называемых обычно кодовыми словами.

Очевидным недостатком BER является необходимость вывода тестируемого объекта из эксплуатации Out of Service (OoS), что вполне приемлемо в процессе разработки или ремонта объекта и неудобно в процессе нормальной эксплуатации ЦСП. Кроме того, параметр BER хорош для оценки влияния одиночных помех, обусловленных гауссовыми процессами, например, собственными и переходными помехами. В то же время в любой реальной системе связи присутствуют не только одиночные ошибки, но и пачки таких ошибок (их называют ещё серийными ошибками). Поэтому без знания временной структуры ошибок системы связи невозможна эффективная локализация повреждений и накопление адекватной информации о качестве разработки и инсталляции оборудования. Поэтому одного параметра BER недостаточно для корректной оценки работы ЦСП. Необходимы более адекватные, учитывающие структуру помех, показатели качества ЦСП с возможностью их мониторинга в процессе нормальной эксплуатации системы связи In Service Monitoring (ISM). Но об этом уже в следующей статье.

academy@a-kom.ua