ber mer что это
Сети кабельного телевидения для самых маленьких. Часть 4: Цифровая составляющая сигнала
Все мы прекрасно знаем, что мир техники вокруг — цифровой, либо стремится к этому. Цифровое телевещание — далеко не новость, однако если вы не интересовались этим специально, для вас могут быть неожиданными присущие ему технологии.
Состав цифрового телевизионного сигнала
Цифровой телевизионный сигнал представляет из себя транспортный поток разных версий MPEG (иногда и других кодеков), передаваемый радиосигналом с применением квадратурно-амплитудной модуляции QAM разной степени. Любому связисту эти слова должны быть ясны как день, поэтому приведу лишь гифку из википедии, которая, надеюсь, даст понимание что это такое для тех, кто просто ещё не интересовался:
UPD: В комментариях эта картинка признана некорректной, но, тем не менее, она весьма наглядна. Поэтому оставлю для тех, кто ничего не знает о модуляции и не очень хочет углубляться, но хочет понять что за точки мы тут обсуждаем.
Такая модуляция в том или ином виде используется не только для «телеанахронизма», но и всех, находящихся на пике технологий систем передачи данных. Скорость цифрового потока в «антенном» кабеле составляет сотни мегабит!
Параметры цифрового сигнала
Воспользовавшись прибором Deviser DS2400T в режиме отображения параметров цифрового сигнала, мы сможем увидеть как это бывает на самом деле:
В нашей сети пристутсвуют сигналы сразу трёх стандартов: это DVB-T, DVB-T2 и DVB-C. Рассмотрим их по очереди.
Этот стандарт не стал основным в нашей стране, уступив место второй версии, однако он вполне пригоден для использования оператором по той причине, что приёмники DVB-T2 обратно совместимы со стандартом первого поколения, а значит абонент может принять такой сигнал на практически любой цифровой телевизор без дополнительных приставок. Кроме того, предназначенный для передачи по воздуху стандарт (буква T — означает Terrestrial, эфир), обладает столь хорошей помехозащищённостью и избыточностью, что порой работает там, где по каким-то причинам не пролезает аналоговый сигнал.
На экране прибора мы можем наблюдать как строится созвездие 64QAM (стандарт поддерживает QPSK, 16QAM, 64QAM). Видно, что в реальных условиях точки отнюдь не складываются в одну, а приходят с некоторым разлётом. Это нормально до тех пор, пока декодер может определить к какому именно квадрату относится прилетевшая точка, но даже на приведённом изображении видны участки, где они расположены на границе или близко к ней. По этой картине можно быстро «на глаз» определить качество сигнала: при плохой работе усилителя, например, точки располагаются хаотично, а телевизор не может собрать картинку из полученных данных: «пикселит», а то и совсем замирает. Бывают случаи, когда процессор усилителя «забывает» добавить в сигнал одну из составляющих (амплитуду или фазу). В таких случаях на экране прибора можно увидеть круг или кольцо размером во всё поле. Две точки за пределами основного поля являются опорными для приёмника и не несут информации.
В левой части экрана под номером канала мы видим количественные параметры:
Уровень сигнала (P) в тех же дБмкВ, что и для аналога, однако для цифрового сигнала ГОСТ регламентирует уже лишь 50дБмкВ на входе в приёмник. То есть на участках с бо́льшим затуханием «цифра» будет работать лучше аналога.
DVB-T2
Принятый в России стандарт цифрового эфирного вещания так же может быть передан по кабелю. Форма созвездия при первом взгляде может несколько удивить:
Этот стандарт изначально создан для передачи по кабелю (C — Cable) — среде намного стабильнее воздуха, поэтому позволяет использовать более высокую степень модуляции чем DVB-T, а значит и передавать больший объём информации, не используя при этом сложное кодирование.
Тут мы видим созвездие 256QAM. Квадратов стало больше, размер их стал меньше. Вероятность ошибки увеличилась, а значит для передачи такого сигнала нужна более надёжная среда (или более сложное кодирование, как в DVB-T2). Такой сигнал может «рассыпаться» там, где работают аналог и DVB-T/T2, однако он так же имеет запас помехозащищённости и алгоритмы исправления ошибок.
В силу большей вероятности ошибки, параметр MER для 256-QAM нормирован уже в 32дБ.
Счётчик ошибочных бит поднялся ещё на порядок и вычисляет уже один ошибочный бит на миллиард, но даже если их будет сотни миллионов (PRE-BER
E-07-8), то используемый в этом стандарте декодер Рида-Соломона устранит все ошибки.
Качество сетей передачи данных. Транспорт
В предыдущей статье были затронуты базовые метрики качества сетей и систем передачи данных. Также было обещано написать про то, как все работает изнутри. И намеренно не было упомянуто про качество среды передачи данных и ее характеристиках. Надеюсь, что новая статья даст ответы на эти вопросы.
Среда передачи
Начну, пожалуй, с последнего пункта — качества среды передачи. Как уже написано выше, про нее ничего не говорилось в предыдущем повествовании, поскольку само по себе количество сред и их характеристики очень сильно различаются и зависят от просто колоссального множества факторов. Разбираться во всем этом многообразии задача соответствующих специалистов. Всем очевидно использование радио-эфира в качестве среды передачи данных. Я же помню в конце 90-х начале 00-х особой популярностью у операторов связи стали пользоваться такие экзотические способы передачи, как лазерные атмосферные передатчики. 
Выглядели они, в зависимости от производителя и конфигурации примерно как на картинке слева (да, почти такой себе светотелефон из радиолюбительского детства). Преимущество их было в том, что не надо было получать разрешение ГРКЧ, да и скорости, по сравнению с радиомостом были несколько больше, кроме того существовали модификации для организации каналов с временным разделением (E1 и т.п.), а подобное оборудование радио-доступа стоило непомерно дорого. Почему не оптический кабель? Потому что в те счастливые времена дикого провайдинга оптика еще была довольно дорогой, а за конвертер интерфейса или активное оборудование, способное принять оптический линк напрямую давали небольшой (а кто-то и большой) брусок золота. Были еще спутниковые каналы, но это вообще из области фантастики и позволить их себе могли разве что компании нефтяного сектора и прочего национального благосостояния. Но работа канала через спутник сводится к использованию радио-эфира, со всеми вытекающими и внесением огромной задержки.
Соответственно погружаясь в вопрос в результате будем иметь множество сред и ни одной обобщенной характеристики. Тем не менее для нас среда это всего лишь транспорт, передающий информацию из точки А в точку Б. А для транспорта (даже общественного) характеристикой отражающей его качество будет доставка всех битов (ну или пассажиров) без искажений и потерь (не хотелось бы лишиться части тела при перевозке, согласитесь). Т.е. мы приходим к такой обобщенной метрике качества транспорта как количество битовых ошибок, или BER (Bit error rate). В чисто пакетных сетях она практически не используется, поскольку ошибки передачи выявляются на уровне пакета, например подсчетом контрольных сумм: FCS (Frame check sequence) для L2 или сhecksum IP для L3. Если контрольная сумма не совпадает, то пакет целиком отбрасывается как невалидный. Если же рассмотреть гетерогенные сети, те в которых транспортом может служить непакетная сеть, а, например, один из вариантов описанных выше, либо вообще используется транзит через ATM, PDH, SDH и подобное без непосредственной (но с восстановлением) передачи пакета, то битовые ошибки транспорта могут значительно влиять, конечно в зависимости от технологии. Рассмотрим инкапсуляцию и передачу Ethernet-фрейма в HDLC. Другие технологии используют практически такую же технику.
BER тест
А как в железе?
Как у других не знаю, но у наших приборов Беркут (ET, ETX, ETL, B100, а также модуль B5-GBE для MMT) дела обстоят следующим образом. Помня принцип о генерации и анализе трафика как можно ближе к физическому сегменту из первой статьи, все подобные задачи были возложены на FPGA. Упрощенная структурная схема выглядит так:
Модуль генератора для каждого типа теста свой, для BERT он содержит генератор ПСП всех заявленных типов.
Работает это следующим образом. От генератора ПСП поступают данные на мультиплексор (проще говоря коммутатор), который, если не включен какой-то другой канал в данный момент, направляет поток в MAC tx модуль. MAC tx модуль, в соответствии с настройками теста (уровень BERT, размер пакета, данные полей) формирует из ПСП валидный Ethernet-фрейм и отправляет его в трансивер, который в свою очередь отправляет его в сеть. В зависимости от топологии теста фрейм либо заворачивается удаленной стороной, либо анализируется. В любом случае первичная обработка пакета не отличается. Фрейм попадает на MAC rx ядро, которое отправляет его на мультиплексор. Мультиплексор в зависимости от режима работы прибора направляет пакет либо в Loopback модуль, откуда после обработки он сразу же направляется в MAC tx для отправки, либо в модуль обработки и статистики теста, где, если потребуется, будет проведена попытка синхронизации ПСП и выполнено сравнение исходной последовательности с полученной. Результаты обработки отдаются в модуль вывода статистики.
Использование FPGA или ASIC позволяет все операции проводить параллельно, что не вносит какие либо задержки на обработку и исключает взаимовлияние модулей обработки.
Заключение
“И мы сделаем это. Не потому, что это легко, а потому что трудно.”
PS. Задавайте вопросы и предлагайте темы, в рамках нашей компетенции готовы на все 🙂
Бита вероятность ошибка р е является ожидаемым значением коэффициента ошибок по битам. Коэффициент битовых ошибок можно рассматривать как приблизительную оценку вероятности битовых ошибок. Эта оценка точна для длительного интервала времени и большого количества битовых ошибок.
СОДЕРЖАНИЕ
Пример
В качестве примера предположим, что эта переданная битовая последовательность:
0 1 1 0 0 0 1 0 1 1
и следующая полученная битовая последовательность:
Коэффициент ошибок пакета
предполагая, что битовые ошибки не зависят друг от друга. Для малых вероятностей битовых ошибок и больших пакетов данных это примерно
Факторы, влияющие на BER
Анализ BER
Примеры простых моделей каналов, используемых в теории информации :
В канале с шумом BER часто выражается как функция нормированного показателя отношения несущей к шуму, обозначаемого Eb / N0 (отношение энергии на бит к спектральной плотности мощности шума) или Es / N0 (энергия на символ модуляции для спектральная плотность шума).
Люди обычно строят кривые BER для описания производительности цифровой системы связи. В оптической связи обычно используется зависимость BER (дБ) от принимаемой мощности (дБм); в то время как в беспроводной связи используется BER (дБ) по сравнению с SNR (дБ).
Измерение коэффициента ошибок по битам помогает людям выбрать подходящие коды прямого исправления ошибок. Поскольку большинство таких кодов исправляют только перевороты битов, но не вставки или удаления битов, метрика расстояния Хэмминга является подходящим способом измерения количества битовых ошибок. Многие кодеры FEC также непрерывно измеряют текущий BER.
Математический проект
Проверка коэффициента битовых ошибок
Распространенные типы стресс-паттернов BERT
Тестер коэффициента битовых ошибок
Тестер коэффициента ошибок по битам (BERT), также известный как «тестер коэффициента ошибок по битам» или решение для тестирования коэффициента ошибок по битам (BERT), представляет собой электронное испытательное оборудование, используемое для проверки качества передачи сигнала отдельных компонентов или целых систем.
Основные строительные блоки BERT:
Смотрите также
использованная литература
Системы, для которых коэффициент битовых ошибок, BER применима включают ссылки радио данных, а также информационных систем волоконно-оптические, Ethernet, или любую систему, которая передает данные по сети той или иной форме, где шум, помехи, и дрожание фазы может вызвать ухудшение цифрового сигнал. Хотя есть некоторые различия в том, как эти системы работают и каким образом влияет скорость передачи в битах ошибки, основы скорости битовых ошибок сама по-прежнему то же самое.
Когда данные передаются по каналу передачи данных, существует вероятность ошибок, вводимых в систему. Если ошибки вводятся в данных, то целостность системы может быть поставлена под угрозу. В результате, необходимо оценить производительность системы, и коэффициент ошибок в битах, BER, обеспечивает идеальный способ, в котором это может быть достигнуто.
В отличие от многих других форм оценки, частота ошибок по битам, КОБ оценивает полный впритык производительность системы, включающей передатчик, приемник и среды между ними. Таким образом, частота появления ошибочных битов, КОБ позволяет реальная производительность системы в эксплуатацию, подлежащих испытанию, а не проверки составных частей и в надежде, что они будут работать удовлетворительно, когда на месте.
Бит ошибки скорости определения BER и основы
Как следует из названия, частота ошибочных битов определяется как скорость, при которой возникают ошибки в системе передачи. Это может быть непосредственно переведены в число ошибок, возникающих в строке заявленным количеством битов. Определение частоты появления ошибочных битов может быть переведена в простую формулу:
Основными причинами деградации канала передачи данных и соответствующей частоты ошибок передачи в битах, BER шум и изменения в пути распространения (где используются сигнальные пути радио). Оба эффекта имеют случайный элемент к ним, шум следующий гауссовой функции вероятности в то время как модель распространения следует модели Рэлея. Это означает, что анализ характеристик канала, как правило, проводится с использованием методов статистического анализа.
Для волоконно-оптических систем, битовых ошибок в основном являются результатом несовершенства используемых компонентов, чтобы сделать ссылку. Они включают в себя оптический драйвер, приемник, разъемы и самого волокна. Ошибки в битах также могут быть введены в результате оптической дисперсии и затухания, которые могут присутствовать. Также шум может быть введен в самом оптическом приемнике. Как правило, они могут быть фотодиоды и усилители, которые должны реагировать на очень маленьких изменений, и в результате может быть высокий уровень шума, который присутствует.
Другим фактором, способствующим для битовых ошибок является любой Дрожание фазы, которые могут присутствовать в системе, так как это может изменить выборку данных Теа.
BER и Eb / No
Отношение сигнал-шум и Eb / No цифры не являются параметрами, которые в большей степени связаны с радиолиний и систем радиосвязи. С точки зрения этого, частота появления ошибочных битов, BER, также может быть определена в терминах вероятности ошибки или POE. Определения этого используются три других переменных. Они являются функция ошибки, ERF, энергия в один бит, ЭБ, и спектральная плотность мощности шума (что мощность шума в полосе частот Гц 1), №
Следует отметить, что каждый тип модуляции имеет свое собственное значение функции ошибки. Это происходит потому, что каждый тип модуляции выполняет по-разному в присутствии шума. В частности, схемы более высокого порядка модуляции (к примеру 64QAM и т.д.), которые способны переносить более высокие скорости передачи данных, не столь надежными в присутствии шума. Меньшие форматы модуляции порядка (например, BPSK, QPSK и т.д.) предлагают более низкие скорости передачи данных, но являются более надежными.
Энергии на бит, ЭБ, может быть определена путем деления мощности несущей на скорости передачи данных и является мерой энергии с размерами джоулей. Нет это мощность на герц, и поэтому это имеет размерность мощности (джоулей в секунду), разделенное на секунды). Не Глядя на размеры отношение Eb / No все размеры компенсируют дать безразмерное отношение. Важно отметить, что РОЕ пропорционально Eb / No и является формой сигнала к шуму.
Факторы, влияющие на частоту появления ошибочных битов BER,
Это можно видеть из использования Eb / No, что частоты появления ошибочных битов, КОБ может зависеть от ряда факторов. Изменяя переменные, которыми можно управлять, можно оптимизировать систему, чтобы обеспечить уровень производительности, которые необходимы. Это, как правило, проводится в стадии проектирования системы передачи данных таким образом, что рабочие параметры могут быть скорректированы на начальных этапах проектирования концепции.
• Помехи: Уровни помех, присутствующих в системе, как правило, установлены под воздействием внешних факторов и не может быть изменен с помощью конструкции системы. Тем не менее, можно установить ширину полосы пропускания системы. За счет снижения пропускной способности уровень помех может быть уменьшено. Однако уменьшение полосы пропускания ограничивает пропускную способность данных, что может быть достигнуто.
• Увеличьте мощность передатчика: Кроме того, можно повысить уровень мощности системы таким образом, чтобы мощность на бит увеличивается. Это должно быть сбалансировано против факторов, включая уровни помех другим пользователям и влияние увеличения выходной мощности от размера усилителя мощности и общее энергопотребление и время автономной работы и т.д.
• Модуляция низшего порядка: схемы модуляции Низшие порядка могут быть использованы, но это за счет скорости передачи данных.
• Уменьшите пропускную способность: Другой подход, который может быть принят, чтобы уменьшить частоту появления ошибочных битов, чтобы уменьшить ширину полосы частот. Более низкие уровни шума будут получены, и, следовательно, соотношение сигнал-шум улучшится. Опять же это приводит к уменьшению пропускной способности данных достижимым.
Необходимо сбалансировать все имеющиеся факторы для достижения удовлетворительной скорости появления ошибочных битов. Обычно это не представляется возможным достичь всех требований и некоторые компромиссы необходимы. Тем не менее, даже с битовой частотой ошибок ниже того, что в идеале требуется, дополнительные компромиссы могут быть сделаны с точки зрения уровней коррекции ошибок, которые вводятся в передаваемые данные. Хотя более избыточные данные должны быть отправлены с более высокими уровнями коррекции ошибок, это может помочь замаскировать последствия любых битовых ошибок, которые возникают, тем самым улучшая общую частоту появления ошибок в битах.
Частота появления ошибочных битов BER является параметром, который дает прекрасную индикацию производительности линии передачи данных, таких как радио или волоконно-оптической системы. В качестве одного из основных параметров, представляющих интерес в любой линии передачи данных является количество ошибок, которые возникают, то коэффициент ошибок в битах является ключевым параметром. Знание BER также позволяет использовать другие особенности ссылки, такие как мощность и пропускную способность, и т.д., чтобы быть адаптированы для того, чтобы требуемые эксплуатационные характеристики, которые будут получены.
Основы передачи QAM
QAM – (Quadrature Amplitude Modulation – Модуляция методом Квадратичных Амплитуд) – это технология передачи цифрового информационного потока в виде аналогового сигнала. Это достигается путем разделения несущей волны на две несущие одинаковой частоты сдвинутые относительно друг-друга на 90о, каждая из которых промодулирована по одному из двух или более дискретных уровней амплитуды. Комбинация всех уровней амплитуды на этих двух несущих представляет собой бинарную битовую картину.
Рисунок 1: Канстелляционная диаграмма отображающаяI/Q вектор. Траектория вектора, описывая кривую во времени, проходит через точки 10, 01, 10, 00.
Канстелляционная диаграмма (или диаграмма-созвездие) – это карта, или квадратная матрица, в которой уровни амплитуды I и Q компонент QAM сигнала отображены в виде значащих точек в квадратной системе координатI х Q.
КоординатаI определяет горизонтальную позицию точки, а Q– вертикальную (смотри Рисунок 2). Канстелляционная диаграмма в этой матрице образуется из горизонтальных и вертикальных линий (будь то прорисованных или же просто воображаемых) соединяющих возможные значения компонент I и Q. Целочисленное значение каждой полученной точки определяется ячейкой матрицы в которую она попадает. Ошибка определяется как выпадение измеренной точки из ячейки.
16-QAM диаграмма – это 4х4 матрица, в которой каждая из 16 ячеек представляет одну из 16 возможных бинарных комбинаций. Вертикальное и горизонтальное положение каждой точки соответствует I и Q уровням амплитуды сигнала переданного ч течение одного цикла. 64-QAM диаграмма представлена на Рисунке 2.
Рисунок 2: 64-QAM Констелляционная диаграмма.
Анализ Канстелляционной диаграммы QAM
Внешний вид значащих точек в ячейках канстелляционной диаграммы может дать ключевую информацию о том что происходит при передаче сигнала. Далее приведен перечень типичных диаграмм и соответствующий им диагностика.
Плохое отношение Сигнал/Шум – картинка пока отличная, но дальнейшая деградация сигнала приведет к полной потере картинки. Расплывчатый образ точки занимает практически всю ячейку.
Интермодуляционная картина («шумы ингрессии») – по причине когерентного шума в каждой ячейке образуются концентрические картинки.
Фазовый Сдвиг – возникает из-за остаточных радиочастотных помех, которые обычно являются проблемой головного оборудования. Точки в ячейках искажены таким образом что возникает визуальный эффект сферической симметрии относительно центра диаграммы.
Нелинейность амплитудной характеристики – вызвана нелинейностью промежуточных и высокочастотных усилителей, фильтров, конвертеров и эквалайзеров. Точки сдвинуты относительно центра ячейки по осям I и Qпропорционально расстоянию ячейки от центра диаграммы.
IQ нестабильность – связана с проблемами усилителей несущей частоты, фильтров и цифровых модуляторов головных станций.
Уход несущей – является следствием дисбаланса в смесителе модулятора или наличия паразитного постоянного тока в системе передачи. Вся картинка сдвинута в одном направлении.
Требования к отношению Сигнал/Шум при высокой скорости передачи
Достоинство высоких значений номера QAM – это повышенная скорость передачи данных, поскольку таким образом большее количество битов информации может быть передано в течении одного цикла. Однако, с другой стороны, в этом случае большее число уровней амплитуды сигнала располагаются близко друг к другу, повышая тем самым вероятность неразличимости двух уровней, и как следствие – повышая чувствительность системы к шуму. Таким образом, высокие значения номера QAM более требовательны к параметру CNR (Carrier Noise Ratio – Отношение Сигнал/Шум). На рисунке 3 представлено отношение параметра CNR к другому параметру – BER (Bit Error Rate – Отношение Бит/Ошибка)
Рисунок 3: Отношение CNR к BER.
BER,NPR, FEC, MER
NPR (Noise Power Ratio – Отношение Шум/Мощность) – это технология измерения соотношения Сигнал/Шум в аналоговых устройствах, работающих в режимах QAM или QPSK. Поскольку эти режимы имеют частотный спектр в виде Гауссового шума, NPR-тест производится путем подмены сигнала эквивалентной полосой белого шума. Ближе к середине полосы эта шумовая «зарубка» (обычно 4 МГц) опускается. Когда полоса шума пускается через устройство, глубина «зарубки» определяется несколькими факторами: термическим шумом, «шумоподобными продуктами» сигнала и т.п. (смотри рисунок 4).
Рисунок 4: Типичный вид кривой NPR.
FEC (Forward Error Correction – Упреждающая Коррекция Ошибок) – это программная технология для определения и устранения ошибок в цифровой передаче данных. Это сложная и затратоемкая (по мощности процессора), однако необходимая задача – упреждать потерю битов информации – позволяет улучшить качество картинки.
MER (Modulation Error Ratio – Отношение Модуляция/Ошибка) – это величина отклонения полученной модуляции (по амплитуде и/или фазе) от переданной (смотри рисунок 5).
Рисунок 5: Определение MER.
При увеличении MER до величины при которой точки попадают на границы ячейки или за них, BER резко возрастает. Далее, когда BER превысит способность FEC корректировать ошибки, произойдет сбой передачи. Практически на точке срыва, качество картинки все еще будет отличным, не предвещая близящийся сбой. Это явление известно как «эффект срыва», когда все хорошо вплоть до того неожиданного момента, когда все уже плохо . Это характерная сложность для цифровой передачи – когда вы смотрите на картинку, невозможно знать когда произойдет срыв.
Для измерения вышеописанных параметров и отображения констелляционных диаграмм существуют спецальные приборы, например KingType CDS783AQ: