Измерение коэффициента ошибок в цифровых каналах связи

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОШИБОК В ЦИФРОВЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ

В.В. Исакова

В статье обсуждаются вопросы, связанные с методами и схемами измерений коэффициента ошибок в цифровых каналах связи, методами оценки качества цифровой модуляции с использованием глазковых диаграмм и диаграмм рассеяния, а также экспериментальная оценка основных эксплуатационных характеристик и параметров измерительных приборов и узлов систем связи.

The article covers the problems connected with the methods and the measuring schemes offailures' coefficient in digital communication channels, the methods of quality evaluation of digital modulation with eyed diagrams usage and scattering diagrams and also experimental evaluation of specific maintenance characteristics and measuring parameters of devices and communication system assemblies

В настоящее время значительное количество информации в направлениях «судно - судно», «судно - берег» и «берег - судно» передается по цифровым каналам связи. Прежде всего, это режимы ТЕЛЕКС и ДАННЫЕ средств судовой радиосвязи. В цифровом виде передается информация системы НАВТЕКС.

Системы спутниковой связи ИНМАРСАТ полностью перешли на цифровую радиотелефонию.

В цифровых системах передачи предъявляются жесткие требования к вероятности приема сигналов с ошибками.

Передача сигналов в системах связи происходит в условиях воздействия на сигнал помех и шумов различной интенсивности и спектрального состава.

Помехи большого уровня могут вызвать изменение параметров канала связи: возможен срыв синхронизации на приемной стороне, неправильное определение уровня сигнала. В результате при декодировании сигнала возникают ошибки.

Оценкой вероятности ошибок является коэффициент ошибок £ош, определяемый как отношение числа ошибочно принятых элементов сигналов Ыош к общему числу принятых элементов Ыобщ.

кош Nош / Nобщ*

Обычно коэффициент ошибок является оценкой вероятности ошибок в приеме бита. В то же время часто информация передается в виде последовательности символов, каждый из которых состоит из нескольких бит (например, восьми), либо блоками, содержащими сотни и тысячи бит. Для большинства систем наличие одной или нескольких ошибок в неизвестном разряде символа или блока делает его бесполезным или ненадежным. В этом случае в качестве элемента цифрового сигнала можно рассматривать соответственно символ или блок.

Например, при передаче телефонного сигнала по цифровому каналу связи вероятность ошибок в приеме бита менее 10-6 не обнаруживается на слух. Вероятность ошибок 10-3 рассматривается как аварийное состояние системы передачи.

В системах передачи данных допустимым считается коэффициент ошибок в приеме символа 10-2.

Для примера рассмотрим систему связи ИНМАРСАТ-Fleet. Мультимедийное семейство терминалов ИНМАРСАТ-Fleet обеспечивает связь в режимах ТЕЛЕФОНИЯ, ФАКС, ДАННЫЕ и доступ к сети ИНТЕРНЕТ. Эти терминалы наиболее совершенны, обеспечивают потребителю большой комплекс услуг, относятся к четвертому поколению аппаратуры и являются мультимедийной аппаратурой связи, так как способны передавать и принимать все виды сообщений: символьную, графическую, звуковую, анимационную и видеоинформацию. Схема связи при использовании терминалов стандарта ИНМАРСАТ-Fleet приведена на рис. 1.

Стандарт ИНМАРСАТ-Fleet оптимально согласуется с цифровыми сетями связи технологии ISDN (Integrated Service Digital Network), где скорость передачи данных составляет 64 кбит/с и более.

Терминалы этого стандарта совместимы с любыми цифровыми ISDN-устройствами, такими как ISDN-модемы, видеотелефоны, маршрутизаторы локальных компьютерных сетей и т. д.

Протокол IP (Internet Proto^l) поддерживает режим передачи данных NPDS и обеспечивает мобильный высококачественный доступ к сети ИНТЕРНЕТ и к корпоративным сетям через спутниковый ИНТЕРНЕТ-модем. Роль провайдеров выполняют операторы береговых земных станций ИНМАРСАТ.

и третьего поколении

Терминал спутниковой связи Инмарсат М4

Береговая земная станция спутниковой связи

Факс

Телефон

Поставщики ISDN услуг 64 Кбит/с

Локальные вычислительные сети 64 Кбит/с

Рис. 1. Система связи ИНМАРСАТ-Fleet

Сеть ИНМАРСАТ, построенная на базе протокола ИНТЕРНЕТ IP, обеспечивает эффективную работу прикладных программ, в которых данные передаются пакетами, чередующимися с промежутками времени, когда данные не передаются: электронная почта E-mail, доступ к WWW-страницам, подключение к локальным корпоративным вычислительным сетям и частным сетям ИНТЕРНЕТ. Сюда же относятся и такие задачи, как обмен файлами и загрузка файлов из ИНТРАНЕТ.

На своем пути от одного абонента к другому информационный сигнал неоднократно подвергается усилению и преобразованию на другие частоты.

Так как ошибки, возникающие в регенерационных участках, независимые, то результирующая вероятность ошибок всей цифровой системы передачи равна сумме вероятностей на отдельных участках. Поэтому вероятность ошибки в приеме бита на каждом отдельном участке не должна превышать, как правило, величину 10-12.

Причинами возникновения ошибок являются тепловые шумы, межсимвольные помехи, помехи от взаимных влияний, импульсные помехи, возникающие в различных узлах канала связи, фазовая нестабильность (дрожание) сигнала.

Чем в большей степени уровень сигнала превышает уровень шумов и помех (чем больше отношение сигнал/шум), тем меньше вероятность возникновения ошибок при декодировании сигнала.

Вычисление вероятности ошибки при определенном отношении сигнал/шум для разных видов сигналов и помех выполняется по разным формулам.

Действующие в цифровых трактах передачи шумы описываются распределением Г аусса. Для этого случая вероятность ошибки определяется интегралом вероятностей.

На рис. 2 показаны зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для квази-троичного сигнала AMI (квазитроичный код с чередованием полярности импульсов - ЧПИ). В данном сигнале происходит чередование полярности импульсов. Аналогичная зависимость для сигнала HDB3 отличается всего на 0,1 дБ (сигнал HDB3 отличается от AMI сигнала тем, что в него вводят дополнительные импульсы в случае длинных последовательностей нулей).

Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для нормальных шумов (например, тепловых) имеет вид, показанный на рис. 2, а. Вероятность ошибок резко зависит от соотношения сигнал/шум. Изменение отношения сигнал/шум на 0,5... 1 дБ может вызывать изменение вероятности ошибок на порядок. Это явление называют пороговым эффектом.

Рис. 2. Зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для квазитроичного сигнала АМ1: а - для нормальных шумов; б - для импульсных помех

Пороговый эффект отличает цифровые системы передачи от аналоговых систем, где постепенное увеличение искажений и шумов приводит также к постепенному ухудшению качества передачи.

Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для импульсных помех имеет другую форму (рис. 2, б). Импульсные помехи возникают в результате работы реле и коммутаторов, ключевых устройств.

Шумы и импульсные помехи могут действовать одновременно. Часто бывает достаточно учитывать только импульсные помехи, так как они по уровню превышают шумы.

Обычно приходится измерять малые значения коэффициента ошибок в течение длительного времени, так как для обеспечения заданной точности измерения требуется зафиксировать определенное количество ошибок.

Абсолютная погрешность измерения коэффициента ошибок характеризуется выражением

°=КШ /^ ,

где Ыош - число ошибок.

Относительное значение погрешности измерения коэффициента ошибок

где tp - коэффициент, определяемый через интеграл вероятностей для заданной доверительной вероятности Р. При Р = 0,95 значение t = 1,96 .

Даже при больших скоростях передачи требуемое время измерения может достигать многих десятков часов. Это обстоятельство определяет главный недостаток измерителей коэффициента ошибок.

Измерение коэффициента ошибок не позволяет судить о распределении ошибок во времени. Для определения распределения ошибок можно измерять интервалы времени между моментами появления соседних ошибок. На основании множества таких измерений можно построить гистограммы, отражающие распределение интервалов времени, свободных от ошибок.

Наряду с одиночными ошибками, при передаче могут возникать пакеты ошибок. Пакет ошибок - это совокупность некоторого числа бит, начинающаяся и заканчивающаяся ошибочно принятыми битами.

По методу измерения коэффициента ошибок ГОСТ устанавливает два типа измерителей:

ИКО-1 - средства измерения коэффициента ошибок, основанные на методе обнаружения ошибок путем сравнения единичных элементов принимаемого измерительного псевдослучайного сигнала с переданным;

ИКО-2 - основанные на методе обнаружения ошибок в рабочем цифровом сигнале электросвязи путем определения нарушений правил кодообразования сигнала (запрещенных комбинаций).

Измерители ИКО-1 используют специальный измерительный сигнал и требуют перерыва связи. Такие измерители позволяют измерять коэффициент ошибок для отдельных компонентов системы передачи при их изготовлении.

Измерители ИКО-2 позволяют измерять коэффициент ошибок без перерыва связи, могут использоваться для непрерывного контроля качества связи.

Вариант структурной схемы измерителя ошибок в цифровых каналах связи приведен на рис. 3.

К цифровом}7 индикатору Рис. 3. Структурная схема измерителя ошибок в цифровых каналах связи

Одним из известных измерителей ошибок является «Генератор ПСП - анализатор кодовых последовательностей ГК5-83». Данный прибор сочетает в себе возможности ИКО-1 и ИКО-2. Анализатор позволяет обнаруживать ошибки как сравнением принимаемой ПСП с ПСП, генерируемой в анализаторе (аналогично ИКО-1), так и нарушением правил кодообразования (аналогично ИКО-2). Все параметры импульсных последовательностей строго нормированы. Наличие микро-ЭВМ позволяет реализовать систему тестовой и функциональной диагностики прибора.

Измерители коэффициента ошибок по методу псевдоошибок

Для сокращения времени измерений малых коэффициентов ошибок в настоящее время измерения выполняются по методу псевдоошибок (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема измерителя коэффициента ошибок по методу псевдоошибок

Согласно данному методу при измерении коэффициента ошибок преднамеренно создаются условия, при которых вероятность ошибок значительно возрастает. Обычно данные условия получают путем искусственного добавления шума к рабочему сигналу (рис. 3) или изменением порога срабатывания решающего устройства регенератора относительно оптимального значения. В результате таких измерений получаем оценку коэффициента псевдоошибок кпош.

Учитывая детерминированный характер вводимых изменений, можно теоретически или

экспериментально устанавливать вид функциональной связи кош = У(^пош). Используя данную зависимость, можно вычислять коэффициент ошибок. При этом время измерения значительно сокращается.

Для работающей цифровой системы передачи (ЦСП) такие изменения в канале связи недопустимы. Для практической реализации этого метода на работающей ЦСП в контролируемой точке организуется дополнительный канал обработки информации, идентичный реальному.

Например, при контроле кош на выходе решающего устройства регенератора необходимо организовать параллельный канал с аналогичным решающим устройством.

Применение метода псевдоошибок позволяет на несколько порядков сократить время измерения и тем самым обеспечить оперативный контроль качества цифровых систем передачи. Чем большие изменения параметров произведены в дополнительном канале (например, больше отклонение порога решающего устройства от оптимального значения), тем больше будет коэффициент ошибок и меньше время измерения. Однако одновременно с уменьшением требуемого времени измерения падает чувствительность метода. В связи с этим при выборе режима необходимо искать компромисс между точностью и скоростью измерения.

Применение глазковых диаграмм

Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум можно проанализировать с помощью глазковой диаграммы.

Для сигнала с изменяющейся амплитудой глазковую диаграмму можно получить с помощью электронного осциллографа, совмещая принимаемые реализации сигнала во времени таким образом, чтобы моменты отсчета значения каждого сигнала находились в одной точке. Для этого сигнал подается на вход канала вертикального отклонения осциллографа, а развертка синхронизируется с тактовой частотой передачи информации.

Фактически глазковая диаграмма представляет собой изображение на экране осциллографа результатов наложения изображений импульсных сигналов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол ф = + п или ф = 0. Искажение импульса в процессе передачи по каналу связи приводит к «размытости» линий. По степени этой «размытости» можно судить о параметрах канала связи.

Процесс получения глазковых диаграмм иллюстрирует рис. 5.

и>-

V

же

иг

в

г

д

е

Рис. 5. Процесс получения глазковых диаграмм: а - одна из возможных форм двухуровневого сигнала; б - тот же сигнал после прохождения через узкополосную цепь; в, г, д - варианты возможных последовательно индицируемых на экране осциллографа импульсных последовательностей; е - диаграмма, полученная при наложении многих реализаций с идеальной формой импульсов, совмещенных в точке отсчета; ж - диаграмма, полученная при наложении многих реализаций с реальной формой импульсов, совмещенных в точке отсчета, з - глазковая диаграмма двухуровневого сигнала; и - глазковая диаграмма для трехуровневого сигнала

Наибольшее расстояние по вертикали В между двумя ближайшими уровнями множества реализаций сигнала в точке отсчета гТ называется раскрывом диаграммы. Расстояние В/2 от внутренней границы диаграммы до ее середины определяет запас помехоустойчивости регенератора. Запас помехоустойчивости равен минимальному дополнительному уровню шума, который может вызвать ошибку. Ширина раскрыва диаграммы определяется фазовым дрожанием. Максимальный запас помехоустойчивости обеспечивается, если принятие решения о переданном

бите производится в момент времени гТ.

Для сигнала с качественной модуляцией и большим отношением сигнал/шум на глазковой диаграмме траектория должна быть достаточно узкой и мало отклоняться от номинальных точек.

Отношение сигнал/шум

д = 201в(£/иш), [дБ]

является мерой помехоустойчивости регенератора. Здесь иш - это среднее квадратическое значение напряжения шума.

В квазитроичном сигнале имеют место три уровня передаваемого сигнала: положительный импульс +1, отрицательный импульс -1 и нулевой 0. Допустимое напряжение шума определяется величиной наименьшего раскрыва и для глазковой диаграммы трехуровневого сигнала не должно превышать В/2.

Оценка качества модуляции с использованием диаграммы рассеяния

Диаграммы рассеяния представляют собой диаграммы сигнала в полярных координатах с накоплением. На диаграмме рассеяния наглядно видно влияние шумов, которое приводит к размыванию точек состояния [6].

С помощью диаграммы рассеяния можно обнаружить такие виды искажений, как потеря синхронизации, нелинейные искажения, наличие тепловых и фазовых шумов, наличие фазового джиттера, влияние ограничения полосы частот, влияние неидеальности квадратурных составляющих, влияние качества сигнала синтезатора.

Рис. б. Схема измерителя коэффициента ошибок при передаче информации по цифровому каналу связи

Схема, приведенная на рис. б, позволяет выполнить измерения коэффициента ошибок при передаче информации по цифровому каналу связи в зависимости от мощности шума (отношения сигнал/шум). Одновременно можно наблюдать вид диаграмм рассеяния на входе и выходе канала связи с шумами и спектр принимаемого сигнала.

В канале связи для достижения высокой скорости передачи (54 Мбит/с) используются мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM) с несущей частотой порядка 5 ГГц. Вид модуляции - квадратурная амплитудная (КАМ-16). Для коррекции ошибок в данной технологии используется сверточное кодирование с перемежением.

Измерение коэффициента ошибок на выходе канала передачи информации и измерение параметров глазковой диаграммы выполняются на модели асимметричной цифровой абонентской линии (ADSL), которая позволяет потребителю принимать сигналы со скоростью до 8 Мбит/с, а передавать - со скоростью до 1 Мбит/c.

На рис. 7 представлен широкополосный модем ADSL.

В данной реализации ADSL используется DMT модуляция, использующая 256 дискретных несущих частот, отстоящих друг от друга на 4,3125 кГц.

Рис. 7. Измерительная схема для наблюдения изменения глазковых диаграмм при изменении шумовых параметров цифровых каналов передачи информации

Главным достоинством такой модуляции является возможность точной адаптации к параметрам тракта. На каждой частоте происходит независимая передача части данных с помощью КАМ-сигналов с различным числом уровней. Меньшее количество уровней используется в частотных диапазонах с большим затуханием. Частотные диапазоны, на которых осуществляется передача, перекрываются. Однако это не приводит к появлению перекрестных помех при точной синхронизации по времени.

Двоичная тестовая последовательность разбивается на кадры (блоки битов) и передается в соответствии со спецификацией ЛБ8Ь через имитатор линии к анализатору, вычисляющему коэффициент ошибок. Имитатор линии реализован на основе фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ), имеющего 101 коэффициент.

Измерительная схема, представленная на рис. 7, позволяет наблюдать изменения глазковых диаграмм при изменении шумовых параметров цифровых каналов передачи информации и оценить связь между формой глазковых диаграмм и коэффициентов ошибок.

Литература

1. Винокуров В.И. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 1986. - 351 с.

2. Хромой Б.П. и др. Метрологическое обеспечение систем передачи: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Б.П. Хромого. - М.: Радио и связь, 1991. - 392 с.

3. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учеб. для вузов / В.И. Нефёдов, А.С. Сигов, В.К. Битюков и др.; Под ред. В.И. Нефёдова и А.С. Сигова. - М.: Высш. шк., 2005. - 599 с.

4. Кушнир Ф.В., Савенко В.Г., Вернин С.М. Измерения в технике связи: Учеб. для вузов. - М.: Связь, 1976. - 432 с.

5. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учеб. для вузов / В.И. Нефёдов, В.И. Хахин, Е.В. Федорова и др.; Под ред. В.И. Нефёдова. - М.: Высш. шк., 2001. - 383 с.

6. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов / Б.П. Хромой, А.В. Кандинов, А.Л. Сенявский и др.; Под редакцией Б.П. Хромого. - М.: Радио и связь, 1986. - 424 с.

7. ЕлизаровА.С. Электрорадиоизмерения: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 1986.