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误码率基础
误码率(Bit error rate, BER)是用于评估传输数字数据的系统的关键参数。
 
适用于误码率的系统包括无线数据链路,以及光纤数据系统、以太网或任何通过噪声、干扰和相位抖动可能导致数字信号退化的网络进行传输数据的系统。虽然这些系统的工作方式和误码率的影响方式有所不同,但误码率本身的基本原理仍然是相同的。
 
当数据通过数据链路传输时,存在误差被引入系统的可能性。如果在数据中引入错误,系统的完整性可能受到损害。因此,有必要对系统的性能进行评估,而误码率是实现这一目标的理想方法。
 
与许多其他评估方法不同,误码率评估系统的端到端性能,包括发射机、接收机和两者之间的传输介质。凭借这种方式,误码率使得运行中系统的实际性能可以被测试,而不是只测试系统组件部分并希望他们将在系统中运行正常。
 
 
误码率 BER 定义与基础
 
 
顾名思义,误码率被定义为传输系统中发生错误的比率。这可以直接转化成一个一定位数的字符串中出现的错误的个数。误码率的定义可以转化为一个简单的公式:
 
 
如果发射机和接收机之间的传输介质良好,信噪比很高,那么误码率将非常小,可能微不足道,对整个系统没有明显的影响,但是,如果可以检测到噪声,那么就有可能需要把误码率考虑进去。
 
数据信道的退化和对应的误码率的主要原因是,噪声和传播路径的变化(当使用无线传播路径时)。这两种影响对它们都有一个随机成分:当传播模型遵循瑞利模型时,遵循高斯概率函数的噪声。这意味着对信道特性的分析通常采用统计分析技术进行。
 
对于光纤系统,比特误差(误码)主要是由于构成链路的组件的缺陷所造成的。这些包括光驱动器、接收机、连接器和光纤本身。比特误差也可作为可能存在的光学色散和衰减的结果被引入。另外,光接收机本身也可能引入噪声。典型的可能是光电二极管(光探测器)和放大器,它们需要对非常小的变化作出响应,因此可能存在高噪声电平。
 
比特误差的另一个影响因素是系统中可能存在的任何相位抖动,因为这可能改变数据的采样。
 
误码率与 Eb/No
信噪比 SNR 和 Eb/No 值是与无线链路和无线通信系统更相关的参数。在这方面,误码率 BER,也可以定义为错误概率(probability of error)或 POE。确定这一点,要使用其他三个变量。他们是误差函数 --ERF,单个比特的能量 --Eb,噪声功率谱密度(1Hz 带宽时的噪声功率)-- No。
 
需要注意的是,每种不同类型的调制都有其自身的误差函数值。这是因为在噪声存在的情况下,每种调制方式都有不同的表现。特别是,能够实现更高数据速率的较高阶调制方式(如 64QAM 等)面对噪声存在的情况下鲁棒性不好。低阶调制方式(如 BPSK、QPSK 等)提供较低的数据速率,但鲁棒性较强。
 
 
每比特能量 Eb,可以通过将载波功率除以比特率来确定,是以焦耳为尺寸对能量的度量。No 是每赫兹功率,因此是功率(焦耳 / 秒)为尺寸除以秒。从尺寸比的角度来看 Eb/No,所有尺寸都抵消了成为无量纲比。需要注意的是,POE 与 Eb/No 成正比,是信噪比的一种形式。
 
影响误码率的因素
从使用 Eb/No 可以看出,误码率受多种因素的影响。通过操纵可以控制的变量,可以优化系统以提供所需的性能等级。这通常是在数据传输系统的设计阶段进行的,以便在初始设计概念阶段调整性能参数。
 
干扰:系统中存在的干扰电平一般由外部因素决定,不能通过系统设计改变。然而,设置系统的带宽是可能的。通过减少带宽可以降低干扰的水平。然而,减少带宽限制了可以实现的数据吞吐量。
 
增加发射机功率:也可以增加系统的功率电平,从而提高每比特的功率。这必须与包括对其他用户的干扰电平在内的因素相平衡,以及增加功率输出对功率放大器的大小和整体功耗和电池寿命等的影响。
低阶调制:可以使用低阶调制方案,但这是以牺牲数据吞吐量为代价的。
 
减少带宽:另一种可以用来降低误码率的方法是减少带宽。更低的噪声电平将被接收,因此信噪比将得到改善。这再次降低了可达到的数据吞吐量。
 
为了获得满意的误码率,必须平衡所有有效因素。通常不可能达到所有的要求,需要进行一些权衡。然而,即使误码率低于理想的要求,还可以在传输的数据中引入纠错级别。虽然需要发送更多的冗余数据并进行更高级别的纠错,但这有助于掩盖发生的任何比特错误的影响,从而提高整体误码率。
 
误码率 BER 是一个很好地标示了诸如无线或光纤系统等数据链路的性能的参数。在任何数据链路中感兴趣的主要参数之一是发生错误的数量,误码率是一个关键参数。对 BER 的了解还可以使链路的其他特性,如功率和带宽等进行定制,以获得所需的性能。

 

B
误码率测试
误码率测试和误码率测试仪被用来测试传送数字数据的系统。当数据被传输时,系统中可能会引入错误,尤其是在传输数据的介质充满噪声的情况下。如果在数据中引入错误,系统的完整性可能受到损害。因此,误码率测试可以很好地标示链路质量和系统适应链路特性的能力。
 
误码率传统上与无线通信链路关联性较多,但误码率和误码率测试也适用于其他系统,如光纤链路、以太网或传输数字信号的任何链路。
 
为了能够方便快捷地测量误码率,可以从各种制造商处获得各种类型的误码率测试仪。每个测试仪器都有自己的优缺点。
 
误码率测试
误码率测试的基本概念非常简单。数据流通过通信信道发送,不管是无线链路、光纤链路还是其他的,接收到的数据流与原始的数据流进行比较。任何的变化都标记为数据错误并记录下。使用这些信息就可以确定误码率。虽然基本概念很简单,但实际实现需要更多的思考,并不是那么简单。有许多问题需要解决。
 
由于数据错误以随机方式出现,在使用正常数据进行精确读取之前可能需要一些时间。为了缩短测量所需的时间,可以使用伪随机数据序列。
 
为了更好地说明使用伪随机序列的理由,让我们以典型的数据链路为例。为了对发生的错误进行简单的测量,可以使用错误检测器(ED)来比较发送数据和接收数据,然后计算错误的数量。如果在发送 10^12 个比特时检测到一个错误,那么错误率的第一个近似值可能是 10^12 分之 1,但由于考虑到可能发生的任何错误的随机性,情况并非如此。理论上,应该发送无限数量的数据比特来证明实际的错误率,但这显然是不可行的。
 
当误差率下降时,如果要达到一定的精度,则需要更长的时间进行测量。对于在指定错误率小于 10^12 分之 1 的千兆以太网,传输 10^12 位数据所需的时间是 13.33 分钟。为了获得合理的误码率置信度,发送大约 100 倍的数据是明智的。这需要 1333 分钟(相当于约 22.2 小时)!
 
这么长时间的测量显然不方便。因此为了帮助更快地进行测量,应用了数学技术并尽可能地采用在测试中发送随机数据——在误码率测试仪中生成伪随机码。这有助于减少所需的时间,同时仍能作出相当精确的测量。
 
误码率测试的系统仿真
除了使用伪随机数据源,通常还需要对传输路径进行模拟仿真。通过这种方式,可以在实验室进行发射机和接收机之间的误码率测试。为了模拟传输路径,必须设置一个代表实际数据传输路径的“介质”。就无线传输而言,这包括噪声和传播衰落。
 
噪声:无线电波中的噪声来自许多噪声源。它可以在电子系统的外部产生并作为接收到的噪声,也可以是内部产生的,主要是作为接收机前端的噪声。不管系统是在模拟或实际环境中,接收机噪声总是存在。剩余噪声可以用噪声二极管发生器模拟并引入接收机。
 
无线通信系统的衰落特性:尽可能逼真地模拟传输路径的真实寿命特性是非常重要的。由于许多因素造成信号的不断变化,有必要对此进行模拟仿真。要为无线链路做到这一点,必须使用一个衰落模拟器来增加瑞利衰落特性的信号。一个复杂的衰落模拟器也可以使用多个可变时间延迟的通道来模拟改变路径条件。虽然衰落模拟器算是复杂的测试设备,但它们能够提供一个真实的介质来测试实验室内的误码率。
 
Anritsu/Azimuth 信道模拟器
 
在实验室中测试误码率的主要注意事项之一是,确保传输信号没有通过衰落模拟器而直接泄漏到接收机中。如果发射机功率比较高,则很难提供足够的屏蔽级别,有些测试可能无效。必须非常小心,以确保所有的信号通过衰落模拟器传送。
 
误码率测试仪器
具备误码率测试及分析的测试仪器在无线通信领域及有线传输、高速信号(PAM4/PCIe/USB/TBT3 等)测试领域都很常见。比如大多数的无线通信综合测试仪都具备误码率测试功能。在光通信及高速信号领域,测试设备厂商开发了专用的误码测试仪,比如高速串行误码仪一般由合成时钟源(Synthesizer)、脉冲图案发生器(PPG)、误码检测器(ED)等组成。
 
常见误码仪组成结构图
 
在光通讯及高速领域比较知名的误码测试仪(BERT)有日本安立公司的 MP1800A(其最新升级型号是 MP1900A)、Keysight 的 J-BERT、BertScope(已被泰克公司收购)、SHF 等,值得注意的是国产仪器厂家也开发了一系列的面向生产的误码测试设备,但与国外仪器大厂的方案相比还有一些距离,特别是还不能提供研发测试方案。
 
Anritsu MP1900A 误码测试仪
 
传输建设维护用 2M 误码仪