① 數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼產(chǎn)生原因

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號(hào)是以“1”和“0”的字符串形式傳輸?shù)模绻l(fā)送的信號(hào)是“1”，而接收到的信號(hào)卻是“0”，這就產(chǎn)生了“誤碼”。同理，如果發(fā)送的信號(hào)是“0”，而接收到的信號(hào)卻是“1”，也同樣產(chǎn)生了“誤碼”。對(duì)于NRZ編碼信號(hào)，其英文表達(dá)為 bit error，直譯為“比特誤碼”或“比特差錯(cuò)”。對(duì)于PAM4編碼信號(hào)，有兩種表達(dá)方式，其一和NRZ信號(hào)一樣，稱(chēng)為bit error，其二是symbol error，直譯為“符號(hào)差錯(cuò)”或“符號(hào)誤碼”，一個(gè)符號(hào)攜帶兩個(gè)比特信息。

誤碼的產(chǎn)生是由于在信號(hào)傳輸中，衰變改變了信號(hào)的電壓，致使信號(hào)在傳輸中遭到破壞，產(chǎn)生誤碼。噪音、交流電或閃電造成的脈沖、傳輸設(shè)備故障及其他因素都會(huì)導(dǎo)致誤碼。由于種種原因，數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)。例如在傳輸過(guò)程中受到外界的干擾，或在通信系統(tǒng)內(nèi)部由于各個(gè)組成部分的質(zhì)量不夠理想而使傳送的信號(hào)發(fā)生畸變等。當(dāng)受到的干擾或信號(hào)畸變達(dá)到一定程度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)。

常見(jiàn)的產(chǎn)生誤碼的因素：光功率過(guò)高或過(guò)低；光功率正常，但色散過(guò)大；光纖污染或連接器故障；設(shè)備問(wèn)題或設(shè)備周?chē)碾姶怒h(huán)境較差，設(shè)備供電的電源電壓波動(dòng)過(guò)大，設(shè)備所處環(huán)境溫度過(guò)高。造成誤碼的主要內(nèi)部機(jī)理有：(1)各種噪聲源；(2)色散引起的碼間干擾；(3)定位抖動(dòng)產(chǎn)生的誤碼；(4)復(fù)用器、交叉連接設(shè)備和交換機(jī)的誤碼。除此之外，主要是由一些具有突發(fā)性質(zhì)的脈沖干擾源決定的，諸如外部電磁干擾、靜電放電、設(shè)備故障、系統(tǒng)倒換、配線架接觸不良、電源瞬態(tài)干擾和人為活動(dòng)等等。

② 誤碼儀的構(gòu)成

在數(shù)字通信系統(tǒng)或串行傳輸鏈路中，無(wú)論是抖動(dòng)的測(cè)試還是干擾的分析，最終的性能評(píng)估都會(huì)落到誤碼性能測(cè)試上，誤碼的多少?zèng)Q定了數(shù)字傳輸系統(tǒng)或串行傳輸鏈路的質(zhì)量和對(duì)業(yè)務(wù)的影響，所以誤碼儀就是滿(mǎn)足誤碼測(cè)試需求的不二選擇。

傳統(tǒng)誤碼儀由2大部分組成：

1）碼型發(fā)生器：

包括：時(shí)鐘源（可以采用內(nèi)時(shí)鐘或外時(shí)鐘），碼型產(chǎn)生組件（產(chǎn)生需要的碼型：PRBS或自定義等），信號(hào)調(diào)理前端（輸出電平控制等），時(shí)鐘信號(hào)前端（輸出時(shí)鐘電平控制等）。

2）誤碼檢測(cè)器：

包括：時(shí)鐘恢復(fù)電路（有的誤碼儀沒(méi)有，此時(shí)需要外時(shí)鐘輸入），碼型判決電路（從信號(hào)中判斷出碼型數(shù)據(jù)），錯(cuò)誤碼型檢測(cè)電路（判斷碼型數(shù)據(jù)是否正確），碼型產(chǎn)生組件（產(chǎn)生與發(fā)送端相同的碼型，作為參考），誤碼計(jì)數(shù)器等。

以下是最簡(jiǎn)單的誤碼儀構(gòu)成示意圖：

圖1：誤碼儀構(gòu)成示意圖

現(xiàn)代的誤碼儀比傳統(tǒng)的誤碼儀要復(fù)雜的多，應(yīng)用更加廣泛，增加了抖動(dòng)注入、均衡、加重、差模/共模干擾插入、噪聲加入、格雷碼產(chǎn)生等功能，滿(mǎn)足各種標(biāo)準(zhǔn)的要求，產(chǎn)生壓力信號(hào)，模擬惡劣的傳輸環(huán)境，評(píng)估被測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)的性能。這里不再展開(kāi)，只關(guān)注基本的誤碼測(cè)試分析功能。

③ 誤碼檢測(cè)原理

在介紹誤碼檢測(cè)原理之前，先來(lái)了解幾個(gè)基礎(chǔ)概念。

NRZ 信號(hào)：這是一種用于表示 0 和 1 比特的線路編碼。正邏輯時(shí)，正電壓代表邏輯1，等效負(fù)電壓代表邏輯0。

四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號(hào)：這是一種使用脈沖幅度調(diào)制技術(shù)的線路編碼。PAM4信號(hào)有四個(gè)電壓電平，每個(gè)幅度電平分別對(duì)應(yīng)邏輯比特00、01、10和11。換言之，PAM4編碼的每個(gè)符號(hào)由2個(gè)比特組成，它們對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓電平，即幅度。

圖2：NRZ 和 PAM4信號(hào)

格雷碼：格雷碼也稱(chēng)為反射二進(jìn)制碼，是連續(xù)符號(hào)相差一個(gè)二進(jìn)制比特的一種編碼碼型。在PAM4中，00、01、10和11是分別表示電平0、1、2和3〈表1）的二進(jìn)制比特序列。對(duì)于0、1、2和3電平，用格雷碼表示的相同符號(hào)為00、01、11和10。

表1：二進(jìn)制碼和格雷碼

接下來(lái)，我們來(lái)看看誤碼檢測(cè)器的工作方式：誤碼儀中有一個(gè)誤碼檢測(cè)器,它的預(yù)期碼型（如PRBS碼型）可以預(yù)先保存在存儲(chǔ)器中或是通過(guò)算法生成。通過(guò)將預(yù)期碼型與接收的碼型進(jìn)行逐比特比較，它能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算BER。

如果輸入信號(hào)是 NRZ 碼型，單個(gè)閾值電壓足以檢測(cè)輸入信號(hào)。閾值電壓設(shè)置為 0 V，這是兩個(gè)NRZ 跳變時(shí)刻的中點(diǎn)。如果采樣電壓高于閾值，它將被解釋為邏輯1；如果采樣電壓低于閾值，它將被解釋為邏輯0。

采樣閾值必須位于 NRZ 眼圖的中點(diǎn)，因此在采樣時(shí)刻確定輸入信號(hào)電平時(shí)不會(huì)產(chǎn)生混淆。取決于采樣閾值和采樣點(diǎn)時(shí)延〈采樣時(shí)刻或時(shí)延時(shí)刻），可以確定 NRZ 是 1 或是 0。將輸入碼型與預(yù)期碼型進(jìn)行比較，計(jì)算出比特誤碼率（BER）。BER 測(cè)量實(shí)時(shí)進(jìn)行，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)刻有預(yù)期的比特可用于比較。

圖 3 顯示了NRZ誤碼檢測(cè)器的質(zhì)量。質(zhì)量取決于它的分辨率和調(diào)整采樣點(diǎn)的精度，以及找到眼圖中心的閾值電平。

圖3：NRZ 誤碼檢測(cè)器的采樣點(diǎn)

如果輸入信號(hào)是PAM4編碼信號(hào)，其誤碼分析是在三個(gè)信號(hào)眼圖中同時(shí)對(duì)輸入的PAM4 信號(hào)的全部三個(gè)閾值進(jìn)行采樣。

圖4：PAM4電壓閾值

圖4顯示了PAM4信號(hào)及其閾值電壓。在除了跳變時(shí)刻之外的任何其他時(shí)刻，輸入的 PAM4 序列代表電壓電平 0、1、2 或 3。通過(guò)對(duì)三個(gè)電壓閾值同時(shí)采樣，各個(gè)電壓閾值的邏輯 1 或邏輯 0 狀態(tài)會(huì)與PAM4符號(hào)和相應(yīng)的格雷碼對(duì)應(yīng)，然后可以使用查找表成功地實(shí)時(shí)解碼。表2對(duì)操作進(jìn)行了總結(jié)。

表2：PAM4解碼表

例如：如果采樣的閾值電壓為：V高=0，V中=1，V低=1，則輸入符號(hào)為PAM4電平2符號(hào)。直接的PAM4 符號(hào)接收操作至此完成。將其與預(yù)期的 PAM4 符號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算出比特誤碼率和符號(hào)誤碼率測(cè)量值。

誤碼率最常用的表示方式為：

誤碼率（BER）= 在平均間隔內(nèi)計(jì)讀的出錯(cuò)比特?cái)?shù)/在平均間隔內(nèi)被傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)

顯然，結(jié)果具有長(zhǎng)期平均誤碼率的統(tǒng)計(jì)特性，而誤碼率與總體中取出的樣本量有關(guān)。實(shí)際測(cè)試時(shí)，可以選擇誤碼統(tǒng)計(jì)間隔，如100ms，10ms，1s等，誤碼數(shù)以實(shí)際發(fā)生的誤碼比特或誤碼符號(hào)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，而誤碼間隔分析則以選擇的統(tǒng)計(jì)間隔內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)誤碼比特/誤碼符號(hào)為一個(gè)誤碼間隔。

④ 獨(dú)特的誤碼分析功能

一般的誤碼儀中，誤碼的測(cè)試結(jié)果通常為測(cè)量時(shí)間內(nèi)總的誤碼數(shù)和平均誤碼率，可以反映被測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備的數(shù)字信號(hào)傳輸特性，作為最終驗(yàn)收結(jié)果是沒(méi)有任何問(wèn)題的。但是，在被測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備的研發(fā)過(guò)程中，僅有這樣的誤碼數(shù)或誤碼率超標(biāo)的結(jié)果，研發(fā)工程師是無(wú)所適從的，他要重新檢查確認(rèn)設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)，以查找到造成誤碼超標(biāo)的原因，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加了研發(fā)時(shí)間和成本。安立公司的誤碼儀MP1900A在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，增加了獨(dú)特的誤碼分析功能。

一種誤碼分類(lèi)方法是Insertion/Omission（結(jié)果顯示INS/OMI）

Insertion（插入）誤碼: 發(fā)送比特是0，接收比特是1 的誤碼

Omission（遺漏）誤碼: 發(fā)送比特是1，接收比特是0 的誤碼

下圖直觀地顯示Insertion/Omission誤碼分類(lèi)統(tǒng)計(jì)方法。

圖5  誤碼檢測(cè)(總數(shù), Insertion和Omission 誤碼)

另一種分類(lèi)方法是Transition/Non Transition（結(jié)果顯示Transition/NonTransition）

Transition誤碼（轉(zhuǎn)換誤碼）：統(tǒng)計(jì)發(fā)生在跳變比特的誤碼

NonTransition誤碼（非轉(zhuǎn)換誤碼）：統(tǒng)計(jì)發(fā)生在非跳變比特的誤碼

下圖直觀地顯示Transition/Non Transition誤碼分類(lèi)統(tǒng)計(jì)方法。

圖6 誤碼檢測(cè)(總數(shù),Transition和NonTransition 誤碼)

從圖5和圖6中可以看到，總的誤碼數(shù)=Transition誤碼+Non Transition誤碼=Insertion誤碼+Omission誤碼。

圖7 Insertion/Omission誤碼結(jié)果

圖8 Transition/Non Transition誤碼結(jié)果

圖9 PAM4信號(hào)MSB&LSB

Insertion/Omission誤碼結(jié)果

圖10 圖案捕捉結(jié)果

在圖10的圖案捕捉結(jié)果中，Insertion誤碼比特或字節(jié)顯示為紅色，Omission誤碼比特或字節(jié)顯示為黃色，既有Insertion又有Omission誤碼的字節(jié)顯示為藍(lán)色。Transition/Non Transition誤碼類(lèi)同。

⑤ 獨(dú)特的誤碼分析功能帶來(lái)的好處

針對(duì)數(shù)字傳輸系統(tǒng)或設(shè)備以及串行數(shù)據(jù)鏈路的研發(fā)工程師，在調(diào)試電路的過(guò)程中，如果有一臺(tái)誤碼儀可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)上述分類(lèi)的誤碼結(jié)果，對(duì)于其快速找到產(chǎn)生誤碼的原因并及時(shí)修正電路設(shè)計(jì)是有極大幫助的。

如前面所述，誤碼檢測(cè)器首先是要對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯1或0的判決，信號(hào)產(chǎn)生畸變，就會(huì)產(chǎn)生誤判，與內(nèi)部產(chǎn)生的碼型比較后，結(jié)果中就會(huì)出現(xiàn)誤碼計(jì)數(shù)。

如果誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，Insertion誤碼計(jì)數(shù)明顯高于Omission誤碼數(shù)，意味著發(fā)送端更多的0誤判為1，可能會(huì)有這么幾個(gè)原因：傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)中有偏高的直流分量，某個(gè)環(huán)節(jié)直流隔離電路可能出現(xiàn)問(wèn)題；碼間干擾造成0信號(hào)采樣點(diǎn)疊加了相鄰信號(hào)的展寬部分；低電平噪聲大于高電平噪聲；定時(shí)信號(hào)延遲。

如果誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果中， Omission誤碼計(jì)數(shù)明顯高于Insertion誤碼數(shù)，意味著發(fā)送端更多的1誤判為0，可能的原因包括：傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)中有低于中值電平的直流分量，某個(gè)環(huán)節(jié)直流隔離電路可能出現(xiàn)問(wèn)題；高電平噪聲大于低電平噪聲，定時(shí)信號(hào)時(shí)延。

如果誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，Omission誤碼數(shù)和Insertion誤碼數(shù)相當(dāng)，意味著0變1和1變0的誤碼數(shù)相差不大，傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)中沒(méi)有直流分量，高電平和低電平信號(hào)上下對(duì)稱(chēng)，誤碼來(lái)自電路中的高斯噪聲和定時(shí)時(shí)延的可能性更大。

如果誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，Transition誤碼計(jì)數(shù)明顯高于Non Transition誤碼數(shù)，反映的是數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到了高頻信號(hào)的干擾，使信號(hào)中的高頻成分因干擾而更容易產(chǎn)生誤碼。研發(fā)工程師就可以重點(diǎn)查找可能引起高頻干擾的故障因素。反之，Non Transition誤碼計(jì)數(shù)明顯高于Transition誤碼數(shù)，反映的是數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到了低頻信號(hào)的干擾，使信號(hào)中的低頻成分因干擾而更容易產(chǎn)生誤碼。研發(fā)工程師就可以重點(diǎn)查找低頻干擾的來(lái)源。如果Transition誤碼數(shù)和Non Transition誤碼數(shù)相差不多，幾乎相等，高頻干擾和低頻干擾都有，要查的環(huán)節(jié)就比較復(fù)雜了。

實(shí)踐過(guò)程中，需要結(jié)合這兩種分類(lèi)方法，循著這些方向，研發(fā)工程師可以更準(zhǔn)確更迅速地查到故障點(diǎn)，以最快速度完善電路，消除故障因素。從信號(hào)完整性角度來(lái)看，無(wú)非就是通路衰減、匹配、通路串?dāng)_等；對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，還可能是電源電壓不穩(wěn)定、引入噪聲，電路故障，光信號(hào)異常，抖動(dòng)，外部干擾等。

綜上所述，安立誤碼儀MP1900A的這一獨(dú)特誤碼分析功能可大大提高研發(fā)和設(shè)計(jì)工程師查找故障原因、調(diào)整電路設(shè)計(jì)的效率，節(jié)省時(shí)間，節(jié)約成本。（作者：王富林）