Evaluarea a doua metode de masurare pe calea de intoarcere: Analogica si prin BER

E.Schnettler, Philips          dupa 1998

(Obs. Toate aspectele legate de largimea de banda si structura canalului de

televiziune reflecta norma americana si nu se pot aplica automat in restul lumii)

Accesul la informatie se simplifica prin inmultirea calculatoarelor personale si aparitia Internet-ului. Operatorii CATV de anvergura au capatat interes sa concureze, cu retelele lor de sute de mii de km (in America) pe furnizorii de telefonie si Internet. Aceasta comporta asigurarea unui nou nivel calitativ in retelele de cai de intoarcere CATV. Pentru evaluarea performantelor calitative  pe revers, se au in vedere doua metode de masurare existente:masuratorile analogice de distorsiuni 6T si masuratorile de frecventa a erorilor, in tehnica numerica (BER).

Mai jos vor fi examinate trei componente ale cailor de intoarcere: amplificatorul, emitatorul cu dioda Fabry Perot (FP) si emitatorul cu reactie distribuita (DFB), comparand rezultatele de masura in cele doua tehnici.

Masuratorile traditionale in canale analogice 6-T (America), asa cum se vede in fig.1, comporta aplicarea unui semnal de intrare specific, pe canale analogice, obiectului supus masuratorii (DUT).

Specificand parametrii de lucru ai DUT (nivel de intrare, amplificare, nivel de iesire, egalizare etc.) se pot face masuratori de raport purtatoare-zgomot , distorsiuni de ord.2 si 3 si de transmodulatie la iesirea DUT.

Se cunosc relatiile dintre variatia nivelelor de intrare si variatia nivelelor diverselor componente spectrale la iesire. Masuratorile de distorsiune analogica sunt foarte utile pentru compararea industriala a dispozitivelor pentru motivele urmatoare:

-recunoasterea metodelor ca standard acceptata de industrie

-necesitatea de echipament de masura minim

-efectuarea rapida

-realizabilitatea lor pe viu (pe retea in functie)

Masurarea distorsiunilor in tehnica analogica poate da operatorului informatii pentru a preciza starea sistemului (analiza sistem)

[Nota; In articol se considera ca intoarcerea ocupa banda 5-42 MHz (America]

Fig.1 Schema bloc a montajului de masura analogic traditional

Masurarea analogica a unui singur amplificator de intoarcere

Pentru un amplificator de intoarcere incercat cu 6 canale (T) specificatiile tehnice se definesc la un nivel de intrare specificat si cu un anumit numar de canale. Esential, masuratoarea este foarte statica, redusa la cateva puncte, pentru o singura conditie de intrare.

In realitate, in functionare nivele sunt dinamice, variabile in timp.

O caracterizare mai adancita a obiectului expus masurarii ar fi sa se masoare C/N si bataile pentru cateva nivele de canal. Fig.2 si 3 ilustreaza parametrii care exprima distorsiunile analogice ale unui amplificator de intoarcere intr-un anumit domeniu de nivele de intrare.

Nivelele componentelor de batai, raportate la nivelul de purtatoare, apar pe ordonate, iar nivelul de putere de intrare per canal pe abscise. Sub 30 dBmV/canal produsele de batai au nivelele sub zgomotul termic al amplificatorului.

Fig.2 Reprezentarea nivelului de batai, raportat la nivelul purtatoarei

In fig.2 sunt nivelele componentelor de distrosiuni prezente la iesirea din amplificator intr-o plaja de nivele de intrare; nu se separa bataile de ord.2 sau 3. Acestea apar intr-o zona foarte ingusta, de numai cca.20 dB; mai jos sunt inecate in zgomotul amplificatorului, iar peste 50dBmV/canal se iese din plaja de lucru lineara. Prin modificari ale montajului de masura se mai poate largi aceasta zona.

In fig.3 este dat C/N functie de nivelul pe canal. La nivelele joase C/N este limitat de cel propriu termic al amplificatorului; la nivele de peste 30 dBmV/canal limitarea o da dinamica analizorului de spectru. Domeniul din care se pot obtine valori este mai larg, dar ramane de vazut cum se leaga cu performantele la incarcarea cu canale numerice. In masuratorile noastre nu au fost in stare sa precizam BER pentru un obiect supus masurarii pentru care am determinat bataile de ord.2 si 3.

	C/N masurat la 19 MHz
			Limitat de plaja  analizorului

	Nivel pe canal la intrare (dBmV)

Fig.3 C/N ca functie de nivelul de intrare

Masurarea frecventei bitilor eronati

Contorizarea bitilor eronati este o metoda de determinarea a capacitatii unui dispozitiv activ de a vehicula date numerice. Frecventa bitilor eronati (BER) se defineste ca numarul de biti eronati raportat la numarul total de biti transmisi intr-un interval de timp. Masurarea BER nu este statica. Ea trebuie efectuata pe intregul domeniu de nivele de intrare.

La nivelele de intrare mici, performanta dispozitivului supus masurarii este limitata de cifra de zgomot a acestuia pentru amplificatori si de zgomotul sporadic pentru laseri; la nivelele de intrare mari este limitata la amplificatori de plafonul de linearitate, iar la laseri de ecretare. Reprezentand BER masurat in functiede nivelul de intrare, se creaza o imagine a dinamicii in interiorul careia dispozitivul va functiona fara erori.

[Nota: In aceasta lucrare (fig.4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14) este vorba de date in QPSK, in banda de 1 MHz, grup T-1 (Amer.)]

Puterea totala de radiofrecventa

In fig.8, 10, 11, 13, 14 si 15 pe axa absciselor este puterea de r.f. totala.

Ea insumeaza puterea canalelor QPSK plus zgomotele parazite (probabil cu o contributie foarte mica), masurata la intrarea DUT. Cu 23 canale QPSK echidistante in spectru se umple banda 5-42 MHz, ca in fig.4, iar trecerea de la putere pe canal la putere totala de r.f. se face cu:

P total RF = (10 log 23 +N ) dBmV 10 log 23 = 13,6

unde N = puterea per canal in dBmV. Ex.23 canale QPSK la 15 dBmV dBmV.

Conversia la putere totala este justificata de doua motive:

-pe intoarcere canalele vin din locuri diferite si, chiar daca se face, periodic, o aliniere (cu precizia de ord.1 dB) pe toata reteaua, nu se pot evita diferentele de putere intre semnalele care ajung la intrarea intr-un amplificator.

-perturbatiile injectate din exterior in retea nu sunt, de regula, pe un canal, ci intr-o banda mai larga, prin chiar caracterul lor aleatoriu si implusiv.

Definirea ferestrei de BER utilizabile pe baza puterii totale de radiofrecventa este comoda, puterea totala fiind cea masurata de un masurator de putere de r.f., instrument oricum foarte util la alinierea retelelor pe intoarcere.

Plasarea canalului de masurare la 19 MHz (Amer.)

Din calculul componentelor spectrale de batai, posibile cu toate cele 23 canale numerice (Amer.) a reiesit ca numarul cel mai mare pe un canal este in jurul frecventei 19,3 MHz, deci acest loc din spectrul de intoarcere pare a fi cazul cel mai prost in ce priveste BER in conditiile functionarii obisnuite. Se poate, de altfel, beneficia de un filtru de canal T, uzual, pe 19 MHz.

PROIECT: Stingatorul cu bioxid de carbon g1,g2,g3,g6 stas 9752-86 PROIECT: Aparatul pentru legat furtunuri - electroexhaustorul

Echipament necesar suplimentar necesar pentru masurarea BER

Masurarea BER se face uzual cu un analizor de transmisie de date (DTA), programat sa dea un flux de date pseudoaleator de 2²³ -1 biti cu cadenta de 1,544 MHz in QPSK (Amer.) .Demodulatorul QPSK este utilizat la iesirea DUT pentru a reconverti semnalul de radiofrecventa in date.

DTA compara datele primite prin demodulator cu cele originale din fluxul de 2²³ -1 biti, depisteaza erorile, le numara si calculeaza BER.

Semnal numeric compus

Un aparat din completul de masura, numit sintetizor de forma de unda arbitrara (AWSI), furnizeaza 22 purtatoare simulate ca fiind modulate cu date QPSK. Cu ele se poate umple total banda de intoarcere 5-42 MHz. Simularile au raportul putere de varf – putere medie al unui semnal QPSK si fiecare canal simulat poate fi demodulat si vizualizat ca o constelatie sau ca diagrama ochiului folosind un analizor de semnal vectorial (VSA).

Fig.4 Iesirea unui sintetizor de forma de unda arbitrara

Spectrul benzii de intoarcere, ecranizat in mod scalar pe un analizor vectorial.

Canalul cu date folosit la masurarea BER are un marcaj pe varf.

Masurarea sensibilitatii modemurilor

In prealabil masurarii BER trebuie determinata sensibilitatea perechii modulator-demodulator folosite (limita inferioara a dinamicii semnalelor analizabile). Printre factorii care afecteaza sensibilitatea sunt (neexhaustiv) agilitatea de frecventa (rapiditatea de a trece pe alta frecventa la comanda), stabilitatea oscilatorului, filtrul de intrare in demodulator.

Exista un raport semnal-zgomot minim ca demodularea sa nu fie compromisa, acest raport depinzand de principiul si de proiectarea modemului.

Montaj pentru incercarea sensibilitatii modemodurilor

In fig.5 este un montaj pentru masurarea unui modulator si unui demodulator QPSK. Sintetizorul de semnal (AWS) este programat sa dea zgomot alb, cu un nivel de putere de iesire reglabil printr-un atenuator in trepte. Cu nivel minim de la AWS (sau deloc) modulatorul este reglat sa dea o purtatoare QPSK centrata pe 19 MHz cu nivel maxim. Atenuatorul din fata demodulatorului este aranjat ca nivelul de radiofrecventa ajuns la intrarea demodulatorului sa fie cel corect, de ex.0 dBmV. Se taie acum canalul QPSK si se da nivel de la AWS, asa ca intr-o banda de 1,5 MHz centrata pe 19,3 MHz el sa dea aproximativ –8 dBmV putere de zgomot. Apoi se pun in functie la aceste nivele ambele scurse, QPSK si zgomot, si se masoara sensibilitatea modemurilor incepand cu acest raport s/z de 8 dB. La acest raport, BER este de 1: 10^-2 (v.fig.6, marginea de sus) adica 1 bit eronat la 100 transmisi (in medie). Se reduce apoi nivelul de putere de zgomot in trepte de cate 1 dB, masurandu-se BER pe fiecare treapta si se creaza o caracteristica BER functie de raportul S/N.

Unii operatori au introdus in exploatarea retelelor pe intoarcere masuratoarea de BER. Aceasta cere ca dispozitivele de masurat sa fie masurate ca sa se determine cand ajung la 1.10^-6 (cel putin) atat la nivele de intrare mici (care este C/N minim necesar), cat si la nivele mari (care este nivelul maxim suportat ca sa nu dea erori provocate de distorsiuni). Se presupune ca BER de 10^-6 poate fi mnult ameliorat aplicand corectie automata de erori (algoritmi FEC). Daca se incearca modemurile, este bine sa se determine si nivelele la care se ajunge la BER = 1.10^-6,ca sa se aiba incredere in masuratorile pentru BER = 1.10^-6 (Obs: cca 2 dB diferenta de valori).

Fig.5 Montaj de masura pentru modulatorul si demodulatorul QPSK

Fig.6 Performante ale unei perechi modulator/demodulator QPSK

Incercate cu zgomot alb

Limitarea BER prin zgomot

Limita inferioara a nivelelor de intrare acceptabile pentru un dispozitiv activ (emitator, receptor, amplificator, modem . ) este determinata de un nivel de zgomot, alb sau “colorat” (laserul are un zgomot propriu colorat). Zgomotul aleator are un nivel mediu, cel impulsiv si ridica sub forma de ciocuri deasupra acestui nivel si poate sa apara in tot spectrul de radiofrecventa de la intrarea receptorului.

Fig.7 Montaj de masura pentru BER in domeniul nivelelor mici

Fig.7 reprezinta montajul de masura pentru BER in domeniul pentru care acest indice este determinat de zgomot. Cadenta si datele sunt furnizate in montaj de DTA modulatorului. Canalul in care se masoara la 19,3 MHz, se combina in modulator cu cele 22 canale QPSK simulate venite de la AWS, nivelul comun se ajusteaza prin atenuatorul variabil si se aplica obiectului de masurat, DUT. La iesirea din DUT se trece prin filtrul de banda ca sa nu se incarce semnalul cu o putere de radiofrecventa nedorita la intrarea in demodulator. Intrarea demodulatorului este tinuta la nivel constant prin reglarea atenuatorului, incat circuitul de reglaj automat de nivel al lui sa nu creeze variatii in cursul masurarii BER.

Masurarea BER in domeniul nivelelor mici pentru un  amplificator de intoarcere

Pentru un amplificator de intoarcere alimentat la 24 Vc.c se poate afirma ca BER este previzibil la nivele de intrare joase.

Daca, insa, acel amplificator este in aceeasi cabina cu un amplificator pe sens de dus si-si primeste alimentarea de la cea de 60 V sau 90 V c.a. a acestuia, nivelul de zgomot poate sa nu mai fie “alb”. Zgomotul de comutatie a electroalimentarii, scurgerile de pe sensul de dus pe cel de intoarcere si alte interactiuni intre amplificatori si cu alimentatorii pot modifica performanta BER a amplificatorului de intoarcere. In fig.8 este prezentata o performanta tipica de BER pentru un amplificator de intoarcere.

Fig.8 Amplificator de intoarcere masurat la nivele joase

Masurarea BER in domeniul nelinaer de limitare (saturatie)

Fig.9 reprezinta montajul pentru masurarea la nivele mari a BER. Dispozitivele active au doua limitari distincte la nivele mari: limitarea (scaderea amplificarii) si ecretarea.

Limitarea

Amplificatorii, cand nivelul creste peste un plafon, manifesta o scadere a amplificarii. Dupa [2] punctul de reducere a amplificarii cu 1 dB este amplitudinea la care nivelul de iesire este cu 1 dB sub cel de intrare, pentru un diport care la nivele mici avea iesirea egala cu intrarea. Daca un amplificator ar lucra putin sub punctul de reducere a amplificarii cu 1 dB, crescand nivelul la intrare amplificarea in dB ar scadea, iesirea ar creste putin sau chiar deloc. In caz extrem nivelul de iesire pe frecventele de lucru ar putea chiar sa scada.

(Obs. Nu se precizeaza ca puterea aparent pierduta se regaseste in componentele spectrale nedorite, de armonice si batai). Pentru QPSK, un amplificator in acest regim poate fi tolerat pana la un anumit grad.

Datele infatisate in fig.10 se refera la un amplificator de intoarcere.

Aici primele 3 puncte de date sunt pe amplificatorul patruns mult in regimul de limitare, cu ~ 2-3 dB.

Ecretarea

Pentru dispozitive ca emitatorii optici, BER la nivele mari este limitat de ecretare. Nivelul de modulatie de r.f. la intrarea in laser depaseste limitele aparatului. Ar insemna sa se produca mai multa lumina  decat poate da fenomenul laser. Oricare ar fi datele numerice, ecretarea distruge aceste date.

Este o distinctie importanta, caci cu oricare limitare se mai poate lucra, toleranta insemnand o oarecare crestere a frecventei de  aparitie a erorilor. In partea optica a retelei, insa, cand apare ecretarea nu se mai poate lucra.

Pentru a determina limita superioara a nivelului de intrare a unui aparat, poate sa fie nevoie de un preamplificator. Este important sa se probeze ca aparatul supus masuratorilor a intrat in ecretare si ca nu preamplificatorul a intrat in limitare.

Fig.9 Montaj de masura a BER in zona de ecretare

Fig.10 Amplificator de intoarcere masurat in zona de limitare-ecretare

Fig.11 vizualizeaza impreuna si comportarea la zgomot, si pe cea la nivele peste plafonul de linearitate. Cu datele astfel prezentate se interpreteaza usor relatia dintre nivelul de intrare si performantele de BER.

Fig.11 Amplificator de intoarcere masurat cu 23T-1 canale QPSK

Dinamica acestui amplificator de intoarcere masurat cu date QPSK la nivel de multiplexare (T-1 (Amer.) este de ord. 75 dB la ber DE 10^-6 (la BER mai mic ingustarea este foarte mica). La nivele mici limitarea o da zgomotul termic propriu DUT, iar la nivele mari de produsele de intermodulatie care cad in canalul de masura, care scad raportul semna-zgomot la intrarea in demodulator.

Date fiind aceleasi moduri de masura ca si in cazul masurarii unui amplificator pentru sensul de intoarcere, putem sa comparam acum si performantele a doi emitatori de pe sensul de intoarcere: unul avand un laser Fabry-Perot fara izolator, altul cu un laser cu reactie distribuita, izolat dar neracit.

Fig.12 DUT = emitator + linie + receptor

Obs. Aici lipsesc din text cca.2 pag.cu figuri

Concluzii

Metodele de masurare a BER dau o reprezentare completa a performantelor unui echipament de transmisie de date. Dezavantajele metodei sunt complexitatea masuratorii, nevoia de aparatura de masura suplimentara si durata necesara masuratorii cand probabilitatea de erori este mica. Desi consideram ca masurarea BER caracterizeaza cel mai bine calitatea echipamentelor, intelegem ca aceasta metoda nu este practica pe sisteme in functie.

Ca producatori de echipamente consideram de datoria noastra sa furnizam clientilor valori verificate si sa specificam metode de masura practice pentru aliniere si incercare pe teren. In viitorul apropiat se va folosi o metoda de masura pe teren simplificata, bazata tot pe date de masura de BER, asa cum se arata in articolul [3].

Referinte

1.Smith, D.R.       Sisteme de transmisie numerice ed.II  1993

2.Engelson,M. Masuratori cu analizor de spectru modern 1991

3.La Violette, K.D. et al.   Validarea si verificarea unui sistem de cai de intoarcere. O

privire clarificatoare asupra unor metode concurente.

NCTA conf. 1998