Тестирование и диагностика в инфокоммуникационных системах и сетях

11

Рис. 1.6. Структурная схема модулятора QAM

Диаграммы состояний и глазковые диаграммы анализируют амплитудно-фазовые ха-

рактеристики сигналов, однако различие в методах представления приводит к тому, что оба типа диаграмм сигналов взаимно дополняют друг друга. Глазковые диаграммы наиболее

эффективны при анализе изменений в структуре волнового фронта сигнала, тогда как диаграммы состояний являются хорошим средством для анализа процессов модуляции и де-

модуляции.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что и в том и в другом случае диаграмма формируется с накоплением данных, т.е. суммой параметров, измеренных через определенные проме-

жутки времени. Поэтому фактором, определяющим использование обоих типов диаграмм,

является цифровая природа сигнала. Для анализа аналоговых сигналов глазковые диаграммы и диаграммы состояний не имеют особого смысла.

Алгоритмические диаграммы - диаграмма Треллиса и древовидная диаграмма

В практике анализа работы цифровой системы встречается класс задач, когда необхо-

димо иметь представление не о состояниях сигнала, а о динамике изменения этих состояний.

Такие задачи встречаются при анализе процессов кодирования (в первую очередь помехоза-

щищенного сверточного кодирования современных радиочастотных систем передачи) и ана-

лизе дифференциальных методов модуляции, в которых передача цифровой информации осуществляется не сигналом, а сменой одного сигнала другим.

Для анализа динамики изменений состояний цифрового сигнала наиболее часто ис-

пользуется диаграмма Треллиса, являющегося одной из модификаций диаграммы состояний.

На этой диаграмме помимо состояний цифрового сигнала показывается траектория

12

изменений состояний. Реже используются древовидные диаграммы, представляющие собой дерево смены состояний. Обычно для анализа работы кодека измеряемая диаграмма сравни-

вается с теоретической и данными, передаваемыми в канале в двоичном представлении. В

результате анализируется правильность работы алгоритма кодека. Необходимо подчеркнуть,

что речь идет именно об алгоритмическом тестировании, т.е. проверке правильности работы алгоритма. Для анализа параметров деградации качества связи алгоритмические диаграммы неприменимы.

В качестве примера алгоритмических диаграмм рассмотрим алгоритмы сверточного ко-

дирования, применяемого в радиочастотных системах передачи и спутниковых каналах свя-

зи. На рис.1.7 представлена схема сверточного кодера со скоростью кодирования 1/2, вре-

менная диаграмма и диаграмма состояний Треллиса на рис. 1.8 и 1.9, а древовидная диаграм-

ма на рис. 1.10.

Рис. 1.7. Схема сверточного кодера со скоростью кодирования 1/2

Рис. 1.8. Временная диаграмма Треллиса кодера

13

Диаграмма состояний Треллиса кодера, представленного на рис. 1.7

Древовидная диаграмма кодера, представленного на рис. 1.7

14

ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ

Бинарный канал и методы анализа его параметров

Рассмотрение методологии измерений цифровых каналов начнем с описания методов измерения цифровых каналов с передачей информации в простой двоичной форме (без ли-

нейного кодирования) - бинарных цифровых каналов (рис. 1.8). В современных телекомму-

никационных системах для передачи цифровой информации используются различные типы модуляции и многоуровневого кодирования, однако оконечное оборудование систем переда-

чи в той или иной степени использует именно бинарный цифровой канал, поэтому методоло-

гия измерений бинарного канала является фундаментом измерений цифровых каналов связи.

Более того, для анализа систем с различными типами модуляции и кодирования используют-

ся данные методологии измерений по битам, т.е. имитируется процесс декодирования (демо-

дуляции) сигнала до двоичного вида, а затем полученный сигнал анализируется. Таким обра-

зом, методология измерений параметров бинарного канала представляет собой инвариант методологии измерений любых цифровых каналов.

Рис. 1.8. Бинарный цифровой канал Основное назначение бинарного цифрового канала - это передача цифровой информации

в двоичной форме, т.е. в виде битов, поэтому основные параметры качества такой цифровой передачи связаны с параметром ошибки по битам (Bit Error Rate - BER) и его производными.

Измерения по параметру BER вошли в методики измерений всех первичных и вторичных сетей,.

Для правильного понимания всех нюансов измерений цифровых каналов связи необхо-

димо глубокое понимание технологии измерений бинарного цифрового канала.

Различаются два типа измерений бинарного канала - измерения с отключением канала и измерения без отключения канала. При отключении канал не используется в процессе изме-

рений для передачи реального цифрового трафика. В качестве источника и приемника дво-

ичного сигнала используются анализаторы цифрового канала. Измерения без отключения канала предусматривают использование специальных алгоритмов анализа параметров канала в процессе при передачи реального трафика.

15

При измерениях с отключением канала сигнал передается в виде тестовой последовательности, которая принимается на другом конце канала (приемник) и затем проводится анализ ошибок, вносимых каналом. Анализатор приемника должен обеспечивать предсказание структуры последовательности, т.е. требуется так называемая синхронизация тестовой последовательности. Для измерений используются разные тестовые последовательности, фиксированные и псевдослучайные, с различными алгоритмами синхронизации тестовой последовательности. Измерения с отключением канала - это единственный метод анализа параметров бинарного цифрового канала с точностью до единичной ошибки по битам (битовая ошибка). Это гарантируется принципом сравнения реально принятой последовательности битов с предсказанной, которая, в свою очередь точно совпадает с генерируемой последовательностью.

Измерения без отключения канала часто называются мониторингом, поскольку прово-

дятся в режиме работающего канала, а анализатор в этом случае подключается параллельно и осуществляет пассивный мониторинг канала. Алгоритм организации измерений основан на применении различных типов цикловых кодов или служебной информации, передаваемой в канале. Действительно, в реально работающем канале, с реальным трафиком нельзя предска-

зать передаваемую информацию, следовательно нельзя просто сравнить реальную последовательность битов с предсказанной последовательностью, поэтому невозможно локализовать единичную битовую ошибку. Методы измерения без отключения канала основаны на идентификации битовой ошибки в некотором блоке переданной информации,

таким образом, объективная точность измерения ограничена размерами блока. Обычно две ошибки в блоке идентифицируются как одна. В то же время несомненное преимущество метода - отсутствие необходимости отключения канала - определило широкое его распространение.

Возникновение ошибок по битам и их влияние на параметры цифровой передачи

В аналоговых системах передачи канал, воздействуя на параметры передаваемого ана-

логового сигнала, снижает качественные параметры сигнала. В цифровых системах передачи различные воздействия на цифровой канал приводят к снижению основного качественного параметра - параметра ошибки. Причины возникновения ошибок в цифровом канале имеют аналоговую природу, поскольку связаны с интерференцией, затуханием в линии и различны-

ми аддитивными шумами (рис. 1.9).

16

Рис. 1.9. Основные источники ошибок в цифровом канале

На рис. 1.9 представлены основные источники ошибок в цифровом канале: искажения,

наличие импульсных помех, аддитивный шум в канале и затухание в линии. Как видно, на-

личие искажений в канале может быть связано как с затуханием, так и с отражением сигнала.

Источниками шумов выступают физически разрушенный кабель (например, разбитая пара),

слишком малое поперечное сечение, большая распределенная емкость в кабеле. Другим важным источником шумов являются интерферирующие импульсы или импульсные помехи в канале. Источниками ошибок здесь могут быть силовые кабели, проложенные в непосредственной близости от линии связи, нарушение оболочки кабелей, сигнализация по постоянному току. Наиболее существенным и многоплановым фактором влияния на параметры цифрового канала является наличие аддитивных шумов различной природы.

Источниками ошибки здесь могут быть нарушение балансировки кабеля, параметра скручивания витой пары, интерференция с различными радиочастотными и СВЧ-сигналами,

сигналы вызова, нарушение полярности кабеля (перепутанные жилы, короткое замыкание между жилами и т.д.). Высокий уровень шумов может привести к значительному увеличению параметра ошибки.

Цифровые системы передачи имеют большую по сравнению с аналоговыми системами помехозащищенность. Однако закономерность влияния уровня шума на параметр ошибки справедлива только для большого отношения сигнал/шум. Если рассматривать влияние ин-

17

терференции на параметры цифрового канала, то эту закономерность можно схематически представить графиком рис. 6.3. Как видно из графика, цифровые системы передачи имеют определенный порог чувствительности к интерференции, в отличие от аналоговых систем передачи, где имеет место прямая зависимость эффекта влияния интерференции от ее уров-

ня. Однако влияние интерференции на параметры цифровых систем передачи более сущест-

венно, и с определенного уровня эффект этого влияния даже превышает эффект воздействия на параметры аналоговых систем.

Рис. 1.10. Влияние интерференции на параметры аналоговых и цифровых систем передачи

Наконец, важным источником шумов в цифровых каналах является затухание в кабелях и линиях передачи, причем не только высокий уровень затухания, но и его неравномерная характеристика приводят к появлению субгармоник, вносящих дополнительный аддитивный шум.

Если рассматривать источники ошибок не только в канале, но и в цифровой системе пе-

редачи, то можно выделить внутренние и внешние источники. К внутренним источникам ошибок относятся:

2. различная нестабильность во внутренних цепях синхронизации цифровых устройств,

дрейф в системе внутренней синхронизации устройства;

3.нестабильность, связанная с измерением характеристик электронных компонентов в составе устройства;

4.перекрестные помехи в цепях устройств;

5.нарушения в работе эквалайзеров и в процессах, связанных с неравномерностью АЧХ;

18

6. повышение порога по шуму, связанное с изменением параметров модулей устройств со временем.

К внешним источникам ошибок можно отнести:

-перекрестные помехи в каналах передачи;

-джиттер в системе передачи;

-электромагнитная интерференция (от машин, флуорисцентных ламп и т д.);

-нестабильность источников питания устройств;

-импульсные шумы в канале;

-механические повреждения, воздействие вибрации, плохие контакты;

-деградация качественных параметров среды передачи (электрического или оптического кабеля, радиочастотного канала и т.д),

-глобальные нарушения, связанные с разрушением канала цифровой передачи. Влияние всех перечисленных источников ошибок и интерференции значительно повышается при снижении параметра отношения сигнал/шум Если рассмотреть влияние интерференции на параметры качества работы цифровой сис-

темы передачи, можно отметить, что влияние битовых ошибок отличается для различных ycnvr и систем пепедач в зависимости от следующих факторов1

-типа передаваемого трафика (голос, данные, видео, мультимедиа и т.д.)

-типа системы передачи, принципов кодирования и наличия цепей резервирования пере-

дачи сигнала:

-количества и частоты битовых ошибок,

-распределения битовых ошибок (равномерно распределенные ошибки, ошибки, возни-

кающие пакетами и т д);

-источника интерференции;

-устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к ошибкам;

-устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к другим факторам воздействия (джиттеру, нестабильности синхронизации и т.д).

6.3. Основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале

Все параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале, будут встречаться в техноло-

гии измерений цифровых каналов первичной и вторичных цифровых сетей Прежде чем рас-

сматривать технологию измерений параметров бинарного цифрового канала, необходимо определить эти параметры Ниже приведены основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале. Они описаны в соответствии с сокращениями, используемыми в меню

19

большинства приборов В основном это параметры, используемые для анализа характеристик бинарного канала согласно ITU-T рекомендации G.821, G.826 и М.2100.

AS - Availability Seconds - время готовности канала (с) - вторичныи параметр, равный разности между общей длительностью теста и временем неготовности канала.

AS(%) - Availability Seconds - относительное время готовности канала - параметр,

характеризующий готовность канала, выраженный в процентах, является первичным пара-

метром и входит в число основных параметров ITU-T рекомендации G 821. Его можно ин-

терпретировать как вероятностную меру качества предоставляемого пользователю канала.

ВВЕ - Background Block Error - блок с фоновой ошибкой - Олок с ошибками ие является частью SES, применяется при анализе ошибок по блокам. Важный параметр, вошедший в рекомендации ITU-T G.826.

BIT или ERR BIT - Bit Errors - число ошибочных битов - параметр, используемый при анализе канала на наличие битовых ошибок и являющийся числителем в выражении для расчета BER. Битовые ошибки полсчитываются только в период пребывания канала в со-

стоянии готовности.

ЕВ - Error Block - число ошиоочных токов - параметр, используемыи при анализе канала на наличие блоковых ошибок и являющийся числителем в выражении для расчета BLER.

Блоковые ошибки полсчитываются только в период пребывания канала в состоянии готовности.

BBER - Background Block Error Rate - коэффициент ошиоок по блокам с фоновыми ошибками - отношение числа блоков с фоновыми ошибками ко всему количеству блоков в течение времени готовности канала за исключением всех блоков в течении SES. Параметр вхолит в рекомендации ITU-T G.826.

RAIL или BLR - Bit Lrror Rate - частота битовых ошибок, коэффициент ошибок по оитам основной параметр в системах цифровом передачи, равный отношению числа бито-

вых ошибок к общему числу бит. переданных за время проведения теста по каналу, находя-

щемуся в состоянии готовности. При обнаружении десяти последовательных секундных ин-

тервалов. сильно пораженных ошибками (SES). анализатор ИКМ переключается на подсчет времени неготовности канала. При этом измерение BER прерывается до восстановления ра-

оотоспособности канала. Таким образом, управляемые проскальзывания, связанные с поте-

рей одного или нескольких циклов информации, практически не влияют на значение BER.

Измерения параметра BER универсальны, они не требуют наличия в потоке Е1 цикловои и сверхцикловои структуры, однако необходима передача специальном тестовой последова-

тельности. Проводятся только при полном или частичном отключении цифрового канала от полезной нагрузки.

20

BLER - Block Error Rate - частота блоковых ошиоок. коэффициент ошиоок по олокам

- редко применяемым на практике параметр, равный отношению числа ошибочных блоков данных к общему числу переданных блоков Пол блоком понимается заданное количество битов. Ошибочным блоком считается блок, содержащим хотя бы один ошибочным бит Обычно значение параметра BLER больше (хуже), чем параметра BER. Его целесообразно измерять только в тех сетях передачи данных, где информация перелается блоками фиксиро-

ванного размера, а параметр BLER является важной характеристикой канала с учетом кадро-

вом (цикловои) структуры передачи. Например, для сетей ATM принята кадровая структура передачи в виде кадров ллинои 53 бита. Ошибочным кадр уничтожается (лискартируется). В

этом случае можно считать кадр ATM блоком длинои в 53 бита, а эквивалентом BLER будет параметр ошибки по кадрам CER (Cell Error Rate). В другом примере в качестве эквивалента олока может выступать сверхцикл ИКМ. а эквивалентом BLER будет ошибка по CRC.

CLKSLIP или SLIP - Clock Slips - число тактовых проскальзываний - параметр ха-

рактеризуется числом синхронных управляемых проскальзывании, появившихся с момента начала теста Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов в синхроннои или плезиохроннои последовательности двоичных символов в результате разли-

чия между скоростями считывания и записи в буферном памяти. Поскольку проскальзывание ведет к потере части информации, что в свою очередь ведет к потере цикловои синхронизации. на практике используются эластичные управляемые буферы с возможностью управления проскальзываниями. В этом случае проскальзывания называются управляемыми. В наиоольшеи степени параметр CLKSLIP связан с параметром неготовности канала (UAS). Сопоставление CLKSLIP и UAS позволяет выявить причину неготовности канала, в частности, связана ли она с нарушением синхронизации Значение параметра CLKSLIP зависит от размера имитируемого прибором буфера, емкостью от i Оита до нескольких циклов.

CRC ERR — CRC Errors - число ошибок CRC - параметр ошибки, измеренный с использованием циклового избыточного кода (CRC). распространенный параметр определения ошибок реально работающего канала без его отключения и без передачи тестовой последовательности Данные кода помещаются в состав сверхцикла ИКМ.

Необходимым условием измерения параметра CRC является наличие механизма формирования кода в аппаратуре передачи. Встроенные средства самодиагностики большей части современных цифровых систем передачи используют именно этот механизм. Таким образом, при измерении параметра CRC можно не только оценить частоту ошибок, но и проверить работу системы самодиагностики.