① 数字通信系统误码产生原因

在数字通信系统中，信号是以“1”和“0”的字符串形式传输的，如果发送的信号是“1”，而接收到的信号却是“0”，这就产生了“误码”。同理，如果发送的信号是“0”，而接收到的信号却是“1”，也同样产生了“误码”。对于NRZ编码信号，其英文表达为 bit error，直译为“比特误码”或“比特差错”。对于PAM4编码信号，有两种表达方式，其一和NRZ信号一样，称为bit error，其二是symbol error，直译为“符号差错”或“符号误码”，一个符号携带两个比特信息。

误码的产生是由于在信号传输中，衰变改变了信号的电压，致使信号在传输中遭到破坏，产生误码。噪音、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码。由于种种原因，数字信号在传输过程中不可避免地会产生差错。例如在传输过程中受到外界的干扰，或在通信系统内部由于各个组成部分的质量不够理想而使传送的信号发生畸变等。当受到的干扰或信号畸变达到一定程度时,就会产生差错。

常见的产生误码的因素：光功率过高或过低；光功率正常，但色散过大；光纤污染或连接器故障；设备问题或设备周围的电磁环境较差，设备供电的电源电压波动过大，设备所处环境温度过高。造成误码的主要内部机理有：(1)各种噪声源；(2)色散引起的码间干扰；(3)定位抖动产生的误码；(4)复用器、交叉连接设备和交换机的误码。除此之外，主要是由一些具有突发性质的脉冲干扰源决定的，诸如外部电磁干扰、静电放电、设备故障、系统倒换、配线架接触不良、电源瞬态干扰和人为活动等等。

② 误码仪的构成

在数字通信系统或串行传输链路中，无论是抖动的测试还是干扰的分析，最终的性能评估都会落到误码性能测试上，误码的多少决定了数字传输系统或串行传输链路的质量和对业务的影响，所以误码仪就是满足误码测试需求的不二选择。

传统误码仪由2大部分组成：

1）码型发生器：

包括：时钟源（可以采用内时钟或外时钟），码型产生组件（产生需要的码型：PRBS或自定义等），信号调理前端（输出电平控制等），时钟信号前端（输出时钟电平控制等）。

2）误码检测器：

包括：时钟恢复电路（有的误码仪没有，此时需要外时钟输入），码型判决电路（从信号中判断出码型数据），错误码型检测电路（判断码型数据是否正确），码型产生组件（产生与发送端相同的码型，作为参考），误码计数器等。

以下是最简单的误码仪构成示意图：

图1：误码仪构成示意图

现代的误码仪比传统的误码仪要复杂的多，应用更加广泛，增加了抖动注入、均衡、加重、差模/共模干扰插入、噪声加入、格雷码产生等功能，满足各种标准的要求，产生压力信号，模拟恶劣的传输环境，评估被测设备或系统的性能。这里不再展开，只关注基本的误码测试分析功能。

③ 误码检测原理

在介绍误码检测原理之前，先来了解几个基础概念。

NRZ 信号：这是一种用于表示 0 和 1 比特的线路编码。正逻辑时，正电压代表逻辑1，等效负电压代表逻辑0。

四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号：这是一种使用脉冲幅度调制技术的线路编码。PAM4信号有四个电压电平，每个幅度电平分别对应逻辑比特00、01、10和11。换言之，PAM4编码的每个符号由2个比特组成，它们对应一个电压电平，即幅度。

图2：NRZ 和 PAM4信号

格雷码：格雷码也称为反射二进制码，是连续符号相差一个二进制比特的一种编码码型。在PAM4中，00、01、10和11是分别表示电平0、1、2和3〈表1）的二进制比特序列。对于0、1、2和3电平，用格雷码表示的相同符号为00、01、11和10。

表1：二进制码和格雷码

接下来，我们来看看误码检测器的工作方式：误码仪中有一个误码检测器,它的预期码型（如PRBS码型）可以预先保存在存储器中或是通过算法生成。通过将预期码型与接收的码型进行逐比特比较，它能够实时计算BER。

如果输入信号是 NRZ 码型，单个阈值电压足以检测输入信号。阈值电压设置为 0 V，这是两个NRZ 跳变时刻的中点。如果采样电压高于阈值，它将被解释为逻辑1；如果采样电压低于阈值，它将被解释为逻辑0。

采样阈值必须位于 NRZ 眼图的中点，因此在采样时刻确定输入信号电平时不会产生混淆。取决于采样阈值和采样点时延〈采样时刻或时延时刻），可以确定 NRZ 是 1 或是 0。将输入码型与预期码型进行比较，计算出比特误码率（BER）。BER 测量实时进行，因为在这个时刻有预期的比特可用于比较。

图 3 显示了NRZ误码检测器的质量。质量取决于它的分辨率和调整采样点的精度，以及找到眼图中心的阈值电平。

图3：NRZ 误码检测器的采样点

如果输入信号是PAM4编码信号，其误码分析是在三个信号眼图中同时对输入的PAM4 信号的全部三个阈值进行采样。

图4：PAM4电压阈值

图4显示了PAM4信号及其阈值电压。在除了跳变时刻之外的任何其他时刻，输入的 PAM4 序列代表电压电平 0、1、2 或 3。通过对三个电压阈值同时采样，各个电压阈值的逻辑 1 或逻辑 0 状态会与PAM4符号和相应的格雷码对应，然后可以使用查找表成功地实时解码。表2对操作进行了总结。

表2：PAM4解码表

例如：如果采样的阈值电压为：V高=0，V中=1，V低=1，则输入符号为PAM4电平2符号。直接的PAM4 符号接收操作至此完成。将其与预期的 PAM4 符号进行比较，计算出比特误码率和符号误码率测量值。

误码率最常用的表示方式为：

误码率（BER）= 在平均间隔内计读的出错比特数/在平均间隔内被传输的总比特数

显然，结果具有长期平均误码率的统计特性，而误码率与总体中取出的样本量有关。实际测试时，可以选择误码统计间隔，如100ms，10ms，1s等，误码数以实际发生的误码比特或误码符号统计计数，而误码间隔分析则以选择的统计间隔内出现一个或多个误码比特/误码符号为一个误码间隔。

④ 独特的误码分析功能

一般的误码仪中，误码的测试结果通常为测量时间内总的误码数和平均误码率，可以反映被测系统或设备的数字信号传输特性，作为最终验收结果是没有任何问题的。但是，在被测系统或设备的研发过程中，仅有这样的误码数或误码率超标的结果，研发工程师是无所适从的，他要重新检查确认设计的每个环节，以查找到造成误码超标的原因，费时费力，增加了研发时间和成本。安立公司的误码仪MP1900A在上述结果的基础上，增加了独特的误码分析功能。

一种误码分类方法是Insertion/Omission（结果显示INS/OMI）

Insertion（插入）误码: 发送比特是0，接收比特是1 的误码

Omission（遗漏）误码: 发送比特是1，接收比特是0 的误码

下图直观地显示Insertion/Omission误码分类统计方法。

图5  误码检测(总数, Insertion和Omission 误码)

另一种分类方法是Transition/Non Transition（结果显示Transition/NonTransition）

Transition误码（转换误码）：统计发生在跳变比特的误码

NonTransition误码（非转换误码）：统计发生在非跳变比特的误码

下图直观地显示Transition/Non Transition误码分类统计方法。

图6 误码检测(总数,Transition和NonTransition 误码)

从图5和图6中可以看到，总的误码数=Transition误码+Non Transition误码=Insertion误码+Omission误码。

图7 Insertion/Omission误码结果

图8 Transition/Non Transition误码结果

图9 PAM4信号MSB&LSB

Insertion/Omission误码结果

图10 图案捕捉结果

在图10的图案捕捉结果中，Insertion误码比特或字节显示为红色，Omission误码比特或字节显示为黄色，既有Insertion又有Omission误码的字节显示为蓝色。Transition/Non Transition误码类同。

⑤ 独特的误码分析功能带来的好处

针对数字传输系统或设备以及串行数据链路的研发工程师，在调试电路的过程中，如果有一台误码仪可以随时监测上述分类的误码结果，对于其快速找到产生误码的原因并及时修正电路设计是有极大帮助的。

如前面所述，误码检测器首先是要对接收的数字信号进行逻辑1或0的判决，信号产生畸变，就会产生误判，与内部产生的码型比较后，结果中就会出现误码计数。

如果误码统计结果中，Insertion误码计数明显高于Omission误码数，意味着发送端更多的0误判为1，可能会有这么几个原因：传输的数字信号中有偏高的直流分量，某个环节直流隔离电路可能出现问题；码间干扰造成0信号采样点叠加了相邻信号的展宽部分；低电平噪声大于高电平噪声；定时信号延迟。

如果误码统计结果中， Omission误码计数明显高于Insertion误码数，意味着发送端更多的1误判为0，可能的原因包括：传输的数字信号中有低于中值电平的直流分量，某个环节直流隔离电路可能出现问题；高电平噪声大于低电平噪声，定时信号时延。

如果误码统计结果中，Omission误码数和Insertion误码数相当，意味着0变1和1变0的误码数相差不大，传输的数字信号中没有直流分量，高电平和低电平信号上下对称，误码来自电路中的高斯噪声和定时时延的可能性更大。

如果误码统计结果中，Transition误码计数明显高于Non Transition误码数，反映的是数字信号在传输过程中受到了高频信号的干扰，使信号中的高频成分因干扰而更容易产生误码。研发工程师就可以重点查找可能引起高频干扰的故障因素。反之，Non Transition误码计数明显高于Transition误码数，反映的是数字信号在传输过程中受到了低频信号的干扰，使信号中的低频成分因干扰而更容易产生误码。研发工程师就可以重点查找低频干扰的来源。如果Transition误码数和Non Transition误码数相差不多，几乎相等，高频干扰和低频干扰都有，要查的环节就比较复杂了。

实践过程中，需要结合这两种分类方法，循着这些方向，研发工程师可以更准确更迅速地查到故障点，以最快速度完善电路，消除故障因素。从信号完整性角度来看，无非就是通路衰减、匹配、通路串扰等；对于数字通信系统，还可能是电源电压不稳定、引入噪声，电路故障，光信号异常，抖动，外部干扰等。

综上所述，安立误码仪MP1900A的这一独特误码分析功能可大大提高研发和设计工程师查找故障原因、调整电路设计的效率，节省时间，节约成本。（作者：王富林）

关键词:安立 误码仪 MP1900A 测试

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来 源：安立通讯科技Anritsu

编辑：清风

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