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，信號是以“1”和“0”的字符串形式傳輸?shù)?，如果發(fā)送的信號是“1”，而接收到的信號卻是“0”，這就產(chǎn)生了“誤碼”。同理，如果發(fā)送的信號是“0”，而接收到的信號卻是“1”，也同樣產(chǎn)生了“誤碼”。對于NRZ編碼信號，其英文表達為 bit error，直譯為“比特誤碼”或“比特差錯”。對于PAM4編碼信號，有兩種表達方式，其一和NRZ信號一樣，稱為bit error，其二是symbol error，直譯為“符號差錯”或“符號誤碼”，一個符號攜帶兩個比特信息。
誤碼的產(chǎn)生是由于在信號傳輸中，衰變改變了信號的電壓，致使信號在傳輸中遭到破壞，產(chǎn)生誤碼。噪音、交流電或閃電造成的脈沖、傳輸設備故障及其他因素都會導致誤碼。由于種種原因，數(shù)字信號在傳輸過程中不可避免地會產(chǎn)生差錯。例如在傳輸過程中受到外界的干擾，或在通信系統(tǒng)內(nèi)部由于各個組成部分的質(zhì)量不夠理想而使傳送的信號發(fā)生畸變等。當受到的干擾或信號畸變達到一定程度時,就會產(chǎn)生差錯。
常見的產(chǎn)生誤碼的因素：光功率過高或過低；光功率正常，但色散過大；光纖污染或連接器故障；設備問題或設備周圍的電磁環(huán)境較差，設備供電的電源電壓波動過大，設備所處環(huán)境溫度過高。造成誤碼的主要內(nèi)部機理有：(1)各種噪聲源；(2)色散引起的碼間干擾；(3)定位抖動產(chǎn)生的誤碼；(4)復用器、交叉連接設備和交換機的誤碼。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，無論是抖動的測試還是干擾的分析，最終的性能評估都會落到誤碼性能測試上，誤碼的多少決定了數(shù)字傳輸系統(tǒng)或串行傳輸鏈路的質(zhì)量和對業(yè)務的影響，所以誤碼儀就是滿足誤碼測試需求的不二選擇。
傳統(tǒng)誤碼儀由2大部分組成：
1）碼型發(fā)生器：
包括：時鐘源（可以采用內(nèi)時鐘或外時鐘），碼型產(chǎn)生組件（產(chǎn)生需要的碼型：PRBS或自定義等），信號調(diào)理前端（輸出電平控制等），時鐘信號前端（輸出時鐘電平控制等）。
2）誤碼檢測器：
包括：時鐘恢復電路（有的誤碼儀沒有，此時需要外時鐘輸入），碼型判決電路（從信號中判斷出碼型數(shù)據(jù)），錯誤碼型檢測電路（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），誤碼計數(shù)器等。
以下是最簡單的誤碼儀構(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)的誤碼儀要復雜的多，應用更加廣泛，增加了抖動注入、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，滿足各種標準的要求，產(chǎn)生壓力信號，模擬惡劣的傳輸環(huán)境，評估被測設備或系統(tǒng)的性能。這里不再展開，只關(guān)注基本的誤碼測試分析功能。
③ 誤碼檢測原理
在介紹誤碼檢測原理之前，先來了解幾個基礎概念。
NRZ 信號：這是一種用于表示 0 和 1 比特的線路編碼。正邏輯時，正電壓代表邏輯1，等效負電壓代表邏輯0。
四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號：這是一種使用脈沖幅度調(diào)制技術(shù)的線路編碼。PAM4信號有四個電壓電平，每個幅度電平分別對應邏輯比特00、01、10和11。換言之，PAM4編碼的每個符號由2個比特組成，它們對應一個電壓電平，即幅度。
圖2：NRZ 和 PAM4信號
格雷碼：格雷碼也稱為反射二進制碼，是連續(xù)符號相差一個二進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）的二進制比特序列。對于0、1、2和3電平，用格雷碼表示的相同符號為00、01、11和10。
表1：二進制碼和格雷碼
接下來，我們來看看誤碼檢測器的工作方式：誤碼儀中有一個誤碼檢測器,它的預期碼型（如PRBS碼型）可以預先保存在存儲器中或是通過算法生成。通過將預期碼型與接收的碼型進行逐比特比較，它能夠?qū)崟r計算BER。
如果輸入信號是 NRZ 碼型，單個閾值電壓足以檢測輸入信號。閾值電壓設置為 0 V，這是兩個NRZ 跳變時刻的中點。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，因此在采樣時刻確定輸入信號電平時不會產(chǎn)生混淆。取決于采樣閾值和采樣點時延〈采樣時刻或時延時刻），可以確定 NRZ 是 1 或是 0。將輸入碼型與預期碼型進行比較，計算出比特誤碼率（BER）。BER 測量實時進行，因為在這個時刻有預期的比特可用于比較。
圖 3 顯示了NRZ誤碼檢測器的質(zhì)量。質(zhì)量取決于它的分辨率和調(diào)整采樣點的精度，以及找到眼圖中心的閾值電平。
圖3：NRZ 誤碼檢測器的采樣點
如果輸入信號是PAM4編碼信號，其誤碼分析是在三個信號眼圖中同時對輸入的PAM4 信號的全部三個閾值進行采樣。
圖4：PAM4電壓閾值
圖4顯示了PAM4信號及其閾值電壓。在除了跳變時刻之外的任何其他時刻，輸入的 PAM4 序列代表電壓電平 0、1、2 或 3。通過對三個電壓閾值同時采樣，各個電壓閾值的邏輯 1 或邏輯 0 狀態(tài)會與PAM4符號和相應的格雷碼對應，然后可以使用查找表成功地實時解碼。表2對操作進行了總結(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，則輸入符號為PAM4電平2符號。直接的PAM4 符號接收操作至此完成。將其與預期的 PAM4 符號進行比較，計算出比特誤碼率和符號誤碼率測量值。
誤碼率最常用的表示方式為：
誤碼率（BER）= 在平均間隔內(nèi)計讀的出錯比特數(shù)/在平均間隔內(nèi)被傳輸?shù)目偙忍財?shù)
顯然，結(jié)果具有長期平均誤碼率的統(tǒng)計特性，而誤碼率與總體中取出的樣本量有關(guān)。實際測試時，可以選擇誤碼統(tǒng)計間隔，如100ms，10ms，1s等，誤碼數(shù)以實際發(fā)生的誤碼比特或誤碼符號統(tǒng)計計數(shù)，而誤碼間隔分析則以選擇的統(tǒng)計間隔內(nèi)出現(xiàn)一個或多個誤碼比特/誤碼符號為一個誤碼間隔。
④ 獨特的誤碼分析功能
一般的誤碼儀中，誤碼的測試結(jié)果通常為測量時間內(nèi)總的誤碼數(shù)和平均誤碼率，可以反映被測系統(tǒng)或設備的數(shù)字信號傳輸特性，作為最終驗收結(jié)果是沒有任何問題的。但是，在被測系統(tǒng)或設備的研發(fā)過程中，僅有這樣的誤碼數(shù)或誤碼率超標的結(jié)果，研發(fā)工程師是無所適從的，他要重新檢查確認設計的每個環(huán)節(jié)，以查找到造成誤碼超標的原因，費時費力，增加了研發(fā)時間和成本。安立公司的誤碼儀MP1900A在上述結(jié)果的基礎上，增加了獨特的誤碼分析功能。
一種誤碼分類方法是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誤碼分類統(tǒng)計方法。
圖5 誤碼檢測(總數(shù), Insertion和Omission 誤碼)
另一種分類方法是Transition/Non Transition（結(jié)果顯示Transition/NonTransition）
Transition誤碼（轉(zhuǎn)換誤碼）：統(tǒng)計發(fā)生在跳變比特的誤碼
NonTransition誤碼（非轉(zhuǎn)換誤碼）：統(tǒng)計發(fā)生在非跳變比特的誤碼
下圖直觀地顯示Transition/Non Transition誤碼分類統(tǒng)計方法。
圖6 誤碼檢測(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)顯示為藍色。Transition/Non Transition誤碼類同。
⑤ 獨特的誤碼分析功能帶來的好處
針對數(shù)字傳輸系統(tǒng)或設備以及串行數(shù)據(jù)鏈路的研發(fā)工程師，在調(diào)試電路的過程中，如果有一臺誤碼儀可以隨時監(jiān)測上述分類的誤碼結(jié)果，對于其快速找到產(chǎn)生誤碼的原因并及時修正電路設計是有極大幫助的。
如前面所述，誤碼檢測器首先是要對接收的數(shù)字信號進行邏輯1或0的判決，信號產(chǎn)生畸變，就會產(chǎn)生誤判，與內(nèi)部產(chǎn)生的碼型比較后，結(jié)果中就會出現(xiàn)誤碼計數(shù)。
如果誤碼統(tǒng)計結(jié)果中，Insertion誤碼計數(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，可能會有這么幾個原因：傳輸?shù)臄?shù)字信號中有偏高的直流分量，某個環(huán)節(jié)直流隔離電路可能出現(xiàn)問題；碼間干擾造成0信號采樣點疊加了相鄰信號的展寬部分；低電平噪聲大于高電平噪聲；定時信號延遲。
如果誤碼統(tǒng)計結(jié)果中， Omission誤碼計數(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)字信號中有低于中值電平的直流分量，某個環(huán)節(jié)直流隔離電路可能出現(xiàn)問題；高電平噪聲大于低電平噪聲，定時信號時延。
如果誤碼統(tǒng)計結(jié)果中，Omission誤碼數(shù)和Insertion誤碼數(shù)相當，意味著0變1和1變0的誤碼數(shù)相差不大，傳輸?shù)臄?shù)字信號中沒有直流分量，高電平和低電平信號上下對稱，誤碼來自電路中的高斯噪聲和定時時延的可能性更大。
如果誤碼統(tǒng)計結(jié)果中，Transition誤碼計數(shù)明顯高于Non Transition誤碼數(shù)，反映的是數(shù)字信號在傳輸過程中受到了高頻信號的干擾，使信號中的高頻成分因干擾而更容易產(chǎn)生誤碼。研發(fā)工程師就可以重點查找可能引起高頻干擾的故障因素。反之，Non Transition誤碼計數(shù)明顯高于Transition誤碼數(shù)，反映的是數(shù)字信號在傳輸過程中受到了低頻信號的干擾，使信號中的低頻成分因干擾而更容易產(chǎn)生誤碼。研發(fā)工程師就可以重點查找低頻干擾的來源。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)就比較復雜了。
實踐過程中，需要結(jié)合這兩種分類方法，循著這些方向，研發(fā)工程師可以更準確更迅速地查到故障點，以最快速度完善電路，消除故障因素。從信號完整性角度來看，無非就是通路衰減、匹配、通路串擾等；對于數(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，光信號異常，抖動，外部干擾等。
綜上所述，安立誤碼儀MP1900A的這一獨特誤碼分析功能可大大提高研發(fā)和設計工程師查找故障原因、調(diào)整電路設計的效率，節(jié)省時間，節(jié)約成本。（作者：王富林）
