（信号与信息处理专业论文）误码测试与误码测试仪性能研究.pdf

摘要 摘要 误码测试技术是一种估计通信系统性能的主要方法。实验中通常采用眼图分 析的方法，利用示波器上观察到的眼图形状来估计通信系统的误码性能参数，此 外，还需要根据测量的波形来评价系统的噪声容限，串扰，抖动及一些指标。误 码测试仪是评估信道性能的基本测量仪器。通过检测数据传输系统的误码性能指 标对其系统传输质量进行评估。其中，眼图测试方法采用可视化图形，清楚明了； 利用误码测试仪可以测试实际通信系统的多个误码性能，实用性较强。本文从误 码测试技术的基本原理出发，主要对示波器眼图分析方法和利用误码测试仪测试 方法进行研究、讨论。 全文分如下几个部分进行阐述： 第一、简单介绍了误码测试技术。首先，介绍了误码的概念和误码性能参数； 其次，介绍了误码产生的原因；最后，介绍了误码测试的原理。 第二、介绍了误码测试的主要方法。首先，介绍了眼图分析的方法；其次， 介绍了抖动测试的方法；最后，介绍了利用误码测试仪进行测试的方法。 第三、介绍了误码测试设备的设计要点与相关技术。首先，介绍了误码测试 仪的设计原理以及仿真实现。其次，介绍了眼图测试中抖动测试的关键技术以及 测量方法；最后，介绍了误码测试仪的技术指标。 第四、举例说明误码测试仪的功能。首先，使用a g i l e n t 公司的n 4 9 0 3 a 高 性能串行误码率测试仪进行了眼图分析和抖动测试；其次，使用h p 3 7 7 3 2 a 误码 率测试仪对c o m t e c h 公司的s d m 3 0 0 as a t e l l i t em o d e m 进行了性能检测。 关键词误码测试仪：眼图；m 序列；抖动；，卫星调制解调器； 北京工业大学工学硕七学位论文 a b s t r a c t m e a s u r e m e n to fb i te r r o rt e c h n o l o g yi so n em a i nm e t h o do fe s t i m a t i n gf u n c t i o n f o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m e y ed i a g r a mm e t h o di sg e n e r a l l yu s e di nt h ee x p e r i m e n t ， u s i n ge y ed i a g r a mi no s c i l l o s c o p et oe s t i m a t ef u n c t i o np a r a m e t e r so fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m b e s i d e s ，n o i s et o l e r a n c e ，c r o s s t a l k ，j i t t e ra n daf e wi n d i c e so fs y s t e mn e e dt o b ea p p r a i s e da c c o r d i n gt ot h em e a s u r i n gw a v e f o r m b i te r r o rr a t et e s t e r ( b e r t ) i s b a s i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n to fe s t i m a t i n gt h er o u t ef u n c t i o n ，c h e c k i n gb i te r r o r f u n c t i o ni n d e xo fd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mt oe s t i m a t es y s t e mt r a n s m i s s i o nq u a l i t y a m o n gt h e m ，e y ed i a g r a mh a sa d o p t e dv i d e o t e x tw i t hc l e a ri n t e r f a c e a n db e r tc a n b eu s e dt ot e s tm a n yb i te r r o rf u n c t i o n so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 、析t 1 1s t r o n g a d a p t a b i l i t y t h i sa r t i c l es t a r t sf r o mi n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo fb i te r r o rm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y , a n d t h e nm e t h o d so fe y ed i a g r a mi n o s c i l l o s c o p e a n db e r t m e a s u r e m e n ta r em a i n l yd i s c u s s e d t h i sp a p e ri sd e s c r i b e di ns e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , m e a s u r e m e n to fb i te r r o rt e c h n o l o g yi ss i m p l yi n t r o d u c e d a tf i r s t ，t h e c o n c e p ta n df u n c t i o np a r a m e t e r so fb i te r r o ra r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h ec a u s eo f l e a d i n gt ob i te r r o ri sm e n t i o n e d a tl a s tt h ep r i n c i p l eo fb i te r r o rm e a s u r e m e n ti s i n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h em e t h o d so fb i te r r o rm e a s u r e m e n ta r ei n t r o d u c e d a tf i r s te y e d i a g r a ma n a l y s i sm e t h o di si n t r o d u c e d a n dt h e nt h em e t h o do fm e a s u r i n gji t t e ri s i n t r o d u c e d a tl a s tt h em e t h o do fu s i n gb e r ti si n t r o d u c e d t h i r d l y , t h ed e s i g np o i n t sa n dr e l a t i v et e c h n o l o g i e so fb i t e r r o rm e a s u r i n g e q u i p m e n ta r ei n t r o d u c e d a tf i r s t ，t h ed e s i g np r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o nf o rb e r ta r e i n t r o d u c e d a n dt h e nt h ek e yt e c h n o l o g ya n dm e t h o do fm e a s u r i n gji t t e rf o re y e d i a g r a mt e s t i n ga r ei n t r o d u c e d a tl a s tt h et e c h n o l o g yi n d e xo fb e r ti sd i s c u s s e d f i n a l l y , e x p l a i nt h ef u n c t i o n so fb e r tu s i n ge x a m p l e s a tf i r s t ，a n a l y z ee y e d i a g r a ma n dt e s tji t t e rw i t ha g i l e n tn 4 9 0 3ah i g h p e r f o r m a n c es e r i a lb i te r r o rr a t e t e s t e r a n dt h e nu s i n gh p 3 7 7 3 2 ab i te r r o rr a t et e s t e rt oc a r r yo u tf u n c t i o nd e t e c t i n g f o rs d m 30 0 as a t e l l i t em o d e mo fc o m t e c hc o m p a n y k e y w o r d sb i te r r o rr a t et e s t e r ；e y ed i a g r a m ；ms e q u e n c e ；j i t t e r ；s a t e l l i t em o d e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：日期：舢r 伽 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 自从2 0 世纪7 0 年代以来，随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展， 数字和数据通信业已成为主要的通信方式。在各种包含信息技术的产品中，数字 信号又多以数字基带信号的模式进行传输和通讯，这些数字基带信号的品质将直 接关系着整个系统的性能。从理论上讲，一个基带传输系统的传递函数只要满足 系统噪声容限，就可消除码间串扰。但在实际系统中要想做到这一点非常困难， 甚至是不可能的，这是因为码间串扰与发送滤波器特性、信道特性、接收滤波器 特性等因素有关。在工程实际中，如果部件调试不理想或信道特性发生变化，都 可能使传递函数改变，从而引起系统性能变坏。实践中，为了使系统达到最佳化， 希望用一些方法和测量仪器检测系统的性能。眼图分析和误码测试仪就是分析和 测量通信系统性能的两种主要手段。 观察眼图就是其中一个常用的实验方法。眼图分析主要是利用示波器等一些 时域测量仪器测量同步的数字基带信号码元，将每个码元的波形叠加在示波器的 同一位置上。通过观察示波器眼图形状来评价系统的噪声容限，串扰，抖动及其 它指标。本文通过示波器眼图方法对误码测试进行了研究，为实践误码测试提供 了实验参考依据。 误码分析是利用统计的方法，统计通过被测系统的数字基带信号，码元被误 判后输出的个数，计算这样码元的概率，然后确定误码性能参数来表征系统性能 的。在实际中，误码测试仪是评估信道性能的基本测量仪器。通过检测数据传输 系统的误码性能指标( 包括误码率、误码间隔、无误码间隔等) 对其系统传输质 量进行评估。误码测试仪测量方法一经提出，就在测量领域中获得了广泛的关注， 诸多优点已得到了广泛认可，但是目前很多仪表厂家生产的设备都用来测试电信 部门的标准信道，而且这些设备普遍价格昂贵，适用范围不广。针对误码测试设 备的现状，在课题初期，应用v h d l 语言设计一种误码测试仪，并进行了时序 仿真，验证误码检测功能，迸一步为误码测试技术提供了理论基础。 随着我国卫星通信事业的迅速发展，一些高性能、多功能的卫星通信解调器 ( s a t e l l i t em o d e m ) 相继问世并投入实际应用。目前，由于周围环境或者人为因 素，造成很多s a t e l l i t em o d e m 不能正常工作，给s a t e l l i t em o d e m 的用户和维护 人员带来很多麻烦。因此迫切需要一种实用的方法来检测s a t e l l i t em o d e m 的性 能。本文提出一种利用误码率测试仪检测s a t e l l i t em o d e m 性能的方法，在实践 北京丁业大学工学硕上学位论文 中证实了误码测试技术。 本文在基于误码测试原理基础上，对误码测试技术中的眼图分析和误码测试 仪方法进行了详细研究，并将误码测试技术应用到卫星通信中，使误码测试技术 的应用空间更为广泛。 1 2 国内外相关内容的研究现状 随着数字通信技术的发展，系统及相关组件对可靠性要求的提高，误码测试 技术的研究受到各国的普遍重视与关注。 目前国内很多通讯行业都大量应用示波器眼图分析模块来测试系统的性能， 现在正被广泛使用的一些串行通讯标准，如u s b 2 0 、s a t a i i 等在应用眼图分析 的方法验证系统的抖动，容错等性能。在光通讯测量中，也是将基带通讯信号从 光载波中解调出来，然后观测解调以后的电信号的眼图。可以看出，眼图分析的 测量方法在电、光两大通讯领域都是相当重要的测量手段。因此仪器生产厂商纷 纷将示波器中的眼图分析功能独立出来，眼图分析方法很快就得到了广泛的关 注，成为测试领域的一个研究热点。另外，由于超高带宽示波器很重要的一个应 用就是做眼图分析，所以现在市场上有很多专门将这类高端示波器的功能偏向于 做眼图分析使用，并取名为通讯信号分析仪，成为新的专用仪器，在这样的趋势 下就更有必要研究这类测量方法。 在实际误码测量中，通常是利用误码测试仪来完成的。而目前很多仪表厂家 生产的设备都用来测试电信部门的标准信道。如o m n i b e ro t n 是提供给i t u t g 7 0 9 光通道和s o n e t s d h 设备的；m p l 5 7 0 a 是为s o n e t 、s d h 、p d h 及a t m 网络而设计等掣。而且这些设备普遍价格昂贵，适用范围不广。为此许多专家 加入到误码测试仪的设计工作中来，取得了很多成果。黑龙江科技学院的王玉萍 老师结合f p g a 的特点设计了一种逐位型误码检测器1 2 】。但误码检测器只是误码 测试仪的接收部分，还需设计发送部分测试码发生器，以产生各种码型。 随着通讯技术的发展和数字通讯技术的广泛应用，误码测试仪也得到了很快 的发展。a g i l e n t ，t e k t r o n i x 等美国知名仪器生产厂商都分别推出了各种型号的误 码测试仪，并赋予了新的产品定义通讯信号分析仪，其本质上还是一台高带 宽的数字采样示波器，但在很多功能上它更加注重了码元同步，触发去抖动等功 能，使通讯信号分析仪在性能上和以往的普通数字采样示波器也有了一些不同之 处。近期a g i l e n t 公司新推出了n 4 9 0 3 a 高性能串行误码率分析仪和完全抖动容 差测试仪( h i l g h p e r f o r m a n c es e r i a lb i te r r o rr a t et e s t e rw i t hc o m p l e t ej i t t e r t o l e r a n c et e s t i n g ) ，最高码元速率可达到1 2 5 g b s ，支持多种数字串行通讯协议 的解码分析，并且含有丰富的抖动分析功能，能够模拟添加不同种类的抖动源【3 】。 2 第1 章绪论 新型误码测试仪的出现，使得误码测试技术的功能更加广泛。因此，迫切需要我 们对误码测试仪性能进行更为深入的研究。 1 3 课题的来源及意义 1 。3 1 课题来源 本课题为国家质量监督检验检疫总局项目一“示波器眼图及误码分析计量系 统”做预研工作，项目由北京工业大学电子信息与控制工程学院现代信号处理与 d s p 应用技术研究室，和中国计量科学研究院信息计量与测试研究所合作完成。 1 3 2 课题意义 通信的目的是迅速、准确并安全地传递和交换信息( 语言、文字、数据和图 像等) 。误码是影响数字通信系统最重要的因素，因为误码直接破坏了信息传递 的正确性。误码测试技术很快就得到了广泛的关注，成为测试系统性能的主要手 段之一。本课题的主要目的就是基于误码测试技术原理，对示波器眼图分析法和 误码测试仪测试的方法进行研究，建立较完整的误码测试体系。为了验证误码测 试技术的准确性，本文应用v h d l 语言实现了误码测试仪的设计，仿真结果表 明，误码测试功能准确。因此可以判定误码测试技术的可行性。 一方面，利用示波器眼图的方法来进行误码测试，通过眼图形状和眼图参数 来表征传输系统的性能，不仅清晰明了，而且扩展了宽带示波器的功能。另外， 通过观察示波器眼图形状还可以评价系统的噪声容限、串扰、抖动及一些指标。 在产生误码的因素中，抖动已成为造成系统误差的重要成因，因此有必要分析抖 动。本文在眼图测试的基础上，重点介绍了抖动，主要包括：抖动产生的原因、 抖动模型、抖动的分析方法及抖动测量的关键技术和算法。并利用a g i l e n t 公司 的新推出的n 4 9 0 3 a 高性能串行误码率分析仪进行了眼图分析和抖动测试。 另一方面，在实际中通常利用误码测试仪来完成误码性能参数的测量。误码 测试仪由发送和接收两部分组成，发送部分的测试码发生器产生一个已知的测试 数字序列，编码后送入被测系统的输入端，经过被测系统传输后输出，进入误码 测试仪的接收部分解码并从接收信号中得到同步时钟。接收部分的测试码发生器 产生与发送部分相同的并且同步的数字序列，与接收到的信号进行比较，如果不 一致，便是误码，用计数器对误码的位数进行计数，然后记录存储，分析、显示 测试结果。目前，由于误码测试设备普遍价格昂贵，极大的限制了误码测试技术 的应用范围。利用v h d l 语言的模块化设计思想设计的误码测试仪，不仅成本 3 北京工业大学t 学硕士学位论文 低廉，可拓展能力强。而且能对标准通信信道、专用信道或自行架设的信道进行 误码测试，具有较高的实用价值和市场价值。 随着我国卫星通信事业的迅速发展，卫星通信解调器( s a t e l l i t em o d e m ) 得 到了很快的发展。目前，由于周围环境或者人为因素，造成很多s a t e l l i t em o d e m 不能正常工作，给s a t e l l i t em o d e m 的用户和维护人员带来很多麻烦。本文将误 码测试仪与卫星调制解调器结合，利用误码测试仪来检测卫星调制解调器的功 能，该方法简单易行，且取得了良好的效果。在实践中利用h p 3 7 7 3 2 a 误码率测 试仪对c o m t e c h 公司的s d m 3 0 0 as a t e l l i t em o d e m 进行了性能检测，使误码测试 仪得到了更广泛的使用空间。 1 4 本文主要研究内容 本文所基于的课题将在误码测试理论的基础上，对示波器眼图分析法及误码 测试仪测试方法进行了多方面的研究。本文将对误码测试原理进行全面阐述，并 对示波器眼图分析方法与误码测试仪测试方法作重点介绍。其中示波器眼图分析 方法具体内容包括：眼图分析法的原理、眼图参数测量算法、抖动分析方法以及 观察抖动的方法。在对误码测试仪的介绍中，重点介绍了误码测试仪的测试原理、 设计仿真以及功能实现。 下面将分章节对以上内容进行介绍： 第一章、对本文的课题背景、国内外研究现状以及课题意义进行简单介绍； 第二章、对误码测试技术进行全面介绍，包括误码的基本概念和误码性能参 数、产生误码的原因，并重点介绍了误码测试的原理； 第三章、介绍了误码测试的主要方法，包括示波器眼图分析的方法和利用误 码测试仪进行测试的方法，其中在眼图分析中重点介绍了抖动测试的方法： 第四章、介绍了误码测试设备的设计要点与相关技术，包括误码测试仪的设 计原理以及仿真实现，眼图测试中抖动测试的关键技术以及测量方法，最后，介 绍了误码测试仪的技术指标。 第五章、举例说明误码测试仪的功能。首先，使用a g i l e n t 公司的n 4 9 0 3 a 高性能串行误码率分析仪进行了眼图分析和抖动测试；其次，使用h p 3 7 7 3 2 a 误 码率测试仪对c o m t e c h 公司的s d m 3 0 0 as a t e l l i t em o d e m 进行了性能检测。 4 第2 章误码测试技术 第2 章误码测试技术 本文主要是基于误码测试原理对误码测试技术进行全面研究。因此，在这一 章里将对误码测试原理进行详细介绍，首先介绍了误码的基本概念、误码性能参 数和误码产生的原因；其次，对误码测试原理进行了详述：最后，对测试码型发 生器中的常用码型1 序列进行了全面介绍。 2 1 误码的基本概念 2 1 t 误码简述 随着数字通信突飞猛进的发展，与此同时，其传输的可靠性则显得尤为重要。 误码特性是数字通信系统的重要特性之一。对二进制数字信号来说，误码的基本 概念是：在传输系统的发送端发送“1 ”码时，在接收端收到的却是“0 ，而当 发送端发送“0 ”码时，接收端收到的却是“1 码。这种收发信码的不一致就称 为误码。误码影响数字传输系统的传输质量，使音频信号发生失真，使数据信号 丢失信息，产生不准确信息或减少传输量等。因此，误码一直受到业内的普遍重 视，许多科技人员对其进行了长期的研究与实验。 误码是影响数字通信系统最重要的因素，因为误码直接破坏了信息传递的正 确性。误码对数字网中的任何信息都会产生影响。目前，普通电信业务中占9 0 甚至9 5 以上是电话业务，误码对电话业务的损害最终反映为话音中出现噪 声，影响了通话质量；在语音通信中，随机误码的效果不过是听筒中的嗒嗒声， 对通信质量的影响不大。而数字通信中信息本身几乎没有冗余度，误码的影响很 明显，通常需要用纠检错编码和重发等办法加以解决。 2 1 2 误码性能参数 在实际系统工作时，由于无线电和卫星系统的传播效应、电磁干扰和随机传 输模式的影响，系统性能可能会随时间发生变化。为了满足测量要求，在实际中 通常采用误码性能参数来表示系统的误码性能，采用超过每个阈值的时间百分数 来表型引。通过测量可判断出该系统的优劣，并且可以根据误码性能指标判别出 传输系统问题出现在哪个段落。具体来说有下列指标： 误码个数记录：以发送端的二进制数和接收端的二进制数逐比特比较凡属相 5 北京工业大学工学硕上学位论文 异的即为误码，可在短时间内判断出该系统的优劣。 劣化分( d m ) ：每次测量时间t o = 1 分钟，门限平均误码率只= 1 0 巧，当分钟 平均误码率低于这一门限值时称为劣化分钟，见式( 2 1 ) ： 肼= 而斋川毗， 严重误码秒( s e s ) ：每次测量时间t o = 1 秒，门限平均误码率只= 1 0 3 ，当秒 平均误码率低于这一门限值时称为严重误码秒，见式( 2 2 ) ： s 嘲2 而而蒜蒜1 0 0 误码秒( e s ) ：每次测量时间t o = 1 秒，门限平均误码率= 0 ， 量周期内只要出现误码就称为误码秒，见式( 2 - 3 ) ： 醪址虱葡丽蒜丽蓟丽虬0 0 f q ( 2 - 2 ) 即在每个测 无误码秒( e f s ) ：每次测量时间瓦= 1 秒，门限平均误码率只= 0 ， 时间内未出现一个误码，则称该秒为无误码秒，见式( 2 - 4 ) ： ( 2 3 ) 即在测量 e f 蹴2 亓丽赢赫厕x 1 0 0 - ( 2 - 4 ) 平均误码率：是在一段相当长的时间间隔内，传输系统出现误码的概率，见 式( 2 5 ) ： 。 1 1 ( 出现误差的码元数) 一 m ( 传输码流中的总码元数) ( 2 5 ) 在数字通道中，误码率反映的是所产生的误码的多少，是针对一定时间的统 计数值。因此在测量中要求1 t i 足够大时才比较准确。在实际系统工作时，如果 一个系统在足够长的时间内都具有比要求还低的误码率，则可认为该系统能长期 正常工作：如果系统在数秒周期以内具有高的误码率，则认为此系统是不稳定的 而“不可利用”【5 j 。g 8 2 l 判据定义了可利用时间，并指出了误码性能指标的计 算过程：根据总测量时间z ，误码测试仪减去不可利用时间周期，即误码率比1 0 - 3 差的1 0 秒或更长的周期，可以得到可利用时间( 邑眦秒) 。在余下的可利用时 间内，累计有误码的秒作为误码秒( e s ) 被记录，同时将误码率比1 0 3 更差的任何 秒作为严重误码秒( s e s ) 被累计，余下的无严重误码秒周期一起被放入6 0 秒的 信息编组中，而平均误码率比1 0 _ 6 差的任何秒都归类为劣化分( d m ) ，计算流程 如图2 - 1 所示： 6 第2 章误码测试技术 2 2 误码产生的原因 图2 1 误码性能参数计算流程图 随着通信技术的不断发展，数字通信正在逐步取代模拟通信。在数字通信系 统中，数字传输、数字复接、数字交换以及其它数字处理都可能使传输的数字产 生误码，而在传输系统中表现得尤为突出。在传输系统中，传输速率、信号的信 噪比、传输波形设计以及外界的电磁干扰都会产生误码。数字系统的误码是由几 个截然不同的实际效应所引起。究其根源有以下几方面： ( 1 ) 过量噪声 过量噪声通常是由在灵敏电路中加二进制信号时的热噪声或串扰所引起，它 们将使眼孔闭合，并在眼图显示上形成某种“模糊性”。受噪声限制的系统的特 征在于，误码按泊松分布呈随术丌发生且不受所传输的位模式的影响【5 】。 ( 2 ) 码间干扰 码间干扰( i s i ) 由数字电路中的短期存储效应引起。在任何时候，所接收的 信号不仅代表当时数字值，而且也代表残余的以前数字值( 由系统的脉冲响应决 定) 。这些残余值和热噪声一样影响眼图。但是，其电平并不呈随机性，而是由 先前的数字模式所决定。 当前无线通信中常用的解决码间串扰的方法集中在利用均衡滤波器和采用 扩频编码的办法。均衡滤波器是一个横向滤波器，要求接收端的硬件设备要添加 一个滤波器，而且均衡滤波器的抽头系数的计算使得滤波器的设计变得复杂，增 加了接收系统的复杂性。如果采用扩频编码的办法，利用扩频码的相关特性，可 以解决码间串扰的问题。上述两种方法中，均衡滤波器是对接收信号进行处理， 而扩频编码是增加频谱宽度的编码方法。在无线数字通信系统中，对于多径干扰 7 北京工业大学工学硕士学位论文 引起的码间串扰问题，提出了一种利用线性调频信号进行调制的方法，这种方法 是一种新的中频调制方法，不同于扩频编码的编码方法，是一种中频扩频调制方 法。由于线性调频信号很好的自相关特性，尖锐的时域特性，很低的旁瓣电平， 因此可以很好的解决码间串扰的问题。 ( 3 ) 定时抖动 定时抖动一般是以某一低频( 一般为1 0 h z ) 以上无抖动的时钟为时间基准， 来看输入数字信号中的特征点( 例如过零点) 相对于该时钟基准在时间上的偏差， 通常用单位间隔( u i ) 峰峰值量度。抖动是由各种各样的原因引起的，主要有3 类： 随机噪声，其中有注入噪声、热噪声，以及电子元件与子系统中的粉红噪声； 系统的影响，如来自相邻导线和电路的串扰信号和寄生信号，以及衡量高低 驱动功能对称性的占空比失真；数据影响源，其中有符号间干扰、散射和字同步 失真。 综上所述，导致误码产生的原因很多，并且各种因素所产生的影响都不相同。 分析误码产生的根源，为误码测试技术中的眼图分析方法提供了充分的理论根 据，使抖动测试成为眼图分析的重点。 2 3 误码测试技术 前面介绍了误码的基本概念、误码性能参数及误码产生的原因，本节主要介 绍误码测试的原理，包括测试码发生器和误码检测器的原理。在测试码发生器中， 全面介绍了m 序列，包括m 序列的产生原理、性质和仿真实现。有关误码测试 的方法将在下面的章节中详细介绍。 2 3 1 误码测试的原理 为了对数字传输系统进行测试，将码型发生器与被测系统的输入端相连，在 输出端连接误码检测器。其基本原理框图如图2 - 2 所示： i 码型发生器 数字传输系统_ 误码检测器 l 图2 - 2 数字传输系统测试原理图 在实际测试中，通常使用误码测试仪来测型6 】。误码测试仪由发送和接收两 部分组成，发送部分的测试图形发生器( 码型发生器) 产生一个己知的测试数字 序列，编码后送入被测系统的输入端，经过被测系统传输后输出，进入误码测试 8 第2 章误码测试技术 仪的接收部分解码并从接收信号中得到同步时钟。接收部分的测试图形发生器 ( 码型发生器) 产生与发送部分相同的并且同步的数字序列，与接收到的信号进 行比较，如果不一致，便是误码，用计数器对误码的位数进行计数，然后记录存 储，分析、显示测试结果。其测试原理如图2 3 所示： 2 3 2 码型发生器 图2 3 误码测试原理图 通过上面的介绍不难发现，误码测试中需要产生一个已知的测试序列。为了 使测试结果尽可能真实地反映系统的性能，发送端需要采用某种序列作为测试数 据，这种数据序列“0 、“l 分布最接近实际情况。这类码序列的最重要的特征 应具有近似于随机信号的性能，也可以说具有与噪声相似的性能。但是，真正的 随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。所以只能产生一种周期性的脉冲信号 来近似随机噪声的性能，即伪随机序列( p r b s ) 。伪随机序列( p r b s ) 具有类 似于随机信号的一些统计特性，且有规律性，容易产生，。在实际中应用范围很广 【。7 1 。首先在扩频通信系统中，3 g 及3 g 移动通信技术的特征之一是码分多址即 c d m a ，伪随机码是c d m a 码分的基础，简称p n 码。其次，在扩频通信系统 中也把扩频序列叫做伪随机序列( 即p n 码) 。p n 码的选择已成为3 g 移动通信的 关键技术之一，直接影响c d m a 系统的质量、抗干扰能力等。 通常，产生伪随机序列的数字电路为一反馈移位寄存器。根据其构成结构， 它又分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类，由线性反馈移存器产生的周 期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移位寄存器序列，简称m 序列。 另外，测试码型还可采用用户定义的字模式。典型的激励模式可能包括一长串的 “0 ”，用来测试时钟恢复。对于远程通信和数据通信传输系统，目的是仿真在正 常工作条件下所经历的随机通信量。在国际上，码型应符合c c i t t 建议0 1 5 1 ， 0 1 5 2 和0 1 5 3 引，表2 1 列出了几种通信传输速率的序列长度与位速率的关系。 9 北京 丁业大学工学硕士学位论文 表2 1 测试码型与比特率的关系( o 1 5 1 ，o 1 5 2 和o 1 5 3 ) 比特率测试码型( 序列长度) 5 0b i t s - - - 1 6 8b i f f s ( o 1 5 3 ) 2 9 - 1 ， 2 “- i ，2 ”- 1 6 4 kb i f f s ( 0 1 5 2 ) 2 “一1 1 5 4 4 mb i f f s 2 “一1 ，2 一1 2 0 4 8mb i f f s 2 “一1 8 4 4 8mb i f f s 2 “一1 3 4 3 6 8mb i f f s 2 4 1 4 4 7 3 6mb i f f s 2 “一1 ，2 ”一1 1 3 9 2 6 4mb i f f s 2 ”一l 2 3 3 误码检测器 测试码型经过被测系统传输后输出到误码测试仪的接收部分误码检测 器。首先接受部分需要产生与发送部分相同的并且同步的数字序列，其产生原理 和上述码型发生器相同，这就不详细介绍。误码检测器的核心是异或门，使用异 或门将接收到的信号与接收部分码型发生器所产生的码型进行比较，当两种码型 完全相同且同步时，异或门输出为0 ：当有差异时，即在接收的数据流中某位出 现错误时，异或门输出为1 。原理如图2 4 所示： 参考图形 n n n rn nn nn 被测信号 2 3 4m 序列 廿 图2 _ 4 误码检测原理图 = 进制误码输出 对于一般实验室应用，测试码型通常采用伪随机序列( p r b s 码型) 。尤其 是m 序列，由于其具有很多优良的特性，例如随机性、规律性、好的自相关和 互相关性，且很容易产生，应用范围十分广泛。目前i s 9 5 标准中使用的p n 序 列就是m 序列，同时m 序列还是构成其他序列码的基础，如在w c d m a 中采用 1 0 第2 章误码测试技术 的g o l d 码就是由2 个m 序列相加而成的。此外m 序列又有较好的密码学性质， 用在密码学和保密通信中，即用来产生序列密码f 8 】f 9 1 。 m 序列又称为最长线性反馈移位寄存器序列，是由线性反馈移位寄存器产生 的。然而，在实际应用中，不是任意线性反馈寄存器都能产生m 序列，只有当 线性反馈移位寄存器的特征多项式为本原多项式时，产生的才是伪随机m 序列， 这也是线性反馈寄存器能产生m 序列的充分必要条件。对于特征多项式，可用 以下方程表示，见式( 2 6 ) ： s ( x ) 2c o + c l x + c z x 2 + + 巳x 4 ( 2 6 ) 其中，特征多项式中的一o = o ，1 ，2 甩) 与移位寄存器的第i 个触发器相对应， q ( f = 1 ，2 ，力) 的取值决定了一的有无。常用的本原多项式如表2 - 2 所示： 表2 2 本原多项式r + x k + 1 表 n k n k 211 4 1 061 311 5 l 4 1 1 61 23l 52 1 73 611 8 7 731 9 5 2l 84322 0 3 942 l 2 l o32 2l 1 122 35 1 2 64 12 472l 1 34312 5 3 基于以上本原多项式来设计线性反馈移位寄存器【9 】【1 1 1 ，其一般形式如图2 - 5 所示： 北京工业人学工学硕 ：学位论文 图2 - 5 最长线性反馈移位寄存器原理图 图中有n 个寄存器，状态分别为z ( f = 1 ，2 n ) ，经过e 相乘模2 加，再 反馈给第一个寄存器。其中c ，= 0 表示断开，c ，= 1 表示接通。也就是说，c ，的 取值决定了反馈的形式。在外时钟的控制下，寄存器的存储信号逐位移位输出。 由于n 个寄存器有2 ”种状态，因此从理论上讲，m 序列的周期应为2 ”。但由于 当全为0 时，状态是维持不变的。所以实际上m 序列的周期为2 ”一1 。 若假设初始状态为1 0 0 ，则其状态图f 9 】【l l 】如图2 - 6 所示： 图2 - 6 最长线性反馈移位寄存器状态图 i n 序列具有很多优良的特性，主要体现在： ( 1 ) 均衡性 m 序列每一周期中1 的个数比o 的个数多1 个。由上述介绍可知，其周期 p = 2 ”一1 ( 力为寄存器的级数) 为奇数，因此在每一周期中1 的个数为p + = 2 川 为偶数，而0 的个数为( p 一1 ：2 柚一1 为奇数。当p 足够大时，在一个周期中 1 与0 出现的次数基本相等。 1 2 第2 章误码测试技术 ( 2 ) 随机性 m 序列中连续的为“0 ”或“1 ”称为游程，其个数称为游程长度。一般地， 长度为k 的游程个数占游程总数的t ，其中l k ( n 一2 ) 。而且，在长度为k 游程中，连1 游程与连0 游程各占一半，长为( n - 1 ) 的游程是连0 游程，长为1 1 的游程是连1 游程。 ( 3 ) 尖锐的自相关性和互相关性 m 序列和它移位后的序列逐位模2 加，所得序列还是m 序列。并且m 序列 的自相关函数也有周期性，周期p = 2 ”一1 。 根据上述m 序列的性质和产生原理首先采用了m a t l a b 编程产生m 序列 1 1 - 1 3 ： 以n = 4 为例，本原多项式为x 4 + x + l 。首先，编写函数m ，实现m 序列。 以反馈f e e d b a c k 作为参数，f e e d b a c k 的取值决定于本原多项式的形式。编程代码 如下： f u n c t i o nm = m s e q u e n c e ( f e e d b a c k ) ； n 2 l e n g t h ( f e e d b a c k ) ； n = 2 “n 一1 ： r e g i s t e r = o n e s ( 1 ，n ) ；i n i t i a lc o n d i t i o no fr e g i s t e r m ( 1 ) = r e g i s t e r ( n ) ； f o ri = 2 ：n n e w r e g i s t e r = m o d ( s u m ( f e e d b a c k * r e g i s t e r ) ，2 ) ； f o rj = 2 ：n n e w - r e g i s t e r ( j ) = r e g i s t e r ( j 一1 ) ； e n d ； r e g i s t e r = n e w - r e g i s t e r ； m ( i ) = r e g i s t e r ； e n d ； 接着在m a t l a b 的命令窗口中输入初始条件： f e e d b a c k = 10 01 ： m 2 m _ s e q u e n c e ( f e e d b a c k ) ； 即可得到m 序列：1 l 1lo1o11 00 100o 目前，m 序列产生电路的实现方法主要有以下几种：门电路实现，该方法设 计简单，但随着移位寄存器级数的增长，电路装调困难，且占用的印制板面积较 大；d s p 编程实现，该方法专业性过强，不适合一般用户：v h d l 与c p l d 实 现，由于c p l d 的高集成度，而且v h d l 语言编程较为方便，故可以大大减少 电路的装调的困难。m a t l a b 仿真方法简单易行，验证了m 序列原理的正确性。 北京工业大学工学硕士学位论文 为后面章节中利用v h d l 语言设计m 序列产生器提供了仿真理论基础。 2 。4 小结 本章重点介绍了误码测试技术的基本原理。误码测试通常由误码测试仪来完 成，误码测试仪由发送端模块和接收端模块两部分组成，发送端模块实质上是一 个m 序列发生器，由它产生的数字数据流将作为仿真数据送入待测系统中。接 收端模块分为两个功能子模块：一是m 序列发生器子模块，二是误码统计子模 块。前者的逻辑功能与发送端模块相类似，其作用是产生一个与发送端形式相同 的本地m 序列；后者的作用是将收到的数据与本地m 序列相比较，同时统计误码 数目。 首先，对误码的概念、误码性能参数以及误码产生的原因进行了说明。 其次，详细介绍了误码测试技术的原理，主要包括码型发生器和误码检测器 的工作原理。 最后，对测试码型发生器中的常用码型1 序列进行了全面介绍，主要包 括三方面的内容：r n 序列的性质、产生原理和仿真实现。 1 4 第3 章误码测试的主要方法 第3 章误码测试的主要方法 误码测试的最终目的是估计待测系统的性能。通过上一章的介绍可以看出， 通过误码测试仪的码型发生器产生测试数字序列输入到待测系统中，再由误码检 测器来测试误码特性。这样，在测试中就需要选择合适的方法来表征系统的性能。 眼图分析是其中一个常用的实验方法，主要是利用示波器等一些时域测量仪 器测量同步的数字基带信号码元，将每个码元的波形叠加在示波器的同一位置 上。在理想情况下，眼图表现为线迹细而清晰的大“眼睛”。而在实际系统中， 由于码间干扰、噪声和抖动的存在，导致了误码的产生，也对眼图造成了很大影 响【1 4 】。本文涉及的眼图分析方法主要内容包括：影响眼图的因素、眼图参数的测 量算法、分析抖动的方法、抖动测试的工具和方法、观察抖动的方法。 在实际测试中，误码测试仪是评估信道性能的基本测量仪器。通过检测数据 传输系统的误码性能指标对其系统传输质量进行评估。误码测试方法有在线和离 线两种。所谓在线监测，是指在不中断业务运行的情况下，利用系统总码流中的 固定样码或冗余码对系统误码进行实时在线监测。而离线测量，是指在中断业务 传输的情况下，由误码测试仪对系统进行实时误码测量。在实际测试中，需根据 具体情况选择不同的测试方法。本文还提出了自测、环测和对测三种方法。 3 1 眼图 眼图是指利用实验的方法估计传输系统性能时在示波器上观察到的一种图 形。眼图是数字系统性能的良好定性测度，利用眼图可以检测脉冲的失真程度。 观察眼图时利用数据时钟源触发扫描，同时调节时基，使显示出譬如说2 个或4 个位周期。每次连续扫描时，显示器上或是由屏幕磷光体余辉、或是通过数字存 储形成随机的位模式【5 儿”j 。由于在示波器上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼 图”。眼图将各个分段的码元重叠地展现在一个码元宽度内，从而把很长一段码 流中的共性取下来叠加在屏幕上，所以说，眼图是码流的一种统计分布。 3 1 2 影响眼图的因素 在无噪声情况下、无码间串扰的理想情况下，眼图表现为线迹细而清晰的大 “眼睛”。而在实际系统中，由于码间干扰、噪声和抖动的存在，导致了误码的 产生，也对眼图造成了很大影响，主要影响表现在：当存在码间干扰的时候，示 波器屏幕上的“眼睛”张开得小。码间干扰越大，眼图越不端正；噪声往往降低 ! ! ! 二g ：! 二2 ：g l l 一眼睛的高度。当存在噪卢时噪声将叠加在信弓上，观察到的眼图的线垃会变得 幔糊不清。噪声越大，线迎越觉，越模糊：抖动往往降低眼睛的宽度。率谍匙通 过眼目参数的方法具体分析了定时抖动对眼例的影响，从而得到抖动对系统性能 的影响。 3