加快誤碼率測試的置信度和精度估算方法

1、    加快誤碼率測試的置信度和精度估算方法    加快誤碼率測試的置信度和精度估算方法    類別：測試儀表      在無線系統(tǒng)誤碼率測試中，通過在測試前進(jìn)行置信度和精度估算，可以提高測試結(jié)果的可靠性并縮短測試時(shí)間，本文介紹加快誤碼率測試的置信度和精度估算方法。 大多數(shù)工程技術(shù)人員對(duì)于術(shù)語“誤碼率”(誤碼率)及相關(guān)測試非常熟悉。誤碼率測試本質(zhì)上就是輸出一個(gè)已知的數(shù)據(jù)位流給被測設(shè)備，然后捕獲并分析從被測設(shè)備返回的數(shù)

2、據(jù)流。為了使不同儀器有相同的測試結(jié)果，常常應(yīng)用一種特別的偽隨機(jī)序列，這是一種源于通訊工業(yè)定義的標(biāo)準(zhǔn)。 在當(dāng)今通訊世界中，電話與諸如無線數(shù)據(jù)等其它工業(yè)普遍受到關(guān)注。無線通訊自身充滿變化，并包含了許多分支技術(shù)，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通訊、衛(wèi)星通訊、無線電頻率廣播和手機(jī)的“雙向”通訊。    幾個(gè)不同于誤碼率測試的儀表進(jìn)入了各種技術(shù)領(lǐng)域，用于測量相關(guān)系統(tǒng)或部件的性能。如協(xié)議分析儀，是一種專用的測試手段，不具有通用性，但可以簡潔而有效地測試誤碼率。 而且，工程師們設(shè)計(jì)無線系統(tǒng)時(shí)，需要一種快速、精確的方法模擬基本的無線通訊通道干擾(如噪聲和衰減)并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在這種環(huán)境

3、下的性能。評(píng)價(jià)一套獨(dú)特的無線系統(tǒng)是非常復(fù)雜的工作，如果把所有當(dāng)今使用的數(shù)字調(diào)制方案都考慮上就尤其復(fù)雜。 對(duì)于無線系統(tǒng)，不但需要測試誤碼長度，而且要關(guān)注什么樣的背景噪聲造成了如此多的誤碼。因此，無線測試通常要求評(píng)價(jià)誤碼率與不同水平的模擬背景噪聲對(duì)應(yīng)關(guān)系，噪聲由Eb/No(每位能量比噪聲密度)或者位信噪比表示。 應(yīng)用AWGN(附加白高斯噪聲)到無線設(shè)備中，可以產(chǎn)生表示“BER - Eb/No“曲線：通常叫瀑布曲線(water curves)。瀑布曲線表示了誤碼率BER與不斷降低的背景噪聲之間的關(guān)系。瀑布曲線圖是最終測試結(jié)果，是比較無線系統(tǒng)性能的重要因素。 負(fù)責(zé)任的工程師，他們最直接的目標(biāo)是有效地產(chǎn)

4、生測試結(jié)果，并進(jìn)行可信的比較。因此，理解噪聲干擾的可能分布可以有效地執(zhí)行測試工作。簡單地說，他可以在可接 受的測試時(shí)間和期望的置信水平和精度水平之間作出折衷選擇。當(dāng)測試完成，測試的置信度和精度可應(yīng)用到瀑布曲線，因此這條曲線可用于可信的定量比較。 本文通過分析此類測試所面臨的問題，詳細(xì)描述了當(dāng)今測試的需求，同時(shí)闡述了Fastbit FB100A誤碼率測試儀和FB200A噪聲發(fā)生和通道干擾模擬器作為測試測量儀器的重要性能。 一個(gè)通訊通道模型 在所有實(shí)際案例中，無線通訊系統(tǒng)可以劃分為一些簡單的模塊。我們給出這個(gè)模型的框圖，并解釋FB100A誤碼測試儀如何進(jìn)行測試。信息的來源是一個(gè)人在講話或是一串字符

5、。傳感器將此信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)或處理器可處理的電信號(hào)。這種基本的形式就是位或二進(jìn)制數(shù)字。 顯然，一串未定義的數(shù)據(jù)流并不能代表信息的傳送。還需要一套規(guī)則，將基本的可識(shí)別語音詞匯或字符串轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的數(shù)據(jù)流。這是源編碼器的基本功能，也是通常無線通訊工程師工作的起點(diǎn)。     一旦工程師知道了信息的類別和形式(即信息源和源編碼的方法)，他就要估算傳送通道所傳送的信息可能受到損害以及損害的程度。這就是誤碼測試優(yōu)于其它測試方 法的地方。簡而言之，工程師的工作是為給定的通信通道的信息源測量誤碼或誤碼率，并為電路設(shè)計(jì)合適的編碼/解碼器和調(diào)制/解調(diào)器，或想辦法減少這些誤碼

6、。 誤碼率測試和FB100A儀表 用于無線數(shù)據(jù)通訊測試的Fastbit系列產(chǎn)品支持串行和并行通訊、可編寫4M字節(jié)數(shù)據(jù)字流、附加4M字節(jié)可編寫的內(nèi)存用于打包數(shù)據(jù)或幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。 FB100A為研發(fā)工程師設(shè)計(jì)，它不適用于低端誤碼測試和野外協(xié)議分析驗(yàn)證。FB100A中中包含的功能，如測試包和幀誤碼的測試能力、用于定義和分析長 序列的大內(nèi)存空間，使得它不能與低端的BER測試設(shè)備進(jìn)行價(jià)格上的競爭。FB100A的可編程能力使得它對(duì)研發(fā)工程師非常有價(jià)值，因?yàn)樗槐幌薅ㄔ谀骋惶?定協(xié)議。FB100A并不是設(shè)計(jì)用來替代某一專用試驗(yàn)室協(xié)議分析儀，也不能替代昂貴的、高速(Gbs)的(例如SONET系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室所需的

7、)誤碼測 試。FB100A 可提供100Mbs的串行數(shù)據(jù)流和高達(dá)160Mbs的并行數(shù)據(jù)流。因此FB100A是那些需要靈活性和高性能但預(yù)算緊張的實(shí)驗(yàn)室工程師們的理想選擇。 多數(shù)低端誤碼測試儀只把數(shù)據(jù)流發(fā)生器作為從屬功能，即使有內(nèi)存也很小-只能用于PRBS(偽隨機(jī)碼)串行數(shù)據(jù)流的產(chǎn)生和分析。多數(shù)協(xié)議分析儀正如它的名字- 只能產(chǎn)生和分析某一特定的序列。FB100A在這方面提供了杰出的性能，無論用戶自定義的序列，還是儀器提供的各種標(biāo)準(zhǔn)PRBS序列，它的 INSTALOK同步技術(shù)可提供數(shù)據(jù)位流的快速同步和誤碼分析。 FB100A獨(dú)有的INSTALOK技術(shù)包含了快速的兩步處 理，無論P(yáng)RBS數(shù)據(jù)流是否被植

8、入幀結(jié)構(gòu)的有效載荷，都可提供特殊幀結(jié)構(gòu)頭部同步和快速PRBS數(shù)據(jù)流同步。而且，PRBS數(shù)據(jù)流將在第一個(gè)幀結(jié)構(gòu)頭部終 點(diǎn)(即第一幀有效載荷的起點(diǎn))開始，在幀結(jié)構(gòu)有效載荷終點(diǎn)終止，使得下一幀結(jié)構(gòu)頭部無縫地連續(xù)發(fā)射，然后在這一幀的有效載荷部分繼續(xù)從上次終止點(diǎn)傳送 PRBS序列。這樣，完整的PRBS序列可以在幀結(jié)構(gòu)中被傳送，完全沒有早期的BER測試中的限制。因此，實(shí)現(xiàn)了簡單的設(shè)置和測試，避免了其它儀器遇到的 復(fù)雜問題，如設(shè)計(jì)和加裝外部邏輯電路或子系統(tǒng)等。 FB100A的INSTALOK技術(shù)另一個(gè)獨(dú)有的功能是它提供字(字節(jié)寬度 的信息)和字塊誤碼率測試。當(dāng)字代表幀結(jié)構(gòu)頭部，在頭部中的所有位都被忽略，從而

9、可以模擬協(xié)議中幀結(jié)構(gòu)頭部masking功能。在并行數(shù)據(jù)傳輸中，字的每 一位可以被編程并看作一個(gè)單獨(dú)的通道，誤碼測試可針對(duì)字或8個(gè)通道中的任意一個(gè)。因此，無論被分析的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)位流、字節(jié)寬度的字、字塊還是幀和幀結(jié)構(gòu)頭 部，都可進(jìn)行全面和精確的誤碼率測試。    FB100A (除數(shù)據(jù)和時(shí)鐘端口及其補(bǔ)碼外)還有兩個(gè)端口或通道。這些額外的端口可用作一個(gè)或兩個(gè)附加控制線，即幀結(jié)構(gòu)同步通道及其補(bǔ)碼；或單端幀結(jié)構(gòu)同步信道及附加 單端幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)有效指標(biāo)同步控制線。這些附加的端口可用于測試在設(shè)計(jì)中包含這些控制線的簡單數(shù)據(jù)接收機(jī)，避免增加前期的硬件投入。 FB100A 的

10、另一項(xiàng)重要性能是儀表的內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)生器和數(shù)據(jù)分析儀可以用作單獨(dú)的儀表。發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以不同于分析儀分析的數(shù)據(jù)。當(dāng)需要分析從被測設(shè)備(而不是 FB100A)發(fā)出的信號(hào)時(shí)，這是一個(gè)重要的工具。這一性能是因?yàn)镕B100A中發(fā)生器和分析儀分別使用了單獨(dú)的4M字節(jié)內(nèi)存。對(duì)于多功能的控制線功能， FB100A數(shù)據(jù)發(fā)生器擁有附加的4M字節(jié)可編程內(nèi)存，用于獨(dú)有的幀結(jié)構(gòu)同步序列。 最后，F(xiàn)B100A在物理層方面的多功能 性為用戶提供了邏輯接口界面的多種不同選擇。串行通訊方式中，標(biāo)準(zhǔn)輸出提供TTL和ECL，或TTL和PECL邏輯電平。并行通訊方式，用戶可購買各種 POD選件，包括了字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)和控制線。這些并

11、行POD通過FB100A標(biāo)準(zhǔn)物理邏輯接口提供用戶設(shè)備的連接。接口包括：使用SPI(同頻串行接口) 的MPEG，ASI(異步串行接口)，或RS422，還有更為通用的串行數(shù)據(jù)傳輸，如RS232、RS449和HSSI，包含如TTL和LVDS邏輯電 平。 當(dāng)加入開始提到的通用數(shù)據(jù)發(fā)生器和協(xié)議分析儀等設(shè)備的功能，F(xiàn)B100A的上述性能使得簡單的誤碼率測試設(shè)備可以成為功能強(qiáng)大的通訊分析工具。 AWGN和高斯概率分析 理論上，你可以測量無限長時(shí)間得到精確的誤碼率測試結(jié)果。然而，實(shí)際上你需要相對(duì)短的時(shí)間進(jìn)行測試。因此，真實(shí)的BER統(tǒng)計(jì)可能明顯高于或低于你的測試結(jié)果。 通過加入已知統(tǒng)計(jì)概率的權(quán)重到系統(tǒng)中，你可以

12、通過已知的概率分布描述誤碼的發(fā)生。使用概率分布，你可以簡單地用可信度水平和實(shí)際精度估算描述單個(gè)測試。這種方法可以在可接受的不確定度下，在短時(shí)間內(nèi)得到可重復(fù)的測試結(jié)果。 在給出公式之前，回顧一下置信度水平和精度估算會(huì)很有幫助。置信度水平定義了實(shí)際誤碼率包含在你測試的精度范圍內(nèi)的概率。精度與測試誤碼率和真實(shí)誤碼率的差有關(guān)。你通常用百分?jǐn)?shù)來表示它。 作為一個(gè)樣例，假設(shè)你作一個(gè)測試，記錄了100位誤碼。如果設(shè)定置信度水平是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差(或68.27%),測試精度是10%。也就是說，真正的誤碼率落 在誤碼率測試結(jié)果10%范圍內(nèi)的可能性有68.27%。如果你測試了10,000次，有6,827次在測試結(jié)果誤

13、差10%范圍內(nèi)，其余3,172次超出測 試結(jié)果10%的范圍。 使用高斯概率分布計(jì)算誤碼率測試參數(shù)    高斯概率分布提供了一個(gè)包含置信度水平和精度估算的公式，可用于誤碼率測量。基本公式把置信度水平和精度估算與實(shí)際測得的誤碼數(shù)關(guān)聯(lián)起來。你可以使用其中兩 個(gè)參數(shù)，使用這個(gè)公式解決任何包含三個(gè)參數(shù)的問題。更多的，你用它解決精度估算，但它也可解決給定精度和置信度水度時(shí)需要測得多少誤碼的問題。本文介紹的 第二個(gè)公式描述了最少的無誤碼測試時(shí)間與可信的理想誤碼上限的關(guān)系。 第一個(gè)公式在假定誤碼不為零的情況下，為期望的精度估算提供一個(gè)計(jì)算方法。執(zhí)行這個(gè)計(jì)算時(shí)，你還必須設(shè)

14、定置信度水平。這個(gè)等式解決了測量精度問題，可以表示為 ± 誤差，用于誤碼率測試。這個(gè)誤差因素與測試時(shí)間和誤碼率無關(guān)，它只取決于測試的誤碼位數(shù)。 精度 =s/vn s：標(biāo)準(zhǔn)偏有效期 n：誤碼位數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)偏差直接與置信度有關(guān)。表1和表2給出了置信度水平和標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系樣例。上面等式中標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)值代表了置信度水平；置信度水平代表了真正誤碼率落入你計(jì)算的精度范圍內(nèi)的可能性。 舉個(gè)例子，假定一個(gè)測試結(jié)果有4,331位誤碼位。期望的置信度水平是99.9%，你用3.29053的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？梢杂?jì)算出精度大約是5%： 精度=3.29053/v4331 =3.29053/65.8027 =0.05000

15、6 你可以用相同的公式確定得到相應(yīng)精度和置信度所需的誤碼位數(shù)。這個(gè)等式可以有效地確定何時(shí)可以結(jié)束測試，當(dāng)測試的誤碼數(shù)量達(dá)到這一值時(shí)就可以終止測試。解決計(jì)算誤碼位數(shù)的問題，這個(gè)公式可以變?yōu)椋?誤碼位數(shù)=(s/a)/v s：標(biāo)準(zhǔn)偏差； a：期望的精度 繼續(xù)使用前面的樣例，假定目標(biāo)精度是±5% ，置信度為 99.9%。需要測試的誤碼位數(shù)為4,332： 位誤碼率 =(3.29053/0.05 )/v = 65.81062/v = 4331.035    注意置信度、精度和誤碼位數(shù)在等式中的關(guān)系。置信度和精度成反比，而他們兩個(gè)同時(shí)正比于誤碼位數(shù)?；旧希?/p>

16、置信度提高，則精度變差或誤碼位數(shù)增加。相同的關(guān) 系適用于精度的增加，置信度下降，或誤碼位數(shù)增加。當(dāng)你在測試前使用公式確定置信度、精度或測試時(shí)間，這一概念非常有用。 沒有誤碼時(shí)誤碼率參數(shù)的計(jì)算 前面介紹的公式確定了精度但需要誤碼位數(shù)。注意其前提條件是測試時(shí)會(huì)產(chǎn)生累積的誤碼位數(shù)。但是，當(dāng)測試沒有無誤碼時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢？因?yàn)檎`碼率是零，設(shè)置精 度是沒有意義的，因?yàn)槿魏尉瘸肆憬Y(jié)果都是零。你不能假定真實(shí)的誤碼率為零，因?yàn)槟阒贿M(jìn)行了一個(gè)樣本測試。因此你需要找到一條可信的誤碼率上限，用于測量 零誤碼的情況。 進(jìn)行此項(xiàng)測試，你需要考慮另一種不同的概率分布，叫泊松分布。分析泊松分布，你使用一個(gè)公式計(jì)算一個(gè)幾乎

17、不可能再次發(fā)生的事件的概率。如果真正的誤碼率是知道的，你可以用公式計(jì)算在給定時(shí)間內(nèi)零誤碼的概率： P(0)=e - rT R：誤碼位出現(xiàn)的頻率 T：測試時(shí)間 這個(gè)公式提供了測試零誤碼的概率。這個(gè)概率可以轉(zhuǎn)化置信度。零誤碼概率等于真正的誤碼率等于或高于公式中設(shè)定的誤碼率的幾率。因此，如果你變換概率為“1-P(0)”，它變?yōu)檎鎸?shí)誤碼率等于或低于公式中誤碼率的概率。 在使用公式之前，請(qǐng)看下面的樣例。首先，假定一個(gè)無誤碼的測試持續(xù)了4.6秒。用每秒1位誤碼代入公式，結(jié)果為1%概率。因此，在這一誤碼率下，你在測試時(shí) 間內(nèi)將可能發(fā)現(xiàn)一位誤碼的概率為99%。如果你增加誤碼率為每秒2位誤碼，則可能性上升為99

18、.99%。因此你有99%的把握，真實(shí)的誤碼率小于1位秒，有99.99%的把握誤碼率小于2位/秒。 現(xiàn)在你可以變換等式。不需計(jì)算概率，你可以計(jì)算誤碼率上限制線和所需測試時(shí)間。在零誤碼概率的位置用置信度水平代替，用1減去置信度水平就是零誤碼概率。同樣，用誤碼率和測試位數(shù)代替誤碼出現(xiàn)頻率和測試時(shí)間。每秒誤碼數(shù)乘時(shí)間等于誤碼率乘測試的位數(shù)： P(0)= e-rT 使用前面的等式，替代置信度、誤碼率和位數(shù) 1-C =e-Rb R：誤碼率上限制線 b：測試的位數(shù) ln(1-C)=-Rb. 計(jì)算誤碼率上限制線： R =-ln(1-C)/b 計(jì)算所需測試的位數(shù)： b =-ln(1-C)/R. 上面前兩個(gè)等式根

19、據(jù)無誤碼位數(shù)確定了可信的誤碼率上限。當(dāng)一個(gè)無誤碼測試完成時(shí)，你選擇期望的置信度水平，則等式提供一可信的誤碼率上限。例如，你選1,000,000無誤碼測試位，置信度99.99%，誤碼率上限就是9.21x10-06: BER=-ln(1-0.9999)/1,000,000 =9.21x10-06 第二個(gè)等式是用于測試前估算的。它決定了滿足誤碼率標(biāo)準(zhǔn)所需測試的無誤碼位數(shù)。你需要定義一個(gè)誤碼率水平，如果真實(shí)的誤碼率確信低于這一水平，測試就不需要進(jìn)行了。這樣，你可以確定何時(shí)結(jié)束測試并仍然得到一個(gè)可信的測試。例如，如果誤碼率水平是1.00x10-06，置信度水平為99%，所需測試的位數(shù)為4,605,171

20、: Bits=-ln(1-0.99)/1.00x10-06 =4,605,170.186 你可以用這些等式和前面的部分用于分析測試結(jié)果。你還可以用它在測試前估算測試時(shí)間。對(duì)于無誤碼測試，這些估算只需要知道實(shí)際的位傳輸率。但要提供有用的估算，你必需預(yù)測誤碼率的范圍。你可以使用瀑布曲線理論計(jì)算完成無線系統(tǒng)的這一工作，這一理論可以在許多課本中找到。 瀑布曲線和測試所需時(shí)間估算 通常，測試結(jié)果呈現(xiàn)為瀑布曲線，顯示誤碼率與下降的背景噪聲的關(guān)系。一些瀑布曲線是給定調(diào)制方式最低可達(dá)到的理論限制線。這些理論瀑布曲線提供了估算測試時(shí) 間的起點(diǎn)。你所測試的誤碼率將等于或高于這一水平。使用實(shí)際信號(hào)，測試的誤碼率會(huì)接近或明顯高于理論線。通過一些初始的測試，你可以測試這一誤碼率，如果 必要，作一條新的曲線代表期望的誤碼率。