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Was ist Bitfehlerrate: BER-Tutorial

Was ist Bitfehlerrate: BER-Tutorial

Die Bitfehlerrate BER wird als wichtiger Parameter zur Charakterisierung der Leistung von Datenkanälen verwendet.

Bei der Übertragung von Daten von einem Punkt zu einem anderen, entweder über eine Funk- / Funkverbindung oder eine drahtgebundene Telekommunikationsverbindung, ist der Schlüsselparameter, wie viele Fehler in den Daten auftreten, die am entfernten Ende angezeigt werden.

Als solche Bitfehlerrate ist BER auf alles anwendbar, von Glasfaserverbindungen über ADSL, Wi-Fi, Mobilfunk, IoT-Verbindungen und vieles mehr.

Obwohl die Datenverbindungen möglicherweise sehr unterschiedliche Technologietypen verwenden, sind die Grundlagen für die Bewertung der Bitfehlerrate genau gleich.

Bitfehlerrate, BER-Grundlagen

Wenn Daten über eine Datenverbindung übertragen werden, besteht die Möglichkeit, dass Fehler in das System eingeführt werden. Wenn Fehler in die Daten eingefügt werden, kann die Integrität des Systems beeinträchtigt werden. Infolgedessen ist es notwendig, die Leistung des Systems zu bewerten, und die Bitfehlerrate BER bietet einen idealen Weg, um dies zu erreichen.

Im Gegensatz zu vielen anderen Bewertungsformen, der Bitfehlerrate, bewertet BER die vollständige End-to-End-Leistung eines Systems, einschließlich Sender, Empfänger und Medium zwischen beiden. Auf diese Weise ermöglicht die BER-Fehlerrate BER, die tatsächliche Leistung eines in Betrieb befindlichen Systems zu testen, anstatt die Komponenten zu testen und zu hoffen, dass sie an Ort und Stelle zufriedenstellend funktionieren.

BER-Definition der Bitfehlerrate

Wie der Name schon sagt, wird eine Bitfehlerrate als die Rate definiert, mit der Fehler in einem Übertragungssystem auftreten. Dies kann direkt in die Anzahl der Fehler übersetzt werden, die in einer Zeichenfolge mit einer angegebenen Anzahl von Bits auftreten. Die Definition der Bitfehlerrate kann in eine einfache Formel übersetzt werden:

BER=FehlerGesamtzahl der Bits

Wenn das Medium zwischen Sender und Empfänger gut ist und das Signal-Rausch-Verhältnis hoch ist, ist die Bitfehlerrate sehr gering - möglicherweise unbedeutend und hat keine merklichen Auswirkungen auf das Gesamtsystem. Wenn jedoch Rauschen erkannt werden kann, liegt dies vor Wahrscheinlichkeit, dass die Bitfehlerrate berücksichtigt werden muss.

Die Hauptgründe für die Verschlechterung eines Datenkanals und die entsprechende Bitfehlerrate, BER, sind Rauschen und Änderungen des Ausbreitungspfads (wo Funksignalpfade verwendet werden). Beide Effekte haben ein zufälliges Element, das Rauschen folgt einer Gaußschen Wahrscheinlichkeitsfunktion, während das Ausbreitungsmodell einem Rayleigh-Modell folgt. Dies bedeutet, dass die Analyse der Kanaleigenschaften normalerweise unter Verwendung statistischer Analysetechniken durchgeführt wird.

Bei Glasfasersystemen resultieren Bitfehler hauptsächlich aus Fehlern in den Komponenten, die zur Herstellung der Verbindung verwendet werden. Dazu gehören der optische Treiber, der Empfänger, die Anschlüsse und die Faser selbst. Bitfehler können auch als Ergebnis einer möglicherweise vorhandenen optischen Streuung und Dämpfung eingeführt werden. Es kann auch Rauschen in den optischen Empfänger selbst eingeführt werden. Typischerweise können dies Fotodioden und Verstärker sein, die auf sehr kleine Änderungen reagieren müssen, und infolgedessen können hohe Rauschpegel vorhanden sein.

Ein weiterer Faktor für Bitfehler ist jeglicher Phasenjitter, der im System vorhanden sein kann, da dies die Abtastung der Daten verändern kann.

BER und Eb / Nr

Signal-Rausch-Verhältnisse und Eb / No-Zahlen sind Parameter, die eher mit Funkverbindungen und Funkkommunikationssystemen verbunden sind. In Bezug darauf kann die Bitfehlerrate BER auch als Fehlerwahrscheinlichkeit oder POE definiert werden. Um dies zu bestimmen, werden drei weitere Variablen verwendet. Sie sind die Fehlerfunktion erf, die Energie in einem Bit Eb und die spektrale Dichte der Rauschleistung (die die Rauschleistung in einer Bandbreite von 1 Hz ist), Nr.

Es ist zu beachten, dass jede unterschiedliche Modulationsart ihren eigenen Wert für die Fehlerfunktion hat. Dies liegt daran, dass jede Art der Modulation bei Vorhandensein von Rauschen unterschiedlich funktioniert. Insbesondere sind Modulationsschemata höherer Ordnung (z. B. 64QAM usw.), die höhere Datenraten übertragen können, bei Vorhandensein von Rauschen nicht so robust. Modulationsformate niedrigerer Ordnung (z. B. BPSK, QPSK usw.) bieten niedrigere Datenraten, sind jedoch robuster.

Die Energie pro Bit Eb kann durch Teilen der Trägerleistung durch die Bitrate bestimmt werden und ist ein Maß für die Energie mit den Abmessungen von Joule. Nein ist eine Leistung pro Hertz und daher hat dies die Dimensionen der Leistung (Joule pro Sekunde) geteilt durch Sekunden. Betrachtet man die Abmessungen des Verhältnisses Eb / Nein, heben sich alle Abmessungen auf, um ein dimensionsloses Verhältnis zu erhalten. Es ist wichtig zu beachten, dass POE proportional zu Eb / No ist und eine Form des Signal-Rausch-Verhältnisses darstellt.

Es ist möglich, die Bitfehlerrate als Fehlerwahrscheinlichkeit zu definieren.

POE=12 (1-erf)E.bN.Ö

Wo:
erf = Fehlerfunktion
E.b = Energie in einem Bit
N.Ö = Leistungsspektraldichte (Rauschen in 1 Hz Bandbreite).

Es ist wichtig zu beachten, dass E.b / N.Ö ist eine Form des Signal-Rausch-Verhältnisses.

Die Energie pro Bit, E.b kann durch Teilen der Trägerleistung durch die Bitrate bestimmt werden. Als Energiemaß wird E.b hat die Einheit von Joules. N.Ö ist ein Maß für die Leistung (Joule pro Sekunde) pro Hz (Sekunden) und als Ergebnis E.b / N.Ö ist ein dimensionsloser Begriff und kann einfach als Verhältnis ausgedrückt werden.

Faktoren, die die Bitfehlerrate beeinflussen, BER

Es ist aus der Verwendung von E ersichtlichb / N.Ö, dass die Bitfehlerrate BER durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden kann. Durch Manipulieren der Variablen, die gesteuert werden können, ist es möglich, ein System zu optimieren, um die erforderlichen Leistungsniveaus bereitzustellen. Dies wird normalerweise in den Entwurfsphasen eines Datenübertragungssystems durchgeführt, so dass die Leistungsparameter in den anfänglichen Entwurfskonzeptphasen angepasst werden können.

  • Interferenz: Die in einem System vorhandenen Interferenzpegel werden im Allgemeinen durch externe Faktoren festgelegt und können durch das Systemdesign nicht geändert werden. Es ist jedoch möglich, die Bandbreite des Systems einzustellen. Durch Reduzieren der Bandbreite kann der Interferenzpegel reduziert werden. Das Reduzieren der Bandbreite begrenzt jedoch den Datendurchsatz, der erreicht werden kann.
  • Senderleistung erhöhen: Es ist auch möglich, den Leistungspegel des Systems zu erhöhen, so dass die Leistung pro Bit erhöht wird. Dies muss gegen Faktoren wie die Interferenzpegel für andere Benutzer und die Auswirkungen einer Erhöhung der Leistungsabgabe auf die Größe des Leistungsverstärkers sowie den Gesamtstromverbrauch und die Batterielebensdauer usw. abgewogen werden.
  • Bandbreite reduzieren: Ein anderer Ansatz, der zur Verringerung der Bitfehlerrate angewendet werden kann, besteht darin, die Bandbreite zu verringern. Niedrigere Rauschpegel werden empfangen und daher wird das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. Dies führt wiederum zu einer Verringerung des erreichbaren Datendurchsatzes.
  • Modulation niedrigerer Ordnung: Modulationsschemata niedrigerer Ordnung können verwendet werden, dies geht jedoch zu Lasten des Datendurchsatzes.

Es ist notwendig, alle verfügbaren Faktoren auszugleichen, um eine zufriedenstellende Bitfehlerrate zu erreichen. Normalerweise ist es nicht möglich, alle Anforderungen zu erfüllen, und es sind einige Kompromisse erforderlich. Selbst wenn die Bitfehlerrate unter dem ideal erforderlichen Wert liegt, können weitere Kompromisse hinsichtlich der Fehlerkorrekturstufen eingegangen werden, die in die übertragenen Daten eingeführt werden. Obwohl redundantere Daten mit einem höheren Grad an Fehlerkorrektur gesendet werden müssen, kann dies dazu beitragen, die Auswirkungen auftretender Bitfehler zu maskieren, wodurch die Gesamtbitfehlerrate verbessert wird.

Der BER-Parameter für die Bitfehlerrate wird häufig für viele Kommunikationssysteme angegeben und ist ein Schlüsselparameter, der verwendet wird, um zu bestimmen, welche Verbindungsparameter verwendet werden sollen, von der Leistung bis zum Modulationstyp.

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