① 數字通信系統誤碼產生原因
在數字通信系統中，信號是以“1”和“0”的字符串形式傳輸的，如果發送的信號是“1”，而接收到的信號卻是“0”，這就產生了“誤碼”。同理，如果發送的信號是“0”，而接收到的信號卻是“1”，也同樣產生了“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，數字信號在傳輸過程中不可避免地會產生差錯。例如在傳輸過程中受到外界的干擾，或在通信系統內部由于各個組成部分的質量不夠理想而使傳送的信號發生畸變等。當受到的干擾或信號畸變達到一定程度時,就會產生差錯。
常見的產生誤碼的因素：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境較差，設備供電的電源電壓波動過大，設備所處環境溫度過高。造成誤碼的主要內部機理有：(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性質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、系統倒換、配線架接觸不良、電源瞬態干擾和人為活動等等。
② 誤碼儀的構成
在數字通信系統或串行傳輸鏈路中，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字傳輸系統或串行傳輸鏈路的質量和對業務的影響，所以誤碼儀就是滿足誤碼測試需求的不二選擇。
傳統誤碼儀由2大部分組成：
1）碼型發生器：
包括：時鐘源（可以采用內時鐘或外時鐘），碼型產生組件（產生需要的碼型：PRBS或自定義等），信號調理前端（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據），錯誤碼型檢測電路（判斷碼型數據是否正確），碼型產生組件（產生與發送端相同的碼型，作為參考），誤碼計數器等。
以下是最簡單的誤碼儀構成示意圖：
圖1：誤碼儀構成示意圖
現代的誤碼儀比傳統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、格雷碼產生等功能，滿足各種標準的要求，產生壓力信號，模擬惡劣的傳輸環境，評估被測設備或系統的性能。這里不再展開，只關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。
四電平脈沖幅度調制（PAM4）信號：這是一種使用脈沖幅度調制技術的線路編碼。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，它能夠實時計算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誤碼檢測器的質量。質量取決于它的分辨率和調整采樣點的精度，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。
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）= 在平均間隔內計讀的出錯比特數/在平均間隔內被傳輸的總比特數
顯然，結果具有長期平均誤碼率的統計特性，而誤碼率與總體中取出的樣本量有關。實際測試時，可以選擇誤碼統計間隔，如100ms，10ms，1s等，誤碼數以實際發生的誤碼比特或誤碼符號統計計數，而誤碼間隔分析則以選擇的統計間隔內出現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，誤碼的測試結果通常為測量時間內總的誤碼數和平均誤碼率，可以反映被測系統或設備的數字信號傳輸特性，作為最終驗收結果是沒有任何問題的。但是，在被測系統或設備的研發過程中，僅有這樣的誤碼數或誤碼率超標的結果，研發工程師是無所適從的，他要重新檢查確認設計的每個環節，以查找到造成誤碼超標的原因，費時費力，增加了研發時間和成本。安立公司的誤碼儀MP1900A在上述結果的基礎上，增加了獨特的誤碼分析功能。
一種誤碼分類方法是Insertion/Omission（結果顯示INS/OMI）
Insertion（插入）誤碼: 發送比特是0，接收比特是1 的誤碼
Omission（遺漏）誤碼: 發送比特是1，接收比特是0 的誤碼
下圖直觀地顯示Insertion/Omission誤碼分類統計方法。
圖5 誤碼檢測(總數, Insertion和Omission 誤碼)
另一種分類方法是Transition/Non Transition（結果顯示Transition/NonTransition）
Transition誤碼（轉換誤碼）：統計發生在跳變比特的誤碼
NonTransition誤碼（非轉換誤碼）：統計發生在非跳變比特的誤碼
下圖直觀地顯示Transition/Non Transition誤碼分類統計方法。
圖6 誤碼檢測(總數,Transition和NonTransition 誤碼)
從圖5和圖6中可以看到，總的誤碼數=Transition誤碼+Non Transition誤碼=Insertion誤碼+Omission誤碼。
圖7 Insertion/Omission誤碼結果
圖8 Transition/Non Transition誤碼結果
圖9 PAM4信號MSB&LSB
Insertion/Omission誤碼結果
圖10 圖案捕捉結果
在圖10的圖案捕捉結果中，Insertion誤碼比特或字節顯示為紅色，Omission誤碼比特或字節顯示為黃色，既有Insertion又有Omission誤碼的字節顯示為藍色。Transition/Non Transition誤碼類同。
⑤ 獨特的誤碼分析功能帶來的好處
針對數字傳輸系統或設備以及串行數據鏈路的研發工程師，在調試電路的過程中，如果有一臺誤碼儀可以隨時監測上述分類的誤碼結果，對于其快速找到產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字信號進行邏輯1或0的判決，信號產生畸變，就會產生誤判，與內部產生的碼型比較后，結果中就會出現誤碼計數。
如果誤碼統計結果中，Insertion誤碼計數明顯高于Omission誤碼數，意味著發送端更多的0誤判為1，可能會有這么幾個原因：傳輸的數字信號中有偏高的直流分量，某個環節直流隔離電路可能出現問題；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。
如果誤碼統計結果中， Omission誤碼計數明顯高于Insertion誤碼數，意味著發送端更多的1誤判為0，可能的原因包括：傳輸的數字信號中有低于中值電平的直流分量，某個環節直流隔離電路可能出現問題；高電平噪聲大于低電平噪聲，定時信號時延。
如果誤碼統計結果中，Omission誤碼數和Insertion誤碼數相當，意味著0變1和1變0的誤碼數相差不大，傳輸的數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。
如果誤碼統計結果中，Transition誤碼計數明顯高于Non Transition誤碼數，反映的是數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生誤碼。研發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誤碼計數明顯高于Transition誤碼數，反映的是數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生誤碼。研發工程師就可以重點查找低頻干擾的來源。如果Transition誤碼數和Non Transition誤碼數相差不多，幾乎相等，高頻干擾和低頻干擾都有，要查的環節就比較復雜了。
實踐過程中，需要結合這兩種分類方法，循著這些方向，研發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；對于數字通信系統，還可能是電源電壓不穩定、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和設計工程師查找故障原因、調整電路設計的效率，節省時間，節約成本。（作者：王富林）
