Documento técnico Visão geral de QAM e fundamentos de solução de problemas para novos Os sinais QAM (digital quadrature amplitude modulation) são um desafio complexo para média dos técnicos de cabo Este artigo examina o QAM e trata dos fundamentos para a compreensão da tecnologia QAM. Também discutiremos os tipos de falhas que causam problemas digitais e explicaremos o que procurar ao fazer testes. Depois, examinaremos as ferramentas que são usadas para encontrar essas falhas. Como o QAM é criado? No modem de voz tradicional, tons são usados para representar uns e zeros. Tons baixos representam zeros e tons altos representam uns. No QAM, em vez de tons, uns e zeros são representados como a soma de dois sinais em fase ou fora de fase com um clock. Os dois sinais são chamados de I (in-phase) e Q (quadrature). No QAM, o sinal Q é 90 graus defasado do clock. Os sinais I e Q têm níveis diferentes, cada um de seus níveis definidos pelos bits, como mostrado na figura 1. Cada ciclo do clock codifica 6 ou 8 bits, 26 ou 28, portanto 64 ou 256 combinações são possíveis. Assim, diferentemente de um modem simples tradicional que codifica um bit por clock, o QAM 64 codifica 6 bits por clock e o QAM 256 codifica 8 bits por clock. Esta técnica permite a transmissão de muito mais informações no mesmo intervalo de tempo. Figura 1. No QAM 256, 8 bits definem o nível de I e Q para cada ciclo do clock, com dois dos bits definindo um multiplicador menos um. No QAM 64, 6 bits são usados. Um sinal QAM a qualquer ciclo dado do clock é descrito por sua amplitude e fase em relação ao clock. Os bits mostrados na figura 1 não são necessariamente b0=lsb (bit menos significativo) e b7=msb (bit mais significativo). Na verdade, uma quantidade considerável de embaralhamento, codificação e filtragem de dados ocorre em um modulador QAM, o que está muito além do escopo deste documento. Antes que os bits sejam modulados em RF, I e Q são modulados em amplitude e fase pelos 6 bits (6 bits no QAM 64, 8 bits no QAM 256). As formas de onda do clock, I e Q, a qualquer ciclo de clock dado, podem parecer com a figura 2. WEBSITE: www.jdsu.com/test
2 Figura 2. A cada ciclo do clock, I e Q são somados e transmitidos para o receptor, onde são separados e depois plotados em uma grade (veja a figura 3). Ruído e imperfeições na instalação coaxial causam ondulações e distorção em I e Q, entre outras coisas, causando erros no receptor. No modem a cabo ou STB (set top box) ou instrumento de DTV (televisão digital), o sinal QAM deve ser modulado e convertido de volta a seus componentes I e Q. Para isso, o clock deve ser extraído (outro assunto fora do escopo deste documento). Depois de ser extraído, em cada borda de subida do clock recuperada, o I e o Q são clocked em um circuito realizando o inverso do mostrado na figura 1, mostrado de forma simples aqui na figura 3. Figura 3. No STB, modem a cabo ou instrumento de teste, clock, I e Q são recuperados da portadora de RF. Além disso, fatiamento corrige erros moderados nos sinais I e Q. O conceito essencial na figura 3 é que o circuito receptor utiliza um algorítimo de fatiamento que tenta limpar I e Q. O algorítimo difere entre os vários fabricantes de chip QAM. Mais discussão sobre essa questão crítica mais adiante. Pense nos símbolos, o conjunto de bits transmitidos pelo sinal QAM, como caindo em uma grade de baldes. O I e Q atribui o símbolo a um balde quando ele é transmitido do headend, e o dispositivo receptor o coloca no balde correto. Para cada ciclo de clock, um símbolo é colocado em um balde. A grade de baldes é um acúmulo constante de ciclos de clock e, como I e Q devem ter amplitudes discretas (4 níveis I e 4 níveis Q no QAM 64, 4 níveis no QAM 256), o primeiro ciclo de clock plotaria como o mostrado na figura 4.
3 O que acontece com I e Q? Como I e Q são modulados no headend e depois transmitidos até o cabo, falhas na instalação podem causar sua deterioração. Quando vales (suck-out), reflexões e outras imperfeições que alteram a resposta de frequência ocorrem, o receptor reconstitui amplitudes incorretas. A técnica de Equalização Adaptativa (EQ) remove tais tipos de interferência. Quando ingresso, interferência coerente e outros efeitos de modulação vazam para dentro da instalação, a fase e a amplitude de I e Q podem ficar alterando ou mudar de direção. O fatiamento corrige pequenas variações de fase e amplitude, mas apenas dentro do razoável. Grandes variações que não podem ser corrigidas fazem o símbolo cair no balde errado, causando erros de bit. Figura 4. Plotando um ciclo de clock no balde apropriado. Dependendo do chip de modulação usado, símbolos que caem no espaço entre dois funis podem ser identificados corretamente e re-roteados para o balde certo ou podem ser colocados no balde errado, causando erros. Erros de bit usualmente são chamados de BER (bit error rate) e podem ser corrigidos pelo processo FEC (forward error correction), desde que o erro não seja grave demais. Erros de bit que ocorrem antes do FEC são chamados de erros pré-ber e os que ocorrem após o FEC são chamados de pós-ber. Figura 5. Fatiamento mostrado conceitualmente como um funil e um balde. Pontos, símbolos caem conceitualmente através do funil e são colocados no centro do balde. Ocorrem problemas com símbolos que transbordam de funis adjacentes. O que é BER e FEC? BER é uma velha técnica de caracterizar o meio de transmissão digital. No passado, dois componentes eram usados para medir o BER, um transmissor e um receptor. O transmissor lançava padrões de bits conhecidos pelo caminho até o receptor, que correlacionava os erros de transmissão ao BER. Esses sistemas de teste de BER eram usados para qualificar um novo caminho. Os sistemas de BER se destinavam a ficar online durante dias para determinar o verdadeiro BER. Quando os sinais digitais apareceram em cabo pela primeira vez, os operadores viram o BER como a maneira de caracterizar seu caminho. Infelizmente, os operadores de cabo não podem tirar um canal digital de operação durante dias para testar a sua qualidade. Assim, os fabricantes de circuito integrado (CI) embutiram ferramentas de diagnóstico em seus chips para permitir a leitura de estatísticas de FEC.
4 Figura 6. Conceito de um receptor QAM mostrado com resultados de teste de QAM no MSQ. Na figura 6, depois do sinal QAM ser demodulado, os sinais I e Q contêm todas as informações e erros gerados durante a transmissão. Os sinais I e Q são roteados através do fatiador para tomar uma decisão difícil sobre o símbolo (lembre-se do funil da figura 5). Esses sinais pós-fatiados ou I e Q ajustados, I* e Q*, passam então pelo FEC. Saber que a decisão removeu todos os erros até um sinal I e Q cruzar a fronteira de um símbolo, nos diz que o FEC não começa a funcionar até o MER (modulation error ratio) atingir uma qualidade insatisfatória. O FEC também funciona quando os símbolos estão em código Gray, o que significa que qualquer símbolo adjacente só alterará o valor de um bit do símbolo inteiro quando o MER se tornar alto o suficiente para cruzar a fronteira para a célula adjacente. O entrelaçamento distribui aleatoriamente os erros por toda a transferência de dados, de forma que se um bloco de erros ocorrer, nem todos os dados sejam perdidos. Após o entrelaçamento, o símbolo é aplicado à codificação Trellis e ao FEC Reed Solomon (R-S), como mostrado na figura 7. O FEC pode acomodar até 3 símbolos de erro por bloco de 128. Outro método que os fabricantes de chip usam para melhorar a recepção de sinais é a equalização adaptativa (EQ). EQ remove erros constantes, como atraso de grupo e resposta em frequência. Sem EQ, o MER seria muito pior e causaria mais erros de bit. Como esses erros são removidos, aumenta ainda mais a capacidade de corrigir o BER.
5 Codificação FEC Decodificação FEC Codificador Reed Solomon Entrelaçador Randomizador Codificador Trellis Canal Decodificador Trellis Desrandomizador Desinterleaver Decodificador Reed Solomon Camada Trellis Camada de randomização Camada de entrelaçamento Camada Reed Solomon Figura 7. Os processos envolvidos na codificação e decodificação de FEC de um sinal QAM. Entendendo os testes de BER Para um técnico de campo novo, o BER pode parecer difícil de entender. Como a figura 8 mostra, o BER é exibido em notação científica, como 1E-06, o que pode parecer contrário ao que seria intuitivo, pois um número menor é melhor. Essencialmente esse número menor, ou um número negativo maior, significa que para um determinado número de bits testados um número menor de erros ocorreu. Onde 1E-6 significa que 1 erro ocorreu para cada milhão de bits testados (1E-06 = 1/1.000.000) e 1E-8 significa que apenas 1 erro ocorreu para 100 milhões de bits (1E-08 = 1/100.000.000). Apesar da complexidade inicial do BER para os técnicos de cabo, o BER se tornou um dos testes obrigatórios para a certificação de qualidade de sinal em redes QAM. Figura 8. Resultados dos testes de BER em notação científica. Embora seja um indicador popular de qualidade de sinal, o BER é, frequentemente, testado de forma incorreta Como exigem vários milhões de bits de dados, os testes de BER levam tempo para ser realizados. O QAM (64/128/256) e a taxa de símbolos usada determinam, em última instância, a duração do teste de BER. Um QAM mais complexo significa mais dados transmitidos em determinado período de tempo, e os usuários têm de esperar mais tempo para um teste de BER ser realizado no QAM 64 do que no QAM 256. Como existem taxas de símbolos padronizadas para QAM Anexos B e C, é fácil usá-los como exemplos. Para QAM 64 Anexo B, a taxa de símbolos é 5,0569 Msps (milhões de símbolos por segundo) e cada símbolo tem 6 bits. Técnicos que queiramtestar o BER para 1E-8 (erros em 100 milhões de bits) devem esperar que o STB ou o equipamento de teste recebam 100 milhões de bits.
6 Isso é calculado dividindo 100 milhões de bits por sua taxa de transmissão de 30,34 Mb/s. A taxa de transmissão é determinada pela sua taxa de símbolo vezes o número de bits por símbolo, neste caso, 5,0569 Msps vezes 6 bits por símbolo, o que significa esperar aproximadamente 3,3 segundos para realizar o teste adequadamente. No QAM 256 Anexo B, 5,3605 Msps vezes 8 bits/símbolo é igual a 42,88 Mb/s, esse tempo de espera é ligeiramente menor, 2,3 segundos. O teste de BER para 1E-9 aumenta os intervalos de espera em 10 vezes, para 33 segundos para QAM 64 e 23,3 segundos para QAM 256. Testar individualmente vários canais de QAM em um alinhamento típico de canais durante os períodos de teste necessários pode gastar muito tempo dos técnicos. Só é possível reduzir o tempo de teste reduzindo os limites de BER nos canais QAM ou testando menos canais. Entretanto, como os problemas de BER entre 1E-8 e 1E-9 podem ser bem corrigidos através de FEC, e como a saúde da rede em geral pode ser mais bem determinada testando mais canais, é melhor reduzir os limites do que reduzir o número de canais. Entendendo a taxa de erros de modulação MER é a diferença entre a amplitude média do símbolo e a média de erros de símbolo. Em termos de cabo, o MER é o equivalente ao SNR (signal to noise ratio). Como acontece com o SNR, o MER pode ser correlacionado a distorções no sistema. Entretanto, diferentemente do SNR, o MER não depende do contexto. Como o sinal QAM está sendo modulado com um sinal digital, o ruído no vídeo é digitalizado antes de I e Q chegarem ao modulador. Os técnicos podem assim ter certeza de que o MER medido no campo é causado por algum componente no campo. Figura 9. MER é a razão entre o vetor de erro e a magnitude de vetor desejada, o que é determinado pela comparação dos valores brutos de I-Q (erros) com os valores I*-Q* (desejados). Entendendo os testes de MER Como o teste de MER é similar aos testes de SNR no canal analógico, os técnicos devem também entender que os problemas com o MER são, na verdade, causados por níveis mais baixos de potência. Os sinas QAM degradam-se à media que o nível de potência do sinal se degrada abaixo de um determinado limite. Esse é o limite em que o receptor não consegue mais distinguir entre o sinal QAM e o piso de ruído de HFC (Hybrid Fiber Coax). Para ajudar a distinguir entre as imperfeições reais e os problemas de nível de potência, os técnicos devem realizar uma medição de nível digital médio, como mostra a figura 10. Os níveis de potência no equipamento das instalações do usuário devem ser em torno de 60 dbµv (0dBmV). Os técnicos podem ter certeza de que outra coisa, não a atenuação, está causando os problemas se o nível estiver bom, mas o MER continuar inadequado.
7 Figura 10. Como o MER pode ser atribuído a resultados insatisfatórios nos níveis de potência, os técnicos devem verificar se o nível de potência de QAM está adequado antes de procurarem outros problemas. Além disso, o MER como o BER, podem variar entre os vários chips de demodulação que é o que acontece porque os fabricantes de IC melhoraram ao longo dos anos com algoritmos de cancelamento de ruído e aumento do número de derivações usadas na demodulação do sinal QAM. Os chips com os maiores cancelamentos de ruido e os menores pisos de ruído fornecem aos operadores os mais altos valores de MER, o que não significa que seja desnecessário testar o MER; ao contrário, o MER serve como um indicador muito bom de problemas contínuos no caminho QAM apesar dos métodos complexos usados para remover ruído do vídeo. O MER é especialmente útil para identificar ruído na portadora QAM que interfere constantemente no sinal. Como mostra a figura 11, o MER é uma medida média que tem a tendência de eliminar imperfeições de ruído impulsivo da sua medida; entretanto, uma fonte constante de ruído, como uma portadora off-air, pode causar a degradação dos valores de MER. Figura 11. O MER é calculado como medida média, o que é melhor para revelar fontes de ruídos consistentes Um modulador QAM nominal tem um MER inerente maior que 37 db. A saída de um nó de fibra deve manter essa qualidade de sinal. A figura 12 mostra os valores de MER típicos que você deve tentar conseguir no seu sistema. Baseado nos valores de CNR (carrier-to-noise ratio) em canais analógicos de 47 db no terminador, com um deferencial de 10 db entre os canais analógicos e de QAM, o MER deve ser >37 db. Ao fazer testes em campo, é bom saber que níveis de MER esperar. Como norma, o QAM 64 pára de funcionar a um MER de cerca de 22 db e o QAM 256 requer, pelo menos, 28 db. Para garantir que os serviços digitais funcionem com qualquer temperatura e tempo, os técnicos devem garantir uma margem suficiente para evitar futuras chamadas de serviço em dias extremamente frios ou quentes.
8 Figura 12. Resultados recomendados de testes de MER e BER com base na localização de teste para vídeo digital. Conclusão Os principais conceitos a serem lembrados dizem respeito à compreensão do que realmente são sinais QAM e como determinar a qualidade de QAM: BER é um teste de certificação que pode ser corrigido com FEC quando ocorrem problemas de sinal QAM. BER pode ter valores ligeiramente diferentes nos diversos chipsets e os algoritmos neles usados para corrigir os valores I e Q. Compreenda que pré-ber é essencialmente uma indicação bruta do desempenho de HFC e o pós-ber indica o nível em que FEC está funcionando para corrigir problemas. Lembre-se de que os testes de BER não são realizados rapidamente, como acontece com as medições de nível ou mesmo de MER, e que podem variar com base no tipo de QAM e taxas de símbolo usadas. MER é útil para identificar ruído contínuo no caminho coaxial, quer como resultado de níveis de potência baixos, portadoras off-air ou interferência consistente de motor elétrico. Os valores aceitáveis de MER dependem do tipo de QAM usado. Sinais de QAM modulados mais altos exigem níveis de MER mais altos para funcionar bem. A maior parte da interferência digital ou dos padrões de distorção podem ser corrigidos usando-se ferramentas que medem canais QAM com medidas de nível digital médio, MER e BER, como um MSQ ou DSAM oferecido pela JDSU. Vendas regionais de testes e medições AMÉRICA DO NORTE FONE: 1 866 228 3762 FAX: +1 301 353 9216 AMÉRICA LATINA FONE: +1 954 688 5660 FAX: +1 954 345 4668 ÁSIA PACÍFICO FONE: +852 2892 0990 FAX: +852 2892 0770 EUROPA, ORIENTE MÉDIO E ÁFRICA FONE: +49 7121 86 2222 FAX: +49 7121 86 1222 WEBSITE: www.jdsu.com/test As especificações e descrições de produtos deste documento estão sujeitas a alterações sem aviso prévio. 2009 JDS Uniphase Corporation 30168283 000 1009 QAM.WP.CAB.TM.PO Outubro de 2009