Solucion problemas en QAM - Avantec SA

Informe técnico
Generalidades y conceptos básicos para la solución de
problemas de modulación de amplitud en cuadratura (QAM)
para operadores de cable digital
Las señales de modulación de amplitud en cuadratura (QAM) digital son desafíos complejos para los técnicos de
cable comunes. Este artículo analizará QAM y abordará los conceptos básicos para la comprensión de tecnología
QAM. También analizaremos los tipos de fallas que causan problemas digitales y explicaremos qué buscar al
momento de realizar las pruebas. Luego, revisaremos las herramientas que se utilizan para encontrar estas fallas.
¿Cómo se crea QAM?
En un módem de voz tradicional, los tonos se utilizan para representar unos y ceros. Los tonos bajos representan
los ceros y los tonos altos, los unos. En QAM, en lugar de tonos, los ceros y los unos se representan como la
suma de dos señales que están sincronizadas (dentro de la fase) y desincronizadas (fuera de fase) con respecto
a un reloj. Las dos señales se denominan I (la que está sincronizada) y Q (la cuadratura). En QAM, la señal Q se
encuentra desincronizada 90 grados con respecto al reloj. Tanto la señal I como la Q tienen diferentes niveles, y
cada uno de estos niveles está configurado por bits, como se muestra en la figura 1. Cada ciclo de reloj codifica 6 u
8 bits, 26 ó 28; por lo tanto, hay 64 ó 256 combinaciones posibles. De este modo, a diferencia del módem simple
tradicional que codifica un bit por reloj, la modulación QAM 64 codifica 6 bits por reloj, y la modulación QAM
256 codifica 8 bits por reloj. Esta técnica permite la transmisión de mucha más información en el mismo período
de tiempo.
Asignación de
filtros aleatoria
10 11 12 13
I-DAC
I
Portadora
0
Datos
90
Q-DAC
Σ
Señal de QAM
Q
00 01 02 03
Figura 1. En QAM 256, 8 bits establecen el nivel de I y Q para cada ciclo de reloj, con dos de los bits que establecen un multiplicador menos uno. En
QAM 64, se utilizan 6 bits.
Una señal QAM en cualquier ciclo de reloj dado se describe por su amplitud y fase con respecto al reloj. Estos
bits que se muestran en la figura 1 no son necesariamente b0=LSB (bit menos significativo) y b7=MSB (bit
más significativo). De hecho, en el modulador de QAM se produce una cantidad considerable de codificación,
codificación de bits y filtrado de datos, lo que va más allá del alcance de este documento. Antes de que se
modulen los bits a RF, I y Q se modulan en amplitud y fase por los 6 bits (6 bits en QAM 64, 8 bits en QAM 256).
Las formas de onda del reloj, I y Q, en cualquier ciclo de reloj dado, pueden ser similares a la figura 2.
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Figura 2. En cada ciclo de reloj, I y Q se reciben y se transmiten al receptor, donde se separan. A continuación, se representan en una cuadrícula
(consulte la figura 3). Los ruidos y las fallas en la planta coaxial provocan que I y Q se muevan y distorsionen lo que, entre otras cosas, produce errores
en el receptor.
En el decodificador (STB) de televisión digital (DTV), o cable módem, o instrumento, la señal QAM se debe
desmodular y convertir en sus componentes I y Q. Para lograr esto, se debe extraer el reloj (otro tema fuera del
alcance de este documento). Una vez que es extraído, en cada borde ascendente del reloj recuperado, I y Q son
registradas en el circuito que realiza lo contrario a lo que se muestra en la figura 1. De manera simple, se muestra
aquí en la figura 3.
Figura 3. Se recupera el reloj, I y Q de la portadora de radiofrecuencia (RF) en el STB, el cable módem o el instrumento de prueba. Además, la
segmentación soluciona errores moderados en las señales I y Q.
El concepto clave en la figura 3 es que el circuito de este receptor utiliza un algoritmo de segmentación que
intenta depurar I y Q. El algoritmo varía para los diversos fabricantes de chips de QAM. Más adelante, se incluye
un análisis más detallado sobre este tema clave.
Piense en símbolos, la colección de bits transmitidos a través de una señal QAM, como si cayeran en una
cuadrícula de baldes. La I y la Q asignan el símbolo a un balde cuando se transmite desde la cabecera y el
dispositivo receptor lo coloca en el balde correcto. Para cada ciclo de reloj, se coloca un símbolo en un balde. La
cuadrícula de baldes es una acumulación continua de ciclos de reloj y debido a que I y Q deberían ser amplitudes
discretas (4 niveles I y 4 niveles Q en QAM 64; 4 niveles en QAM 256), el primer ciclo de reloj se representaría
como el que se muestra en la figura 4.
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¿Qué sucede con I y Q?
Figura 4. Representación de un ciclo de reloj en el
balde correspondiente.
A medida que I y Q son moduladas en la cabecera y
luego transmitidas por el cable, las fallas en la planta
provocan su deterioro. Cuando ocurren atenuaciones
en un rango de frecuencias (suck-out), reflexiones
y otras fallas que alteran la respuesta en frecuencia, el
receptor volverá a establecer las amplitudes erróneas.
La técnica de ecualización adaptativa (EQ) elimina
estos tipos de interferencias. Dado que el ruido de
ingreso, la interferencia coherente y otros efectos
moduladores pueden filtrarse en la planta, la fase
y la amplitud de I y Q pueden oscilar o cambiar. La
segmentación corrige pequeñas variaciones en la fase
y la amplitud; sin embargo, sólo dentro de lo razonable.
Las grandes variaciones que no pueden corregirse
hacen que el símbolo caiga en el balde equivocado y, de
esta forma, se producen errores de bits.
Según el chip demodulador utilizado, los símbolos
que caen en el espacio entre dos embudos pueden ser
identificados correctamente y redirigidos al balde
correspondiente, o pueden colocarse en el balde
equivocado y causar, así, errores de bits. Comúnmente,
se hace referencia a los errores de bits en el tiempo
como tasa de error de bits (BER, Bit Error Rate) y
puede corregirse a través del proceso de corrección de
errores en directa “(FEC, Forward Error Correction),
siempre y cuando el error no sea demasiado grave. Los
errores de bits que ocurren antes de FEC se denominan
“pre-BER”y aquellos que ocurren después de FEC se
denominan “post-BER”.
¿Qué son BER y FEC?
Figura 5. Segmentación presentada conceptualmente como un
embudo y un balde. Los puntos y los símbolos caen conceptualmente
a través del embudo y son colocados abruptamente en el centro del
balde. Existen problemas con los símbolos que atraviesan embudos
adyacentes.
BER es una técnica antigua para caracterizar los
medios de transmisión digital. En el pasado, se
utilizaban dos componentes para medir BER, un
transmisor y un receptor. El transmisor lanzaba
patrones de bits conocidos por el conducto hasta el
receptor, que correlacionaba los errores de transmisión
en BER. Estos sistemas de prueba de BER se usaban
para calificar un nuevo conducto. Los sistemas BER
debían estar en línea durante días para determinar
la tasa BER verdadera. Cuando las señales digitales
aparecieron por primera vez en cable, los operadores
vieron la tasa BER como una forma de caracterizar el
conducto. Desafortunadamente, los operadores de
cable no pueden apagar un canal digital por días para
probar su calidad. Por ese motivo, los fabricantes de
circuitos integrados (CI) crearon herramientas de
diagnóstico en los chips para permitir la lectura de las
estadísticas de FEC.
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Figura 6. Concepto de un receptor de QAM que se muestra con resultados de pruebas de QAM en un MSQ.
En la figura 6, cuando se quita la modulación de la señal de QAM, las señales I y Q contienen toda la
información y los errores que se generaron a través de la transmisión. Las señales I y Q son dirigidas a través
de un segmentador para tomar una decisión difícil con respecto al símbolo (recuerde el embudo de la figura
5). Estas señales de I y Q ajustadas, I* y Q* o posteriores al segmentador se ejecutan, a continuación, a través
de FEC. Reconocer que la decisión difícil eliminó todos los errores hasta que la señal I y Q cruza el límite de los
símbolos, nos indica que FEC no comienza a funcionar hasta que la tasa de error de modulación (MER) alcanza
una calidad bastante mala.
FEC también funciona cuando los símbolos tienen codificación Gray, lo que significa que cualquier símbolo
adyacente solamente cambiará el valor de un bit del símbolo completo una vez que MER sea lo suficientemente
elevada como para cruzar el límite de la celda adyacente. El entrelazado distribuye los errores aleatoriamente a lo
largo de la transferencia de datos, de forma tal que si ocurre un bloque de errores, no se pierdan todos los datos.
Después del entrelazado, se le aplica al símbolo una codificación Trellis y FEC de tipo Reed Solomon (R-S) como
se muestra en la figura 7. FEC puede incorporar hasta 3 símbolos de error por bloque de 128.
Otro método que utilizan los fabricantes de chips para mejorar la recepción de la señal es la ecualización
adaptativa (EQ). La EQ elimina los errores constantes como el retraso grupal y la respuesta en frecuencia. Sin la
EQ, la tasa MER podría ser mucho peor y causar así más errores de bits. Debido a que estos errores se eliminan,
mejora aún más la capacidad de corregir la tasa BER.
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Codificación de FEC
Codificador
Reed
Solomon
Intercalador
Aleatorizador
5
Decodificación de FEC
Codificador
Trellis
Canal
Decodificador
Trellis
Desaleatorizador
Desintercalador
Decodificador
Reed
Solomon
Capa de Trellis
Capa de aleatorización
Capa de intercalado
Capa de Reed Solomon
Figura 7. Procesos involucrados con la codificación y decodificación de FEC de una señal QAM.
Comprensión de la prueba de BER
Para un técnico de campo novato, es posible que BER parezca difícil de comprender. Como lo muestra la
figura 8, BER se presenta en notación científica, como 1E-06, lo que parece ilógico ya que un número inferior
es mejor. Esencialmente, este número inferior, o número negativo superior, significa que para cierta cantidad
de bits evaluados, ocurrieron menos errores. Mientras 1E-6 significa que ocurrió 1 error por cada millón de
bits evaluados (1E-06 = 1/1.000.000), 1E-8 significa que ocurrió solo 1 error por cada 100 millones de bits
(1E-08 = 1/100.000.000). A pesar de la complejidad inicial de BER para técnicos de cable principiantes, BER
se ha convertido en una de las pruebas obligatorias para certificar la calidad de la señal en redes de QAM.
Figura 8. Resultados de las pruebas de BER en notación científica.
A pesar de ser un indicador de calidad de señal conocido,
por lo general, BER se evalúa incorrectamente. Debido a
que requieren varios millones de bits de datos, las pruebas
de BER demoran en completarse. La modulación QAM
(64/128/256) y la tasa de los símbolos usada determinan,
en última instancia, la duración de la prueba de BER. Una
QAM más compleja produce una mayor cantidad de datos
transmitidos en un período de tiempo dado y los usuarios
deben esperar más tiempo para que se complete una prueba
de BER en una QAM 64 que en una QAM 256. Debido a que
existen tasas de símbolos estandarizadas para los Anexos
B y C de la QAM, es simple usarlas como ejemplos. Para el
Anexo B de la modulación QAM 64, la tasa de símbolos es de
5,0569 Msps (millón de símbolos por segundo) y cada símbolo
tiene 6 bits. Los técnicos que quieren realizar la prueba de
BER a 1E-8 (errores en 100 millones de bits) deben esperar
que el STB o el equipo de prueba reciban 100 millones de bits.
Para realizar este cálculo, se divide 100 millones de bits por
su velocidad de transmisión de 30,34 Mb/s. La velocidad de
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transmisión se determina a través de la tasa de símbolos multiplicada por la cantidad de bits por símbolo, en este
caso, 5,0569 Msps por 6 bits por símbolo, lo que significa que hay que esperar aproximadamente 3,3 segundos
para realizar la prueba correctamente. Para el Anexo B de QAM 256, 5,3605 Msps por 8 bits/símbolo es igual a
42,88 Mb/s; este tiempo de espera se reduce apenas a 2,3 segundos. La prueba de BER en 1E-9 aumenta 10 veces
los intervalos de espera: 33 segundos para QAM 64 y 23,3 segundos para QAM 256.
Realizar la prueba individualmente en varios canales de QAM en una lista de canales típica, si se tienen en cuenta
los períodos de prueba necesarios, puede demandar mucho tiempo para los técnicos. Solamente se puede reducir
el tiempo de prueba mediante la disminución de los umbrales de BER en los canales de QAM o mediante la
realización de la prueba en menos canales. Sin embargo, dado que los problemas de BER entre 1E-8 y 1E-9 se
pueden corregir adecuadamente por medio de FEC, y dado que el estado general de la red se puede determinar
mejor si se realiza la prueba en más canales, se recomienda disminuir los umbrales en vez de reducir la cantidad de
canales evaluados.
Comprensión de la tasa de error de modulación
MER es la diferencia entre la amplitud del símbolo promedio y el error promedio para el símbolo. En términos
relacionados con el cable, MER es el equivalente a la relación señal/ruido (SNR). Al igual que SNR, la tasa MER
se puede correlacionar con distorsiones del sistema. Sin embargo, a diferencia de la relación SNR, la tasa MER
no depende del contenido. Debido a que la señal QAM se modula con una señal digital, el ruido en el vídeo se
digitaliza antes de que I y Q lleguen al modulador. Los técnicos pueden estar seguros de que cualquier distorsión
de MER que se mide en el campo es causada por algún componente en el campo.
Comprensión de la prueba de MER
Figura 9. MER es la relación entre la magnitud del vector deseado y el
vector de errores, lo que se determina mediante la comparación de los
valores I-Q originales (errores) con los valores I*-Q* (deseados).
Dado que la tasa MER es similar a la prueba de SNR
en el canal analógico, los técnicos deben comprender
también si los problemas que surgen con MER son
causados realmente por niveles de potencia inferiores.
Las señales de modulación QAM se degradarán
debido a que el nivel de potencia de la señal se degrada
por debajo de cierto umbral. Es el límite en donde el
receptor ya no puede distinguir entre la señal QAM
y el ruido de fondo de la red híbrida de fibra óptica y
cable coaxial (HFC). Para ayudar a distinguir entre las
verdaderas fallas y los problemas de nivel de potencia,
los técnicos deben realizar una medición del nivel
digital promedio como se muestra en la figura 10. Los
niveles de potencia de los equipos en las instalaciones
del cliente deben ser de aproximadamente 60 dBµV
(0 dBmV). Los técnicos pueden estar seguros de
que otra cosa, y no la atenuación, está causando los
problemas si el nivel es bueno, pero MER continúa
siendo deficiente.
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Figura 10. Debido a que MER se puede atribuir a resultados deficientes en base a los niveles de potencia, los técnicos deben verificar que el nivel de
potencia de QAM sea suficiente antes de analizar otros problemas.
Además, MER, al igual que BER, puede variar entre los diversos conjuntos de chips demoduladores, ya
que los fabricantes de circuitos integrados han mejorado con el transcurso de los años con algoritmos para la
cancelación de ruidos y aumento de la cantidad de derivaciones utilizadas en la demodulación de la señal
de modulación QAM. Los chips con la mayor cancelación de ruido y el ruido de fondo más bajo brindan
a los operadores los valores de MER más elevados, lo que no significa que no sea necesario hacer una prueba
de MER. Al contrario, MER sirve como un buen indicador de problemas continuos en la ruta de QAM,
independientemente de los métodos complejos utilizados para eliminar el ruido del vídeo. MER es útil,
principalmente, para identificar el ruido en la portadora de QAM que interfiere constantemente con la señal.
Como muestra la figura 11, MER es una medición promedio que tiene la tendencia a eliminar las fallas de ruidos
impulsivos de sus mediciones. Sin embargo, una fuente de ruido constante, como una portadora fuera de aire,
puede provocar que los valores de MER se degraden.
Figura 11. MER se calcula como una medición promedio, lo que es mejor para revelar las fuentes de ruido constante
Un modulador de QAM nominal tiene una tasa MER inherente superior a 37 dB. La salida del nodo de fibra
óptica debe mantener esa calidad de señal. La figura 12 muestra los valores de MER típicos para intentar lograr
en su sistema. Según los valores de la relación portadora/ruido (CNR) de los canales analógicos de 47 dB en el
terminador, con un diferencial de 10 dB entre los canales analógicos y de QAM, la tasa MER debe ser de >37 dB.
Cuando se realiza la prueba en el campo, se recomienda saber qué niveles de MER esperar. Como regla, la QAM
64 dejará de funcionar en una tasa MER de aproximadamente 22 dB y la QAM 256 necesita al menos 28 dB. Para
garantizar que los servicios digitales funcionarán con diferentes temperaturas y con el transcurso del tiempo, los
técnicos deben dar cuenta de márgenes suficientes para desviaciones a fin de evitar futuras llamadas de servicio
en días extremadamente fríos o calurosos.
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Figura 12. Resultados de las pruebas de BER y MER recomendados según la ubicación de la prueba para vídeo digital.
Conclusión
Los conceptos clave que debe recordar incluyen comprender qué son realmente las señales de modulación
QAM y cómo determinar la calidad de QAM:
• BER es una prueba de certificación que se puede corregir con FEC cuando los problemas ocurren en la
señal de QAM. BER puede tener valores apenas diferentes según los diversos conjuntos de chips y los
algoritmos usados en ellos para corregir los valores de I y Q. Recuerde que “pre-BER” es principalmente
una indicación original del rendimiento de la red HFC y “post-BER” indica el nivel en el que FEC
funciona para solucionar los problemas. Recuerde que BER no es una prueba que se puede realizar
rápidamente, al igual que las mediciones de niveles e incluso MER, y pueden variar según el tipo de
QAM y las tasas de símbolos utilizadas.
• MER es útil para identificar el ruido continuo en el trayecto del cable coaxial, ya sea como resultado
de niveles de potencia bajos, portadoras fuera de aire o interferencia constante en el motor eléctrico.
Los valores aceptables de MER dependen del tipo de QAM utilizada. Las señales moduladas de QAM
superiores exigen niveles más altos de MER para funcionar de forma eficaz.
La mayoría de los patrones de distorsión y de interferencia digital se pueden diagnosticar y solucionar
cuando se utilizan herramientas que miden los canales de QAM con mediciones promedio del nivel digital,
MER y BER, como los medidores MSQ o DSAM ofrecidos por JDSU.
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Abril 2010