Tỷ lệ lỗi bit, BER được sử dụng như một tham số quan trọng để đánh giá hiệu suất của các kênh dữ liệu.

Khi truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm khác, qua liên kết vô tuyến/không dây hoặc liên kết viễn thông có dây, thông số quan trọng là có bao nhiêu lỗi sẽ xuất hiện trong dữ liệu ở đầu xa.

Với Tỷ lệ lỗi bit như vậy, BER có thể áp dụng cho mọi thứ, từ liên kết cáp quang đến ADSL, Wi-Fi, truyền thông di động, liên kết IoT và nhiều hơn nữa.

Mặc dù các liên kết dữ liệu có thể sử dụng các loại công nghệ rất khác nhau, nhưng nguyên tắc cơ bản để đánh giá tỷ lệ lỗi bit vẫn hoàn toàn giống nhau.

Tỷ lệ lỗi bit, kiến thức cơ bản về BER

Khi dữ liệu được truyền qua liên kết dữ liệu, có khả năng xảy ra lỗi trong hệ thống. Nếu lỗi xuất hiện trong dữ liệu, tính toàn vẹn của hệ thống có thể bị ảnh hưởng. Do đó, cần phải đánh giá hiệu suất của hệ thống, và tỷ lệ lỗi bit (BER) là một giải pháp lý tưởng để đạt được điều này.

Không giống như nhiều hình thức đánh giá khác, tỷ lệ lỗi bit (BER) đánh giá toàn bộ hiệu suất đầu cuối của một hệ thống, bao gồm máy phát, máy thu và môi trường truyền dẫn giữa hai thiết bị. Theo cách này, tỷ lệ lỗi bit (BER) cho phép kiểm tra hiệu suất thực tế của một hệ thống đang hoạt động, thay vì kiểm tra các bộ phận cấu thành và hy vọng rằng chúng sẽ hoạt động tốt khi được lắp đặt.

Định nghĩa tỷ lệ lỗi bit BER

Đúng như tên gọi, tỷ lệ lỗi bit được định nghĩa là tốc độ xảy ra lỗi trong một hệ thống truyền dẫn. Điều này có thể được chuyển đổi trực tiếp thành số lỗi xảy ra trong một chuỗi bit nhất định. Định nghĩa về tỷ lệ lỗi bit có thể được diễn giải thành một công thức đơn giản:

Nếu môi trường giữa máy phát và máy thu tốt và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao thì tỷ lệ lỗi bit sẽ rất nhỏ - có thể không đáng kể và không có tác động đáng chú ý đến toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, nếu có thể phát hiện nhiễu thì có khả năng tỷ lệ lỗi bit sẽ cần được xem xét.

Nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm chất lượng kênh dữ liệu và tỷ lệ lỗi bit tương ứng, BER, là nhiễu và những thay đổi trên đường truyền (khi sử dụng đường truyền tín hiệu vô tuyến). Cả hai hiệu ứng đều có yếu tố ngẫu nhiên, nhiễu tuân theo hàm xác suất Gauss trong khi mô hình truyền dẫn tuân theo mô hình Rayleigh. Điều này có nghĩa là việc phân tích các đặc tính kênh thường được thực hiện bằng các kỹ thuật phân tích thống kê.

Đối với hệ thống cáp quang, lỗi bit chủ yếu xuất phát từ các khiếm khuyết trong các thành phần được sử dụng để tạo liên kết. Các khiếm khuyết này bao gồm trình điều khiển quang, bộ thu, đầu nối và bản thân sợi quang. Lỗi bit cũng có thể xuất hiện do sự tán sắc và suy giảm quang học. Ngoài ra, nhiễu cũng có thể xuất hiện trong chính bộ thu quang. Thông thường, chúng có thể là các điốt quang và bộ khuếch đại, vốn cần phản ứng với những thay đổi rất nhỏ, và do đó có thể có mức nhiễu cao.

Một yếu tố góp phần gây ra lỗi bit là bất kỳ sự dao động pha nào có thể xuất hiện trong hệ thống vì điều này có thể làm thay đổi quá trình lấy mẫu dữ liệu.

BER và Eb/No

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và hệ số Eb/No là các thông số liên quan nhiều hơn đến các liên kết vô tuyến và hệ thống thông tin vô tuyến. Về mặt này, tỷ lệ lỗi bit, BER, cũng có thể được định nghĩa theo xác suất lỗi hoặc POE. Để xác định điều này, ba biến khác được sử dụng. Đó là hàm lỗi, erf, năng lượng trong một bit, Eb, và mật độ phổ công suất nhiễu (là công suất nhiễu trong băng thông 1 Hz), No.

Cần lưu ý rằng mỗi loại điều chế khác nhau có giá trị riêng cho hàm lỗi. Điều này là do mỗi loại điều chế hoạt động khác nhau khi có nhiễu. Cụ thể, các sơ đồ điều chế bậc cao (ví dụ: 64QAM, v.v.) có khả năng truyền tải tốc độ dữ liệu cao hơn sẽ không mạnh mẽ khi có nhiễu. Các định dạng điều chế bậc thấp (ví dụ: BPSK, QPSK, v.v.) cung cấp tốc độ dữ liệu thấp hơn nhưng mạnh mẽ hơn.

Năng lượng trên mỗi bit, Eb, có thể được xác định bằng cách chia công suất sóng mang cho tốc độ bit và là một đơn vị đo năng lượng có đơn vị là Joule. No là công suất trên Hertz và do đó, nó có đơn vị là công suất (Joule trên giây) chia cho giây. Khi xem xét các đơn vị của tỷ số Eb/No, tất cả các đơn vị đều triệt tiêu nhau để tạo ra một tỷ số không đơn vị. Điều quan trọng cần lưu ý là POE tỷ lệ thuận với Eb/No và là một dạng của tỷ số tín hiệu trên nhiễu.

Có thể xác định tỷ lệ lỗi bit theo xác suất lỗi.

Ở đâu:

  erf = hàm lỗi

  E b = năng lượng trong một bit

  N o = mật độ phổ công suất (nhiễu trong băng thông 1Hz).

Điều quan trọng cần lưu ý là E b / N o là một dạng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

Năng lượng trên mỗi bit, Eb , có thể được xác định bằng cách chia công suất sóng mang cho tốc độ bit. Là một đơn vị đo năng lượng, Eb có đơn vị là Joule. N0 là đơn vị đo công suất (Joule trên giây) trên Hz (giây), và do đó, Eb / N0 là một số hạng không có đơn vị và có thể được biểu thị đơn giản dưới dạng tỷ số.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi bit, BER

Sử dụng E b / N o , có thể thấy rằng tỷ lệ lỗi bit (BER) có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Bằng cách điều chỉnh các biến số có thể kiểm soát, có thể tối ưu hóa hệ thống để cung cấp mức hiệu suất mong muốn. Điều này thường được thực hiện trong giai đoạn thiết kế hệ thống truyền dữ liệu để các thông số hiệu suất có thể được điều chỉnh ở giai đoạn thiết kế ban đầu.

• Nhiễu:  Mức độ nhiễu hiện diện trong một hệ thống thường do các yếu tố bên ngoài quyết định và không thể thay đổi được bằng thiết kế hệ thống. Tuy nhiên, có thể thiết lập băng thông của hệ thống. Bằng cách giảm băng thông, mức độ nhiễu có thể giảm. Tuy nhiên, việc giảm băng thông sẽ giới hạn thông lượng dữ liệu có thể đạt được.
• Tăng công suất máy phát:  Cũng có thể tăng mức công suất của hệ thống để tăng công suất trên mỗi bit. Điều này cần được cân nhắc với các yếu tố bao gồm mức độ nhiễu đối với người dùng khác và tác động của việc tăng công suất đầu ra lên kích thước bộ khuếch đại công suất, mức tiêu thụ điện năng tổng thể và tuổi thọ pin, v.v.
• Giảm băng thông:  Một cách tiếp cận khác có thể được áp dụng để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm băng thông. Mức nhiễu thu được sẽ thấp hơn và do đó tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu sẽ được cải thiện. Điều này một lần nữa dẫn đến việc giảm thông lượng dữ liệu có thể đạt được.
• Điều chế bậc thấp:  Có thể sử dụng các sơ đồ điều chế bậc thấp, nhưng điều này sẽ làm giảm thông lượng dữ liệu.

Cần phải cân bằng tất cả các yếu tố có sẵn để đạt được tỷ lệ lỗi bit thỏa đáng. Thông thường, không thể đạt được tất cả các yêu cầu và cần phải có một số đánh đổi. Tuy nhiên, ngay cả khi tỷ lệ lỗi bit thấp hơn mức lý tưởng, vẫn có thể cân nhắc thêm về mức độ sửa lỗi được đưa vào dữ liệu đang truyền. Mặc dù dữ liệu dư thừa phải được gửi đi với mức độ sửa lỗi cao hơn, nhưng điều này có thể giúp che giấu tác động của bất kỳ lỗi bit nào xảy ra, do đó cải thiện tỷ lệ lỗi bit tổng thể.

Tỷ lệ lỗi bit, tham số BER thường được trích dẫn trong nhiều hệ thống truyền thông và là tham số chính được sử dụng để xác định nên sử dụng tham số liên kết nào, từ công suất đến loại điều chế.