CN101162970B - 用于正交幅度调制(qam)数字信号的数字质量指标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于计算数字质量指标(DQI)的系统，它可以提供基于预定标度的水平值，显示在有线电视电缆系统中接收到的正交幅度调制(QAM)信号的损伤。DQI系统在前向纠错之前和之后采用误码率来计算DQI值。要提高计算速率，误码率可以采用电压误差、信噪比和/或平均拐角误差度量等进行估算。

Description

用于正交幅度调制(QAM)数字信号的数字质量指标

对相关申请的交叉引用 

[01]本发明要求于2006年10月12日提交的60/829,181号美国专利申请的优先权，在此通过参考将其合并入本申请中。 

技术领域

[02]本发明涉及一种用于计算数字质量指标(DQI)的系统(该指标是对有线电视电缆系统中接收到的正交幅度调制(QAM)数字信号的损伤的度量)，具体而言，涉及一种用于在预定范围内检测信号损伤并对结果进行量化的DQI系统。 

发明背景 

[03]数字方式调制信号用于在有线网络上传输高速数据、视频和语音。高速信号会受到多种类型的损伤，这可能严重影响所提供服务的质量和可靠性。而测量信号电平或查看传统的光谱分析仪上的显示并不足以完全排查出问题或对数字调制信号的健康状况进行表征。 

[04]有线电视系统上数据服务的传输通常符合有线网络上数据传输服务接口规范(DOCSIS)标准。数字信号的内容通常采用正交幅度调制(QAM)方式调制。当前的电缆QAM标准采用传统的前向纠错(FEC)和交错技术来向下游传输数据。FEC是用于数据传输中的差错控制系统，其中接收设备将对因传输错误导致破坏的比特或符号中少于预定数量或比例的部分进行检测和纠正。伴随FEC的是采用预定的算法增加所传输信息的冗余度。然而，超出纠错能力或交错爆发防护能力的损伤将不会被纠正，数字数据将被破坏。相应地，技术人员要能够检测损伤程度是高于还是低于数字信号被破坏的阈值，以便能够检测当前和潜在的问题。 

[05]与所有调制方案一样，QAM通过根据数据信号相应地改变载波信号(或载波，通常为正弦型)的某些方面参数，实现数据的传输。对于QAM，两个相位相差为90°(即正交)的波的幅度将被改变，如调制或键控，以表达数据信号。 

[06]当采用QAM方式调制两个信号以进行传输时，所传输的信号形式将为： 

[07]s(t)＝I(t)cos(2πf₀t)+Q(t)sin(2πf₀t) 

[08]其中I(t)和Q(t)为调制信号，f₀为载波频率。 

[09]在接收端，可采用相干解调器对两个调制信号进行解调，相干解调器会将所接收到的信号分别乘以一个余弦和正弦信号，以分别得到所接收信号的I(t)和Q(t)的估值。由于载波信号的正交性质，可以独立地检测调制信号。 

[10]在理想情况下I(t)的解调是通过所传输信号乘以余弦信号得到： 

r_i(t)＝s(t)cos(2πf₀t) 

[11]＝I(t)cos(2πf₀t)cos(2πf₀t)+Q(t)sin(2πf₀t)cos(2πf₀t) 

[12]采用标准的三角恒等式： 

$r_i\left(t\right)=\frac{1}{2}I\left(t\right)[1+\cos \left(4\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)]+\frac{1}{2}Q\left(t\right)\sin \left(4\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)$

$\left[13\right],=\frac{1}{2}I\left(t\right)+\frac{1}{2}[I\left(t\right)\cos \left(4\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)+Q\left(t\right)\sin \left(4\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)]$

[14]低通滤波r_i(t)将去除高频项，即包含(4πf₀t)，仅保留I(t)项，不受Q(t)影响。类似地，我们可以将s(t)乘以一正弦波，再进行低通滤波以提取Q(t)。 

[15]星座图是对经过数字调制方案(如正交幅度调制或相移键控)调制的信号的表达。星座图将信号显示为符号采样时刻复平面内的二维散布图，即星座图表示可由给定调制方案选为复平面内点的可能的符号。测得的星座图可用于识别信号中干涉和失真的类型。 

[16]通过将所传输的符号表达为一个复数，并分别以实部和虚部调制余弦和正弦载波信号，可将符号以相同频率的两个载波发出，称为正交载波。相干检波器可以独立地对两个载波进行解调。采用两个独立调制载波的原理是正交调制的基础。 

[17]由于符号被表示为复数，它们可被可视化为复平面上的点。实轴和虚轴经常称为同相或I轴和正交或Q轴。在散布图中绘出若干符号可以生成星座图。星座图上的点称为星座点，这是包含调制字码表的一组调制符号。 

[18]在QAM中，星座点通常以垂直和水平等间隔的方格排布，不过也可以采用其他配置。最常见的形式为16-QAM、64-QAM、128-QAM和256-QAM。通过转至更高阶次星座，可以实现一个符号传输更多比特；然而，如果星座的平均能量保持相同，为了进行公平的比较，各点必须更紧密地聚拢，因此更容易受噪声及其他破坏的影响，即更高的误码率。相应地，较高阶次的QAM将以比较低阶次QAM低的可靠性传输更多数据。64-QAM和256-QAM经常用于数字有线电视和有线调制解调器应用中。在美国，64-QAM和256-QAM是由SCTE在标准ANSI/SCTE 07 2000标准中对数字有线电视规定的强制性调制方案。 

[19]典型的QAM分析仪设计包括用户接口(如键盘和显示屏)以及可能的以太网或其他与个人计算机的外部连接。采用调谐器来选择感兴趣的数字调制信号，而QAM解调器可以提供提示所接收信号的若干要素，如载波频率采集、载波相位跟踪、符号率跟踪、自适应均衡器以及J.83频道解码。通过检测QAM解调器的要素，可以获得关于MER、前和后FEC BER和作为物理层测试组成部分的频道响应。 

[20]在对存在信号问题的订户处进行故障排查时，技术人员将抵达该场所或附近的集线器处，对经数字调制的信号进行多项测试，如射频电平、MER、前和后FEC BER以及对损伤星座的评估。此外，技术人员还可以查看均衡器图有无微反射的证据，并检查频道内的频率响应和群延迟。另外，如果QAM分析仪可用，则以上行方向重复测量。然而，所有测试结果均需要一定的经验、知识和技术水平方可解读，从而可能因技术人员的原因引发对问题的不同解释。BER测量要求测试仪器有能力对数字信号进行完全解码，并需要较长的采样时间来检测较低的误码率。此外，后FEC BER将仅显示超出FEC和交错的纠错能力的损伤。 

[21]2005年6月30日以Gotwals等人名义公布的2005/0144648号、2005年12月22日向Terreault公布的2005/0281200号、2005年12月29日向Flask公布的2005/0286436号以及2005年12月29日向Miller公布的2005/0286486号美国专利申请中披露了常规的有线信号测试设备。2003年8月26日授予Cooper的6,611,795号、2006年4月18日授予Lusky等人的7,032,159号美国专利以及2003年9月25日向Lusky等人公布的2003/0179821号美国专利申请均涉及纠错方法。2006年8月17日向Moulsley等人公布的WO 2006/085275号PCT专利出版物涉及根据信号采样幅值估算BER。 

[22]本发明的一个目的是通过对QAM数字频道上的损伤进行快速而灵敏的测量，克服现有技术的缺点，而无需对QAM信号有完全解码能力，也无需特别高的技术力量。 

发明内容

[23]因此，本发明涉及一种用于确定有线电视网络上带前向纠错的QAM数字信号质量指示的方法，包括以下步骤： 

[24]a)确定前向纠错(FEC)之前数字信号的第一误码率(BER)； 

[25]b)确定前向纠错(FEC)之后的第二误码率； 

[26]c)根据第一和第二误码率以预定的标度确定数字质量指标(DQI)；以及 

[27]d)显示DQI，以提供有线网络上QAM数字信号质量的显示。 

[28]本发明的另一种实施方式涉及一种用于生成有线网络上QAM数字信号质量指示的带前向纠错(FEC)的测试设备，包括： 

[29]输入端口，用于接收QAM数字信号； 

[30]第一误码率(BER)生成装置，用于在FEC之前确定QAM数字信号的BER； 

[31]第二误码率(BER)生成装置，用于在FEC之后确定QAM数字信号的BER； 

[32]数字质量指标生成装置，用于根据第一和第二BER预定的标度确定QAM数字信号的数字质量指标(DQI)；以及 

[33]显示屏，用于显示DQI，以提供有线网络上QAM数字信号质量的显示。 

[34]本发明的另一种实施方式涉及一种用于确定有线网络上带前向纠错(FEC)的QAM数字信号误码率的方法，包括以下步骤： 

[35]a)每10-50微秒确定一次数字信号的误差电压V_ERR； 

[36]b)每10-50微秒根据V_ERR与第一BER之间的预定统计学关系在FEC之前确定第一误码率；以及 

[37]c)每0.5-2秒对第一BER取平均值。 

附图说明

[38]下文将参照附图对本发明进行更为详细的介绍，附图所示为优选实施方式，其中： 

[39]图1为本发明测试设备的图示； 

[40]图2为本发明测试设备的子系统的图示； 

[41]图3为对前向纠错之前和之后的误码率进行近似的统计模型的图示； 

[42]图4为图3统计模型的FEC前BER与误差电压(V_ERR)之间的关系图； 

[43]图5为图3统计模型的FEC前BER与FEC后BER之间的关系图； 

[44]图6为用于对前向纠错前、后误码率进行近似的统计模型的另一种实施方式的图示； 

[45]图7为图6统计模型的I-Q角分析仪的图示； 

[46]图8为显示角和中间方块64、128和256 QAM信号的星座图； 

[47]图9a为根据FEC前、后BER确定DQI的流程图； 

[48]图9b为另一种根据FEC前、后BER确定DQI的流程图； 

[49]图10为另一种根据FEC前、后BER确定DQI的流程图； 

[50]图11为DQI与FEC前、后BER关系的图示；以及 

[51]图12为用于根据电平测量和自适应均衡器分接头值确定增强DQI的另一种流程图。 

具体实施方式

[52]参见图1，本发明的DQI测试设备包括四个子系统：接收和测量子系统2，用于接收正交幅度调制(QAM)信号，并确定前向纠错前、后的误码率；计分子系统3，用于根据前述误码率以预定的标度(如0-10)生成数字质量指标(DQI)数值；分析子系统4，用于分析所确定的信息；以及显示子系统5，用于向使用测试设备1的技术人员提供DQI数值以及任何附加信息。 

[53]参见图2，接收和测量子系统2包括：输入端口10，用于接收来自有线网络的QAM数字信号；调谐器11，用于选择所要测试的有线频道；以及QAM解调器12，用于将QAM信号解调为I和Q信号。在全业务测试设备中，I和Q信号将被传输至星座图采样器13和符号解码器14，后者将数字信号解码为解码信号。星座图采样器13生成星座图15。符号解码器14确定用于在读数器16上显示的调制误差率(MER)，并将解码信号传输至前向纠错(FEC)解码器17。FEC解码器17对解码信号进行纠错，并确定纠错之前和之后的误码率(BER)，用于在读数器18和19上分别显示。 

[54]QAM解调器12还将QAM解码误差电压(V_ERR)提供给误码率(BER)计算器21，以此将V_ERR转为误码率(BER)。解码误差电压(V_ERR)可用于计算调制误差率(MER)，即数字信号信噪比(SNR)的估算值。由QAM解调器12给出的V_ERR值将根据信号的QAM调制情况乘以不同的比例系数，例如： 

比例系数	附录A	附录B
			64 QAM	0.67	0.50
128 QAM	1.34	N/A
			256 QAM	1.32	1.00

[55]MER(dB)＝20 log₁₀(V_REF/V_ERR) 

[56]EVM(dB)＝20 log(V_ERR/V_REF)，或EVM(％)＝(V_ERR/V_REF)×100％ 

[57]基准电压V_REF为一理想信号的均方根电压值。 

[58]MER通常用于数字通信中，作为信噪比(SNR)的近似或替代值。对数字信号难以进行真正的信噪比测量。因此，SNR分析仪这一术语用于采用经滤波误差电压来获得FEC前、后BER估算值的子系统。 

[59]计分子系统3可以采用FEC解码器17所确定的FEC前BER和FEC后BER，如图所示，这需要数字信号被完全解码，且测量较低的BER需要很长时间。在另一种方式下，星座图采样器13、符号解码器14、星座图15、MER读数器16以及FEC解码器17均可省去，且可使用BER计算器21来估算FEC前BER和FEC后BER。BER计算器21包含SNR分析仪30(如图3所示)，或在优选实施方式中包含SNR分析仪30与I-Q角分析仪41的组合(如图6所示)。上述所有系统均处于带有键盘或图形接口26的微计算机25控制之下。 

[60]SNR分析仪30接收经滤波的V_ERR采样(例如从一快速滤波器31接收)，该采样每10-50微秒采样一次，而在32处则根据V_ERR与FEC前BER之间的预定统计学关系计算前向纠错(FEC)前BER。在33处确定FEC前BER的平均值，并将其转发至计分子系统3或将其与I-Q角分析仪41提供的FEC前BER结合，如下文所述。为使本发明检测到输入窄脉冲，必须以比通常用于测量MER更高的速率对估算的V_ERR进行采样。如果采样率低于QAM符号率，则需要硬件滤波，即快速滤波器31，但滤波器31的时间常数必须适用于所需的快速采样率。 

[61]采用仿真和数学建模来确定SNR(或V_ERR)与FEC前BER之间的数学关系。指数函数可对V_ERR与FEC前BER之间的关系进行良好的近似；然而当高V_ERR值导致FEC前BER超过1时，它将失效，如图4所示。因此，在第一种实施方式中，FEC前BER估算值f采用经过修正的指数方程由V_ERR标度值x计算得出： 

$\left[62\right],f\left(x\right)=\frac{c}{1+{\mathrm{ae}}^{-\mathrm{bx}}}$

[63]其中a＞0，b＞0且0＜c＜1，优选值为a＝1.42857×10¹²，b＝2.65×10^-4及c＝0.2，如图4图示。常数a，b和c的值通过分析已知信号损伤采样的数据基于具体的QAM解码器硬件选取。 

[64]随后，在34处根据FEC前BER与FEC后BER之间预定的统计学关系计算得出FEC后BER估算值g。此外还将进行附加的仿真和数学建模，以确定FEC前BER与FEC后BER之间的数学关系。在优选实施方式中，FEC后BER估算值g(x)由以下公式确定： 

$\left[65\right],g\left(x\right)={\mathrm{xe}}^{-p/x^q}$

[66]其中p和q＞0，在此p＝0.105277，q＝0.55，如图5所示。同样，常数p和q的值通过分析已知信号损伤采样的数据基于具体的QAM解码器硬件选取。 

[67]在35处对N个FEC后BER估算值中最小的M个进行平均，而在36处对去交错后的FEC后BER估算值进行平均。将平均的FEC后BER转至计分子系统3或将其与I-Q角分析仪41所给出的FEC后BER结合，如下文所述。 

[68] FEC将数据流划分为固定长度的模块，对每一模块添加冗余信息，以纠正模块在传输中出现的少数错误。噪声触发经常会破坏比单一模块内可纠错的更多的连续QAM符号。为保护数据免于被较长的噪声触发破坏，发送方在传输数据之前会对几个模块内的数据进行交错。接收方对数据进行去交错，以便在FEC模块内恢复原始顺序。交错可将一个FEC模块的可纠错符号数乘以被交错的模块数，以此增加对触发脉冲的防护能力。触发纠正时间可以由符号率和可纠错连续符号数计算得出。交错不会增大模块内可纠错符号数与所含总符号数的整体比率。由此，旨在纠正较长噪声触发的交错要求噪声触发之间的最短时间也要增加。噪声触发之间的最短时间称为交错等待时间，可以由符号率和被交错的所有FEC模块的总长度计算得出。符号可以相同，但FEC符号通常为7比特长，QAM符号则为6或8比特长。数据被分组为FEC符号，然后再交错，之后被重新分组为QAM符号。 

[69FEC后BER模型通过保留由FEC前BER到FEC后BER模块34的值的滚动历史记录，对交错效果进行仿真。在模块35接收到新值的任何时候，最早的值将被丢弃。在SNR分析仪30取均值步骤35的初始化阶段，数值仅进行累计；而当接收了N个数值时，每输入一个新值，就将输出一个新值。输出值中包含滚动历史记录中所保存的N个值中最小的M个值的平均值。由此，在与FEC配合的条件下，可近似达到交错的触发脉冲防护的效果。数值M和N的选择是要对触发脉冲校正能力和所用交错器的等待时间进行近似。M为采样触发脉冲校正时间除以采样周期，N则为交错器等待时间除以采样周期。 

[70] 模块33和36所示的取均值步骤是以非常高的速度(如每5-50ms或10-25微秒一次)、在较长的测量间隔(如0.5-2s或更长，理想值为1s)内进行的。由此，FEC后BER和FEC前BER的总平均值通过对加性高斯白噪声(AWGN)的BER值取平均获得，这样可以实现对实际损伤(特别是脉冲噪声)的比较精确的近似。 

[71] 参见图6和7，BER计算器21优选包含I-Q角分析仪41，来提供确定FEC前和FEC后BER值的附加装置，它与前述基于VERR的装置相结合，以获得更为精确的FEC前和FEC后BER值。 

[72 I-Q角分析仪41的星座图单元选择器42每5-50(或10-25)微米(理想情况下更快，取决于采样硬件)经信号解码器14接收一次来自QAM解调器12的10比特I和Q信号采样，辨识每个采样所属的坐标方格，然后将坐标方格发送至角检测器43，以及中间检测器44，它们将分别对属于角和中间区域的采样进行辨识。64、128和256 QAM星座图中的拐角和中间方格举例如图8所示。中间方格包含最接近星座图中间方格的采样的10％-20％，采用从方格中心到星座图中间的欧几里德距离测量，即每个方向上距离中心2-3个方格，而拐角方格则为距星座图中间距离最远的方格中的4％-8％，如星座图的最边拐角方格和/或与之相邻的方格。 

[73]误差矢量由误差矢量计算器45根据来自QAM解调器12的10比特I和Q信号采样值计算。在46处采用误差矢量的水平和垂直分量，根据以下公式确定误差度量： 

[74]E＝x⁴+y⁴

[75]其中E为误差幅度，x和y为误差矢量的水平和垂直分量。误差度量针对星座图15的拐角和中间区域的所有坐标方格计算，如图8所示。在47和48处采用误差度量分别针对拐角区域和中间区域独立计算误差度量的平均值，每0.5-2s，即每次计算一个新的DQI值。在47和48处求平均后，再根据调制方式将平均值除以一比例系数，(如对于256 QAM为16，对于128 QAM为81，而对于64 QAM则为256)，对误差幅度进行归一化。前述比例系数假设I和Q有10比特的分辨率，这取决于硬件。 

[76]在49处根据拐角平均误差度量与FEC前BER之间的预定统计学关系来确定在前向纠错(FEC)之前的FEC前BER。在一种优选实施方式中，拐角FEC前BER模型是一个简单的幂函数： 

[77]p(x)＝ax^b

[78]其中x为拐角平均误差度量，p为FEC前BER估算值，a＝2.92567E-19，b＝3.14057。常数a和b值的选择基于具体的QAM解码器硬件，通过对已知的信号损伤所采样的数据进行分析得出。 

[79]在50处根据FEC前BER与FEC后BER之间的预定统计学关系来确定前向纠错(FEC)之前的FEC后BER。FEC前BER与FEC后BER模型优选由以下公式给出： 

$\left[80\right],q\left(p\right)={\mathrm{pe}}^{\frac{k}{{\mathrm{mp}}^r}}$

[81]其中p为FEC前BER估算值，q为FEC后BER估算值，k＝-0.105277，m＝12.5893，r＝0.55。常数p，q，m和k值的选择基于具体的QAM解码器硬件，通过对已知的信号损伤所采样的数据进行分析得出。 

[82]由拐角权重计算器51计算拐角权重，优选由以下公式给出： 

$r=\sqrt{\max \{1,\frac{c}{(m+k_m)k_c}\}}$

$\left[83\right],w=w_{\max }(1-\frac{1}{r})$

[84]其中w为拐角权重，c为拐角平均误差度量，m则为中间平均误差度量。常数包括最大拐角权重w_max＝0.1，中间偏移量k_m＝2100，以及拐角阈值k_c＝1.75。 

[85]参见图6，针对BER前估算值由组合SNR(或V_ERR)和拐角模型得出的BER估算值是在SNR拐角组合器61中采用以下公式计算得出： 

[86]  p(s，c，w)＝max{s，cw+s(1-w)} 

[87]其中s为SNR模型BER，c为拐角模型BER，而w为拐角权重。类似地，针对BER后估算值由组合SNR和拐角模型得出的BER估算值可在SNR拐角组合器62中采用相同公式计算得出。 

[88]计分子系统3从BER计算器21接收FEC前BER和FEC后BER估算值，并将其送至DQI逻辑测量系统71，以按预定的标度确定DQI，如1-5或0-10。逻辑测量系统71的示例算法如图9a和9b所示。 

[89]参见图9a，初始逻辑框81确定FEC后BER是否大于等于后最小阈值，如1×e^-8。如果是，则由第二逻辑框82确定FEC后BER是否大于等于后最大阈值，如1×e^-4。如果是，则DQI计分按预定的标度(如0-10)被确定为最低水平(如0)。如果为否，即FEC后BER处于后最小和后最大阈值之间，则DQI计分将在最低值(如0)和中间水平(如5)之间变化(如呈对数地)，并可以由以下公式确定： 

[90]DQI＝int(-12.5 log(FEC后BER)-50)/10 

[91]如果FEC后BER不大于等于(即小于)后最小阈值(如1×e^-8)，则将由第三逻辑框83确定FEC前BER是否大于等于前最大阈值(如1×e^-4)。如果是，即FEC后BER小于后最小阈值，而FEC前BER大于前最大阈值，则DQI分值为预定标度的中间水平(如5.0)。如果为否，则由第四逻辑框84确定FEC前BER是否大于等于一前最小阈值(如1×e^-8)。如果为否，即FEC前BER小于前最小阈值且FEC后BER小于后最小阈值，则DQI分值为预定标度的最高水平(如10.0)，但如果为是，即FEC后BER小于后最小阈值，而FEC前BER处于前最小和前最大阈值之间，则DQI分值将在中间水平(如5)和最高水平(如10)之间变化(如以对数方式)，并可由以下公式确定： 

[92]DQI＝int(-12.5 log(FEC前BER))/10 

[93]在图9b所示的另一种实施方式中，将第四逻辑框84替换为经过改动的第四逻辑框84’，该框将确定FEC前BER是否大于等于一个不同的前最小阈值，1×e^-9。此外，如果FEC后BER小于后最小阈值，但FEC前BER处于后最小与后最大阈值之间，则DQI分值将在中间水平和最高水平(如5-10)之间变化(如呈对数地)，并可由以下公式确定： 

[94]DQI＝int(-10 log(FEC前BER)+10)/10 

[95]在如图10所示的一种简化实施方式中，第一逻辑框81与上述相同，但第二逻辑框82替换为经过改动的第二逻辑框82’，该框将确定FEC后BER是否也大于等于一个经过修改的后最大阈值，如1×e^-6。如果是，则DQI分值为最低水平，即1，如果为否，即FEC后BER处于后最小与最大阈值之间，则DQI分值处于最低和中间水平之间，即2。第三逻辑框83也被替换为经过改动的第三逻辑框83’，该框将确定FEC前BER是否大于等于一个经过修改的前最大阈值，如1×e^-6。如果是，即FEC后BER小于后最小阈值，但FEC前BER大于前最大阈值，则DQI分值为中间水平，即3，如果为否，则采用原始逻辑框84；而如果FEC前BER也大于等于前最小阈值(如1×e^-8)，则DQI分值处于中间和最高水平之间，即4，而如果为否，即FEC后BER小于后最小阈值且FEC前BER小于前最小阈值，则DQI分值为最高水平，即5。 

[96]在计分子系统3中，BER均值由测量子系统2读出，并以每秒1-2次的更新速率计分。图11示出了FEC前BER、FEC后BER与DQI分值之间的一般关系，即如果没有FEC后BER，也没有明显的FEC前BER，则DQI分值将近似为最高水平(如10)。随着FEC前BER的增加，而FEC后BER一直保持较低的水平，DQI分值将由接近最 高水平到中间水平变化(如由9降至5)。随着FEC后BER的量也增大，DQI分值将由中间水平降至最低水平(如由5降至0)，在最低水平处，可发现FEC前BER和FEC后BER均有显著数量。 

[97]参见图12，增强型DQI系统91可使DQI接收和测量系统92对某些不良网络环境进行评价，这些不良网络环境不会对QAM接收器92造成损害但可能对消费者级接收端造成负面影响。通常，这些不良的网络环境不会影响来自接收和测量子系统92的BER前和BER后的值；而可以增强计分子系统93，以利用增强措施提供的信息。 

[98]当网络上放大器的自动增益控制(AGC)电路存在问题时，受测数字频道的信号电平可能发生波动。信号损伤的程度会随波动的量和速率变化。信号电平也可能随着驱动放大器的交流电源的频率的变化而变化，或者在某些情况下，以交流电源频率的2倍频率变化。这些通常称为交流干扰(hum)的变化也可能对消费者级数字接收机引入损伤。 

[99]DQI计分子系统93可估算由AGC电路或交流干扰造成的幅值波动效应以及线性失真效应，方法是对存在的每种损伤等级进行量化，并通过加权因子或其他综合处理结果的方式调整(如减小)总的DQI分值。通过这些强化措施，计分子系统93将针对每种损伤类型输出独立的分值以及表示总体质量的复合分值。 

[100]在增强型接收和测量子系统92中，QAM解调器12(见图2)包含自适应均衡器组件，它可以降低所接收到的QAM数字信号的微反射、群延迟变化、频率响应变化以及其他线性失真的影响。该自适应均衡器包含多个前馈均衡(FFE)和决策反馈均衡(DFE)抽头。每个抽头均有一个相关的复合系数值。解调器12采用每一符号解码所提供的误差信息连续调整分接值。典型的接收端有16个FFE和24个DFE抽头。 

[101]接收和测量子系统92可周期性采集并输出抽头系数的瞬时值。抽头值的更新的速率与接收和测量子系统92向计分子系统93提供FEC前BER和FEC后BER值的速率相同。 

[102]均衡器中典型的解码器芯片可实现一次读取一个抽头值。测量子系统92一次会采集表示某一点处总体均衡器状态的整个一组抽头系数值，方法是首先停止抽头值的自动更新，然后从解码器芯片中顺序将值读出。在读取了所有值之后，均衡器的正常更新将继续。 

[103]DQI相比其他数字测量方式的一个优点是它能够将损伤显示为DQI分值的细微下降，而这在FEC前BER测试中可能过小而无法显示，或者要中断对订户的服务。特别地，DQI分值会被均衡器抽头值降低，降低幅度处于范围内，但接近于均衡器所不能适应的阈值。 

[104]而对另一种增强方式，接收和测量子系统92可进行信号电平测量，以报告可能对消费者级数字接收端性能产生负面影响、但不会影响DQI设备91中所用接收机的情况。为测量信号电平波动，测量子系统92在一次显示更新周期中将多次确定信号电平。测量速率至少应为交流电源频率的4倍，以检测和量化交流干扰。信号电平测量可能采用以下任何一种方式： 

[105]a)测量子系统92会读取QAM解码器芯片中AGC系统的瞬时增益设置，以确定信号电平。较低的增益表示接收到的信号电平较高。 

[106]b)自适应均衡器的一个FFE抽头被配置作为主抽头，其虚部值固定为零，而其用于更新抽头值的机制会被调整，以使主抽头的实部值可表达所接收到的信号电平。较低的抽头值提示接收到的信号电平较高。 

[107]c)测量子系统92包含有附加电路，用以在不中断QAM解码器运行的条件下测量所接收到的信号电平。 

[108]如果以足够快的速率进行电平测量以测量交流干扰，则测量子系统92将分别输出针对信号电平稳定性和交流干扰的值。为对其进行区分，测量子系统92可以采用滤波或傅立叶变换方式确定在交流电源频率或其整数倍处出现的波动。 

[109]有线网络承载有包含受测频道的增补频道(如模拟和数字电视频道)，理想的QAM接收机将会阻断增补频道，否则其他频道将在接收机电路中产生互调制失真。失真的量取决于受测信号与存在的其他信号功率电平相比的相对电平。如果接收机可衰减所有输入信号，以使被测频道的电平降至可接收电平，则互调制失真将被降低。 

[110]测量子系统92可能采用以下任何一种方法或多种方法的组合来确定受测数字频道的相对电平： 

[111]i)调谐至每个频道，测量功率值，再对结果求和，以计算整体总功率。 

[112]ii)测量存在的模拟电视频道的电平，并用最高电平作为基准。频率较低的频道通常有较高的电平，因此仅对达到截止频率的模拟电视频道进行测量。 

[113]iii)根据模拟电视频道的电平确定倾斜线，并测量受测数字频道与数字频道中心频率处倾斜线高度之间的电平差。 

[114]如果采用单独的调谐器来测量增补频道，则测量子系统92可以周期性更新基准电平。如果增补频道的测量采用与QAM接收和测量子系统92相同的调谐器11，则测量子系统92将先对增补频道进行初始读数，之后再调谐至数字频道并开始周期性的DQI测量。如果测得的频道电平有显著变化，那么DQI更新被挂起，并且重复进行增补频道的测量。在某些预定校准间隔时对增补频道进行测量时，DQI更新可能也会被挂起。 

[115]FEC前BER值每5-50(或10-25)微秒更新一次。除了每0.5-2s对这些值取一次平均之外，通过进行傅立叶变换或采用滤波器可以观察到具体的频率分量。 

[116]可以采用单独的输出来测量由两种具体损伤导致的退化：在交流电源频率或其整数倍处出现的分量可用于表示交流噪声存在；如果采样率足够快(如30微秒或更短)，则可采用15.75 kHz的频率分量来提示复合二次(CSO)或复合三次差拍(CTB)损伤存在。 

[117]分析子系统4通过出现时间、持续时间及严重程度确定低信号质量的时间段。在短时段内出现的低分值可以被组合为一次损伤事件，且可以采用加权平均值来表示单次损伤事件。当在一个较长时间段内对DQI测量值进行采集时，可由分析子系统4确定一个重要结果的简明汇总(如高DQI分值、低DQI分值、平均DQI分值、加权平均DQI分值)。 

[118]通过前述增强措施，SNR角组合器可以由测量子系统92转移至计分子系统93，从而使计分子系统93可以从每个模型或分析仪输出单独的分值，同时包含其在复合分值中所起的作用。对具体的损伤类型可以输出单独的分值： 

DQI分量分值	支持性测量
		热噪声	SNR分析仪，连续低值
脉冲噪声	SNR分析仪，偶然低值
		CSO知CTB	SNR分析仪，15.75kHz频率分量
相位噪声	I-Q角模型
		交流干扰	在交流电源频率的整数倍处发生电平波动；SNR分析仪，在这些频率处的分量。
信号电平不稳定性	其他电平波动，如因放大器AGC问题所导致
		线性失真	均衡器抽头值
互调制	数字频道电平相对基准电平过低

[0126] [119]通过增强措施，计分子系统92可以对消费者级QAM接收机的性能进行建模，并采用单一模型或不同的参数对具体类型或构造的接收机的效果进行建模。可能随接收机类型不同而变化的参数包括但不限于以下各项： 

[120]1)可接受的输入信号电平的变化量。2)可接受的输入信号电平变化率。3)可接受的交流干扰。4)自适应均衡器中所采用的FFE和DFE抽头的数量。5)均衡器适配算法及参数。6)接收机对互调制失真的灵敏度。7)AGC带宽。8)消转器带宽。9)可能存在的任何带通或陷波滤波器组件的特性。 

[121]分析子系统94可采用分量DQI分值跟踪具体类型的损伤，即以损伤类型及严重程度和持续时间记录损伤发生的时间。 

[122]在显示子系统5中，DQI信号质量分值在读数器91上以数值方式报告，如以每0.5-2 s更新一次，并在显示读数器92上以图形方式显示与时间的关系。如果受测网络上存在具体的损伤，则图形显示屏92将采集到损伤的特征。而如果可以采用更快的硬件，或需要更慢的转变，则也可以采用小于0.5s或大于2s的周期。对于在所需时间段内进行的测试，也可以显示其最低和最高的DQI分值。在显示子系统95中可以有一个标记，单个分量在标记位置的分值可以以数值方式显示。或者可以以文本方式显示接收最低分量分值的损伤类型。该标记可由单独的输入(如触摸板或键盘26)一次移动一个点，或者可以设计成从历史记录中的一个低点跳至另一点。显示子系统5和95也可以显示其他同时进行的测量的状态和结果，如信号电平、MER、QAM锁定状态以及交错器深度。也可以显示对系统性能的文本提示，如通过/未通过、优/良/可/劣/无信号、无损伤/轻微/中度/严重等。损伤事件可以按发生时间或严重程度排序列出，并显示其发生时间和持续时间。 

[123]DQI系统可提供比常规BER系统更多的可测量数据点，且对变化环境的响应更快。无须对输入信号完全解码，即可在误码实际发生之前即报告损伤。 

Claims (24)

1.一种用于确定有线电视网络上带前向纠错FEC的正交幅度调制QAM数字信号的质量指示的方法，包括以下步骤：

a)确定前向纠错FEC之前所述正交幅度调制QAM数字信号的第一误码率；

b)确定前向纠错FEC之后的所述正交幅度调制QAM数字信号的第二误码率；

c)根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率和第二误码率按预定的标度确定所述正交幅度调制QAM数字信号的数字质量指标DQI；以及

d)显示所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI，以提供所述有线网络上所述正交幅度调制QAM数字信号的质量指示。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤a)包括：

确定所述正交幅度调制QAM数字信号的误差电压V_ERR；并

根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述V_ERR与所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率之间的预定统计学关系确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率f(x)采用经过修正的指数方程由V_ERR的标度值x计算得出：

其中a＞0，b＞0而0＜c＜1，其中，a，b和c是通过分析已知信号损伤采样的数据选取的常数。

4.如权利要求2所述的方法，其中步骤b)包括根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率与所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率之间的预定统计学关系确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率g(x)由以下公式根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率x计算得出：

其中p和q是通过分析已知信号损伤采样的数据选取的常数，并且其中p＞0和q＞0。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述前向纠错FEC包括采用交错器对所述数字信号中的比特进行交错； 

其中M等于采样触发脉冲校正时间除以采样周期，N则等于交错器等待时间除以采样周期；且

其中步骤b)包括对所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率的最近N个值中最小的M个值取平均值；

由此可近似达到交错的触发脉冲防护的效果。

7.如权利要求4所述的方法，其中使用以下公式根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率p(x)的估算值来计算所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率q(p)的估算值：

其中

其中k，m和r是通过分析已知信号损伤采样的数据选取的常数。

8.如权利要求2所述的方法，其中步骤a)还包括：

确定所述正交幅度调制QAM数字信号的拐角平均误差度量；以及

根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述拐角平均误差度量与所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率之间的预定统计学关系确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率。

9.如权利要求8所述的方法，其中使用以下公式根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述拐角平均误差度量来计算所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率p(x)的估算值：p(x)＝ax^b

其中a和b是通过分析已知信号损伤采样的数据选取的常数。

10.如权利要求2所述的方法，

其中每5-50微秒确定一次所述正交幅度调制QAM数字信号的所述误差电压V_ERR；其中每5-50微秒确定一次所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率；以及

其中每0.5-2秒对所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率求平均值。

11.如权利要求1所述的方法，其中步骤c)包括：

i)确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率是否大于等于后最小阈值；

如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率大于等于所述后最小阈值，则确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率是否大于等于后最大阈值，如果是，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI被确定为所 述预定标度的最小值水平；

如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率不等于或大于所述后最大阈值，则确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率是否处于所述后最小与后最大阈值之间，如果是，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI在所述预定标度上的所述最小值水平与中间水平之间变化；以及

ii)如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率不大于等于所述后最小阈值：

则确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率是否大于等于前最大阈值，如果是，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI被确定为所述预定标度的所述中间水平；

如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率不大于等于所述前最大阈值，则确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率是否处于前最小与所述前最大阈值之间，如果是，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI在所述预定标度的所述中间水平与所述最大值水平之间变化；

由此如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率小于所述前最小阈值，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI为所述预定标度的所述最大值水平。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述后最小阈值近似为1×e^-8，而所述后最大阈值近似为1×e^-4，由此，如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率处于所述后最小与后最大阈值之间，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI等于int(-12.5log(第二误码率)-50)/10；且

其中所述前最大阈值近似为1×e^-4，而所述前最小阈值近似为1×e^-8，由此，如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率处于所述前最小值与所述前最大值之间，则所述数字质量指标DQI为int(-12.5log(第一误码率))/10。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述后最小阈值近似为1×e^-8，而所述后最大阈值近似为1×e^-4，由此，如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率处于所述后最小与后最大阈值之间，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI等于int(-12.5log(第二误码率)-50)/10；以及

其中所述前最大阈值近似为1×e^-4，而所述前最小阈值近似为1×e^-9，由此，如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率处于所述前最小阈值与所述前最大阈 值之间，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI为int(-10log(第一误码率)+10)/10。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述后最小阈值近似为1×e^-8，而所述后最大阈值近似为1×e^-6，由此，如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率处于所述后最小与后最大阈值之间，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI处于所述预定标度的所述最小值水平和中间水平之间；且

其中所述前最大阈值近似为1×e^-6，而所述前最小阈值近似为1×e^-8，由此，如果所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率处于所述前最小阈值与所述前最大阈值之间，则所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI被确定为所述预定标度的所述中间水平与所述最大值水平之间。

15.如权利要求1所述的方法，其中步骤d)包括在图象上按时间显示所述正交幅度调制QAM数字信号的多个数字质量指标DQI。

16.一种用于生成有线网络上带前向纠错FEC的正交幅度调制QAM数字信号的质量指示的测试设备，包括：

输入端口，其用于接收QAM数字信号；

第一误码率生成装置，其用于在前向纠错FEC之前确定所述正交幅度调制QAM数字信号的第一误码率；

第二误码率生成装置，其用于在前向纠错FEC之后确定所述正交幅度调制QAM数字信号的第二误码率；

数字质量指标DQI生成装置，其用于根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率和第二误码率以预定的标度确定所述所述正交幅度调制QAM数字信号的数字质量指标DQI；以及

显示屏，其用于显示所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI，以提供所述有线网络上所述正交幅度调制QAM数字信号的质量指示。

17.如权利要求16所述的测试设备，其中所述第一误码率生成装置包括误差电压V_ERR生成器，以及第一逻辑装置，所述第一逻辑装置用于根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述误差电压V_ERR与所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率之间的预定统计学关系确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率。

18.如权利要求17所述的测试设备，其中所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率f(x)采用经过修正的指数方程由误差电压V_ERR的标度值x计算得出： 

其中a，b和c是通过分析已知信号损伤采样的数据选取的常数，并且其中a＞0，b＞0而0＜c＜1。

19.如权利要求18所述的测试设备，其中所述第二误码率生成装置包括第二逻辑装置，用于根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率与所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率之间的预定统计学关系确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率。

20.如权利要求19所述的测试设备，其中所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率g(x)由以下公式根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率x计算得出：

其中p和q是通过分析已知信号损伤采样的数据选取的常数，并且其中p＞0和q＞0。

21.如权利要求19所述的测试设备，其中所述前向纠错FEC包括采用交错器对所述正交幅度调制QAM数字信号中的比特进行交错；

其中所述第二误码率生成装置用于对所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第二误码率的最近N个值中最小的M个值取平均值；

其中M等于采样触发脉冲校正时间除以采样周期，N则等于交错器等待时间除以所述采样周期；

由此可近似达到交错的触发脉冲防护的效果。

22.如权利要求17所述的测试设备，其中所述第一误码率生成装置还包括拐角平均度量生成装置，所述拐角平均度量生成装置用于确定所述正交幅度调制QAM数字信号的拐角平均误差度量；以及

其中所述数字质量指标DQI生成装置同样根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述拐角平均误差度量与所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率之间的预定统计学关系确定所述正交幅度调制QAM数字信号的所述第一误码率。

23.如权利要求17所述的测试设备，其中所述电压误差V_ERR生成器包括正交幅度调制QAM解调器，所述正交幅度调制QAM解调器包括均衡器，所述均衡器包含多个前馈均衡FFE和决策反馈均衡DFE抽头，以提示对网络损伤；由此所述数字质量指标 DQI生成装置会根据所述多个前馈均衡FFE和决策反馈均衡DFE抽头调整所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI。

24.如权利要求16所述的测试设备，还包括信号电平测量装置，用于测量所述QAM数字信号的功率电平，由此所述数字质量指标DQI生成装置根据所述正交幅度调制QAM数字信号的所述所测得的功率电平调整所述正交幅度调制QAM数字信号的所述数字质量指标DQI。 

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