CN1306369A - 大动态量程的误码率监测器 - Google Patents

Abstract

在此提供了一种包含了计数器(30)的误码率监测器(10),其中计数器(30)在检测到穿过与计数器(30)相连接的接口单元(20)的数据流中的误码时就增加。计数器(30)同时也以一个正比于此前保存在计数器(30)中的数值的指数值的速率减小。由此监测器(10)利用储存在计数器(30)中的数值提供了一种数据流中的误码率测量,该数值基本上是正比于数据流中的误码率的对数值的,由此为监测器(10)提供了相对较大的误码率测量的动态量程。

Description

大动态量程的误码率监测器

本发明涉及到一种提供了非线性测量响应的误码率监测器。

在常规的包含数据传输线路的数字通信系统中，经常把沿线路传输的数据流分成固定长度的数据块。每个数据块在包含需要传输的数据之外还包含一些额外的开销信息。此开销信息可以包含一些能够用于确定与其相关联的数据块的估计误码计数的信息，例如一个简单的奇偶校验比特、一个较为全面的比特交织码字、或者一种复杂的编码算法。

对系统中数据流的比特误码率的监测是通过核对从关联于该数据流的开销信息中导出的差错发生记录来进行的。这样的误码率监测是重要的，因为系统中能够被用来传送数据流的数据传输线路是经常在线路具有低误码率的基础上以较高价出租给用户的；而用户经常对测量误码率感兴趣，以便确保他们没有支付不必要的高价或者确保如果传输线路达不到标准他们可以得到一定的折扣。

绝大多数传统的数字传输系统是工作于在各自的数据流中每10⁶个比特只有少于一个误码的相对较低的误码率的。然而有时能够遇到其各自的数据流中每10⁴个比特中出现一个误码的误码率。为了监测这样的误码，数据块通常被分割成其大小在从100到1000比特的范围；这一范围被保持在较低数量的比特，是为了减少系统硬件复杂度并改善在高误码率(例如每10⁴个比特中出现一个误码)时的误码监测。

为了获得对于比特误码率的可信的统计估计值，要对足够大数量的数据块进行块差错计数，以便产生数十个误码；对于100比特的块，每10⁶个比特一个误码的误码率平均起来对应于每传输10000个块出现一个误码。为了获得对当前误码率较好的统计估计值，必须要对300000个以上的块进行块差错计数以便产生数十个误码。

在实践中，需要有能够在从每10⁴个比特一个误码到每10¹⁰个比特一个误码的大误码率范围上提供适度精确的误码估计值的数字误码率监测器。这样的大量程对应于从一到一百万的范围，它远远不是单个传统的误码率监测器及其相关的检测算法所能够提供的。因此，为了对这样大的量程进行测量而改制的传统的误码率监测器包含一组数个监测器单元，通常为监测整个大量程的一个数量级的量程而分配一个单元。

发明人意识到设计一种能够适应于大误码率量程而又不用在其中包含多个监测器单元的替代误码率监测器是可能的，因此，相对于包含等效的传统误码率监测器的传输系统而言，包含这种替代型监测器的传输系统能够减少成本和复杂度。

根据本发明的第一个方面，这里提供了一种用于测量数据流中误码发生率的误码率监测器，该监测器的特征在于它包含：

(a)用于接收数据流并对其进行分析以识别误码何时发生于其中的误码检测装置；

(b)用于对该检测装置所识别的误码进行累计以提供累积误码计数的计数装置；和

(c)用于根据误码计数的数量以一定速率来减小误码计数的减量装置，

减量装置能够用于以一定的速率来减小误码计数，此速率相对于误码计数数量的增加而言其增长高于线性，由此，该误码计数提供了数据流中误码率的一种指示。

本发明提供了误码计数的增长相对于误码发生的增长低于线性的优越性，从而为监测器提供了增大了的测量量程。

较为有利的是，减量装置减小误码计数的速率相对于误码计数数量的增加基本上是指数式的增加，从而相对于数据流中误码的发生而为监测器提供了一种对误码计数基本上为对数式的响应。基本上为对数式的响应为本发明的监测器提供了相对较大的动态量程的优点；而传统的监测器通常提供线性的测量响应。

优选地，数据流是被划分成数据块的，每个块都包含与其相关的开销信息，这可以被误码检测装置用来确定块中误码的发生。如此的分块使得计数装置和减量装置能够把时钟校准在根据误码检测装置接收数据块的速率而决定的速率上。由此使得监测器能够应付在检测装置中接收数据分组的变化速率，从而在考虑到这一变化速率的条件下来确定数据流中的误码率。

在本发明的一种实施方案中，检测装置、计数装置和减量装置是以执行软件的处理装置的形式来实现的。如果监测器是用在主要包含相互链接的计算机网络的通信系统中的话，那么这样的监测器实现方案是便捷的。

在采用硬件形式的本发明的另一种实施方案中，误码检测装置很容易包含一组能够用于检测数据流中的误码的逻辑门，计数装置包含用于对检测装置所检测到的误码进行计数并提供计数输出的加/减计数器，而减量装置包含二进制计数器和复用器来提供数据，用于根据计数输出的数量而减小加/减计数器，从而使得计数输出能够指示数据流中的误码率。这样的监测器实现方案是相对比较简单的并能够被集成到单个集成电路中去。举例来说，监测器能够这样来实现：加/减计数器是一个4比特的加/减计数器，二进制计数器是一个16比特的二进制计数器，而复用器是一个16比1的复用器。当以这种方式来实现时，加/减计数器的计数输出最好连接到复用器的地址输入端来选择二进制计数器的计数输出，用来产生用于减小加/减计数器的数据。

从第二个方面来看，本发明提供了一种包含能够用来传输各种数据流的通信路径的通信系统，其中一条或多条通信路径各自包含一个根据本发明第一方面的用于监测沿着该路径上的误码率的监测器。对本发明第一方面的监测器的包含使得能够对路径上可能以相对较大误码率范围发生的误码率进行监测。系统能够方便地用于把数据流从那些与其相关联的监测器检测到过高的误码率或误码发生的通信路径上转移开；这样的操作能够为系统的用户提供更可靠的通信。

从第三个方面来看，本发明提供了一种采用根据本发明第一个方面的监测器来测量数据流中误码发生的方法，该方法包含如下步骤：

(a)检测数据流中误码的发生；

(b)当数据流中出现误码的时候增加计数装置中的累积误码计数；

(c)以根据误码计数的数量而定的速率来减小误码计数；以及

(d)重复步骤(a)到(c)直至完成对误码发生的监测，而该误码计数则指示了数据流中的误码发生率。

现在将仅以示例的方式来对本发明的实施方案进行描述，同时参考如下图示，其中：

图1是本发明的第一种实施方案的电路配置；

图2是显示了类比于第一种实施方案的操作的响应曲线图；以及

图3是显示了本发明的第二种实施方案的操作的流程图。

现在参考附图1，其中显示了一种根据本发明的简单的误码率监测器的电路配置；电路配置用10来表示。配置10能够运行以生成一个4比特的误码计数结果，即“结果输出代码”，并具有2¹⁶的误码计数量程，即42/3个数量级。对于更大的误码计数量程，可以对配置10进行调整，使其计数器和寄存器具有更多的工作比特。

配置10包含接口逻辑单元20，4比特加/减计数器30、16比特二进制计数器40、16比1的复用器50、两比特移位寄存器60和与门70。计数器30、40、单元20、复用器50、寄存器60和门70相互连接从而构成了配置10。

接口单元20包含输入端IN(输入)、输出端OUT(输出)和两个别的输出端ERROR(差错)和BLOCK SYNC(块同步)。对输入端IN进行连接，以便从与之相关的为配置10提供数据块的通信系统(没有显示出来)接收数据流。

类似的，对输出端OUT进行连接，以便把数据流进一步送回到系统中去。把输出端ERROR连接到加/减计数器30的加计数输入端UP(加)。此外，输出端BLOCK SYNC分别连接到加/减计数器30、二进制计数器40和移位寄存器60的时钟输入端CK。接口单元20包含一组相互连接的逻辑门，并从硬件上连线以便检测数据流中的误码发生；对于逻辑设计领域的普通技术人员而言，对单元20的设计是众所周知的。

每次在输入端IN接收到一个新的数据决的时候，接口单元20都能够在其输出端BLOCK SYNC产生一个脉冲。此外，对于每个数据块，单元20也能够检查其相关联的开销信息并把此信息与数据块中的数据进行比较，从而确定二者之间的奇偶校验。如果发生了奇偶校验错误，则单元20在输出端ERROR产生一个脉冲。

加/减计数器包含了从Q0到Q3四个计数器输出端，其中Q0是最低有效位输出端而Q3是最高有效位输出端。从Q0到Q3的输出端提供此4比特计数结果，即“结果输出代码”，指示在接口单元20的输入端IN上接收到的数据流中所发生的误码率

从Q0到Q3的输出端分别连接到复用器50对应的从S0到S3的地址输入端。此外二进制计数器40包含从Q0到Q15的16个输出端，它们分别连接到复用器单元50对应的从D15到D0的输入端；计数器40的Q0是最低有效位输出端，并且比最高有效位输出端Q15翻转得更快。因此，当配置10处于运行中时，D15比D0翻转得更快。

复用器50还包含复用输出端Q。复用器50能够根据计数器30提供给输入端S0到S3的地址值而把输入端D0到D15连接到Q。举例来说，当从S0到S3的输入端都是逻辑0值时，把输入端D0连接到输出端Q。类似的，当从S0到S3的输入端都是逻辑1值时，把输入端D15连接到输出端Q。输出端Q被连接到移位寄存器60的输入端D。

移位寄存器60包含Q0和Q1两个输出端，其中Q0是最低有效位输出端而Q1是最高有效位输出端。Q0、Q1两个输出端被分别连接到与门70的第一个非反相输入端和门70的反相输入端。门70还包含输出端P，此输出端P对应于P=Q0.[反相的Q1]，并连接到加/减计数器30的减输入端DOWN。

当其输入端UP上出现逻辑1的数值而其时钟输入端CK上施加了时钟脉冲时，加/减计数器30能够进行加计数。类似的，当其输入端DOWN上出现逻辑1的数值而其时钟输入端CK上施加了时钟脉冲时，它能够进行减计数。加/减计数器30包含另外的逻辑，以便当输入端UP和DOWN上同时处于逻辑数值1的时候来阻止计数。此外，该逻辑还能够阻止计数器30计数超过最大计数1111和低于最小计数0000。

下面将对配置10的操作进行描述，此后将参考用水实施的配置10的类比来对它进行进一步的描述，其中水流是对配置10内的误码计数的类比。

在附图1中，运行中的配置10在加/减计数器30中对从输入端IN穿过接口逻辑单元20到输出端OUT的数据流中发生的误码进行累计。在对误码进行累计的同时，也依靠二进制计数器40、复用器50、寄存器60和门70的操作而随着时间减小加/减计数器30。减小加/减计数器30的速率基本上是正比于存储在加/减计数器中的数值而指数式增加的，而存储在加/减计数器中的数值被表述为“结果输出代码”。结果是，该“结果输出代码”基本上是正比于接口逻辑单元20的输出端ERROR处所呈现的误码率的对数值。此外，该“结果输出代码”也受到平均化作用的影响，当“结果输出代码”的数值增加时，平均化作用的时间常数有效地变短了。

在效果上，加/减计数器30的功能就象一个积分器一样对数据流中的误码发生进行累积，而二进制计数器40、复用器50、移位寄存器60和门70的功能就象一个使加/减计数器30的输入端DOWN上的计数速率和它的输入端UP的误码计数速率相匹配的反馈环路一样。这样的关系可以用等式1(式1)来进行算术的表述：

     R=∫Edt-∫Pdt+k₀        式1

其中

R=“结果输出代码”；

E=输送到加/减计数器30的输入端UP的误码脉冲；

P=来自门70的逻辑输出；

k₀=根据R的初始值而确定的一个常数。

通过二进制计数器40、复用器50、移位寄存器60和门70的工作，P通过等式2(式2)而联系到加/减计数器30的输出端R： $P=k_a{e}^{k_{b}R}$ 式2

其中

k_a，k_b=比例常数

合并等式1和2得到等式3(式3)： $E=\mathrm{dR}/\mathrm{dt}+k_a{e}^{k_{b}R}$ 式3

对于一种稳态的情形，dR/dt=0，从而可以把等式3简化成等式4(式4)： $R=\left(\frac{1}{k_b}\right)\ln \left(\frac{E}{k_a}\right)$ 式4

在等式3中，微分项dR/dt的出现意味着对于较高的E值，当变化的发生对应于较短的配置10的测量时间常数时，dR/dt也就越大。此外，等式4展现了配置的对数响应，这说明了它对测量作用于接口单元20的数据流中的误码而言有相对较大的动态量程．

尽管等式1到等式4是连续函数，配置10也提供了42/3个数量级的测量量程，而量程被细分为对应于加/减计数器30的四个比特的16个离散的级别。

现在参照一个类比来对配置10的操作进行进一步的描述，该类比中用一个水桶来代表加/减计数器30。水桶由一个水平的圆底连接到周围是垂直的壁的圆柱形来组成，其中圆柱形包含沿着与壁相交的垂直轴的间隔的一系列开孔，这些孔能够用于从水桶中排水。

来自接口单元20的在其输出端ERROR输出的误码脉冲对应于从水桶敞开的顶部开口倒入的水。在把水倒入水桶中时，在其中存储起一些水，直到水的上液面到达了开孔而水开始从开孔中流出。这些开孔对应于由二进制计数器40、复用器50、移位寄存器60和门70所提供的动作，该动作就是减小加/减计数器30。

桶中水的液面指示了进入水桶的水的流速。当水以相对较慢的速度流入水桶时，其中所聚集的水从水桶底部附近区域的开孔流出；这一情形对应于来自加/减计数器30的较慢的计数速率，譬如{S3,S2,S1,S0}={0,0,0,1}，这导致了复用器50的输入端D1也即二进制计数器40的输出端Q14被选中用来产生用于减小加/减计数器30的输出P。与之相反，当水以相对较快的速度流入水桶时，其中所存储的水从水桶底部附近区域的开孔流出，并且也从水桶中较高的开孔流出；这样的情形对应于来自加/减计数器30的较高的计数速率，譬如{S3,S2,S1,S0}={1,0,1,0}，这导致了复用器50的输入端D10也因此即二进制计数器40的输出端Q5被选中用来产生用于减小加/减计数器30的输出P。当由于增加了注入水桶的水流速率而使水桶中的水变得越来越深时，相应地，这些开孔中将会有更多的一些参与为从水桶中排水。

作为进一步的细化，水桶壁上的开孔能够按尺寸分成等级，从而使得靠近水桶底部区域的开孔占有相对较小的口径，并且随着趋近于水桶顶部区域，开孔的口径逐步变大。事实上，可以安排这些开孔使其相关口径沿着从水桶的底部区域到顶部区域以逼近指数的方式增长。当采纳了这样的开孔直径安排时，水桶中的水平面的高度将会与流入水桶的水流速度的对数基本上成正比；在类比中忽略了流水的湍流效果。

附图2是描述了前述的水桶的操作的响应图，此图用100来表示。图100包含了对应于注入水桶的水流速率的横轴110，轴110在数值上从左向右增加。图100还包含了竖轴120，它对应于参与从水桶中排水的开孔，开孔1位于水桶的底部区域，而开孔6则位于开孔1上方，并向上接近水桶的顶部区域。阶越曲线130指示了由轴120所确定的参与从水桶中排水的开孔和由轴110所确定的向水桶内注水的速率间的关系。这样一来，当向水桶内注水的速率为f₀时，只有开孔1有排出的水流过。与此相反，当向水桶内注水的速率为f₁时，从开孔1到开孔6都有排出的水流过。

从图100可以看出，因为沿着水桶的底部区域到其顶部区域，开孔是接近指数式来增加，而曲线130基本上是对数的形式。通过类比，由于在二进制计数器40内所造成的二进制除法，配置10提供了类似的特性，此时误码率的绘制对应于横轴110，而“结果输出代码”的绘制对应于竖轴120。

配置10是本发明的一种简单的实施方案。在实践中，可以用相应的具有更多计数器比特的计数器代替加/减计数器30，用具有相应的更多计数器比特的计数器代替二进制计数器40，并且用相应的能够具有更多地址比特并能够把更多的输入端复用到输出端Q的复用器来代替复用器50，从而对配置10进行修改。

本发明的第二种实施方案是对应于配置10的，但是做了修改，使得以一个相应的8比特加/减计数器140来代替加/减计数器30，以一个相应的32比1的复用器150来代替复用器50，以及以一个相应的32比特的二进制计数器160来代替16比特二进制计数器40。在第二种实施方案中，只有加/减计数器140输出的最高有效5比特被用在复用器150的地址输入端来对其进行控制。在此是出于清楚的目的而使用参考标号140、150和160的，它们并未被包含在附图2中。

附图3包含了一个阐明了本发明的第二种实施方案的操作的流程图，该流程图用200来指示。图200包含了对应于第二种实施方案的接口单元20的操作的开始功能210和新帧功能220。图200还包含了对应于加/减计数器140的操作的增加功能230，符号A表示的是计数器140中的8比特计数而符号E表示的是接口单元20的输出端ERROR所输出的误码脉冲。图200另外还包含了在第二种实施方案中通过把加/减计数器140的五个最高有效比特连接到复用器150的地址输入端所实现的功能240；参数K等于A除以8。

图200还包含了对应于第二种实施方案中32比1复用器150的操作的分支功能250。此外，图200包含了多个减量功能，譬如功能260，并行从功能250链接到功能210。从功能250选择适当分支到减量功能要依赖于参数K的值。如果参数K具有相对较高的数值，例如K=31，那么就选择了一种相对较高的减小计数器140的速率，即减小8个计数。与此相对的，如果参数K具有相对较小的数值，譬如K=1，那么就选择了一种相对较低的减小计数器140的速率，即减小2-27个计数。当K=0时，计数器140就不再减小。在减量功能中所实行的分数式的减小，即A←A-1/N，是通过数据流中每隔N个数据块来减小计数器而进行的。

本发明的第二种实施方案是根据图200来操作的，当穿过接口单元20的数据流中发生误码的时候就增加A，并根据由A的当前数值所确定的速率来减小A，由此提供了A和E之间的对数关系，而A提供了数据流内误码率的对数测量值。由于是对数测量，第二种实施方案能够为数据流中发生的误码提供231的大的动态测量量程；231的测量量程对应于1比20亿，比起传统的误码率监测器而言，这提供了一个显著扩大了的量程。此外，相对于许多传统的误码率监测器而言，上述的配置10和本发明的第二种实施方案描述了一种更为简单的电路安排。

在形式上，图200对应于一种计算机算法的流程图。发明人意识到，除了象附图1中所示那样以硬件来实现本发明，也有可能用能够对数据流进行采样并从中确定每个数据块的误码计数的高速微处理器的形式来予以实现。当本发明用微处理器中执行的软件来实现以便提供在相对大的动态量程上测量误码发生的技术效果时，配置中的计数器30和40、复用器50、移位寄存器60和与门70是利用微处理器内的存储器、寄存器和累加器来完成的。对本发明进行这样的软件实现可以使得当“结果输出代码”增加时，输出P以除了指数关系之外的某种方式增加，譬如是“结果输出代码”的平方、立方或者四次方。然而，只有当计数器40(或者其软件等效模块)减小的速率相对于“结果输出代码”的增加而言以超过线性的速率增加时，本发明才能够提供其扩大了动态量程的优点。

可以理解，能够在不脱离本发明的范畴的条件下对前面所述的本发明的实施方案进行修改。举例来说，能够对实施方案中所用到的计数器和复用器的比特宽度(或者其软件等效模块)进行变动，以便适合于特定的误码测量量程。此外，本发明的实施方案能够以单片集成电路的形式予以实现，而这种电路能够被包含到通信系统、无线链路、计算机网络以及类似具有大量数据流过而需要进行误码监测的设备中去。譬如说，在包含了多条通信路径的通信系统中，根据本发明的误码率监测器能够被用于每条路径，以便对流过这些路径的数据流相关联的误码率进行监测。如果这些路径中的一条，也就是有可能出故障的路径，表现出与其它路径不一样的误码率，那么系统可以选择性的把数据流从这条有可能出了故障的路径转移到别的路径上去，由此保证系统的可靠运行，并由此使系统的用户获得高标准的服务。

Claims (11)

1．一种用于测量数据流中误码发生率的误码率监测器(10)，监测器(10)的特征在于它包含：

(a)用于接收数据流并对其进行分析以识别误码何时发生于其中的误码检测装置(20)；

(b)用于对该检测装置所识别的误码进行累计以提供累积误码计数的计数装置(30)；和

(c)用于根据误码计数的数量以一定速率来减小误码计数的减量装置(40,50,60,70)，

减量装置(40,50,60,70)能够用于以一定的速率来减小误码计数，此速率相对于误码计数的数量的增加而言其增长高于线性，由此，该误码计数提供了数据流中误码率的一种指示。

2．根据权利要求1的监测器(10)，其特征在于，其中减量装置(40,50,60,70)减小误码计数的速率相对于误码计数数量的增加而言基本上是指数式地增长，由此为监测器(10)提供了一种相对于数据流中所发生的误码而言基本上是对数式的响应。

3．根据权利要求1或2的监测器，其特征在于，其中数据流被分割成数据块，每个决都包含与其相关的能够被误码检测装置用来确定该块中所发生的误码的开销信息。

4．根据权利要求3的监测器，其特征在于，其中计数装置(30)和减量装置(40,50,60,70)是把时钟校准在根据误码检测装置(20)接收数据块的速率而决定的速率上。

5．根据权利要求1、2、3或4的监测器，其特征在于，其中检测装置(20)、计数装置(30)和减量装置(40,50,60,70)是以执行软件的处理装置的形式来实现的。

6．根据权利要求1、2、3或4的监测器(10)，其特征在于，其中误码监测装置(20)包含一组能够用于检测数据流中的误码的逻辑门，计数装置(30)包含用于对检测装置(20)所检测到的误码进行计数并提供计数输出的加/减计数器(30)，而减量装置(40,50,60,70)包含二进制计数器(40)和复用器(50)来提供数据，用于根据计数输出的数量而减小加/减计数器(30)，从而使得计数输出能够指示数据流中的误码率。

7．根据权利要求6的监测器(10)，其特征在于，其中加/减计数器(30)是一个4比特加/减计数器，二进制计数器(40)是一个16比特二进制计数器，而复用器(50)是一个16比1的复用器。

8．根据权利要求6或7的监测器(10)，其特征在于，其中加/减计数器(30)的计数输出端连接到复用器(50)的地址输入端来选择二进制计数器(40)的计数输出，以便用于产生减小加/减计数器(30)的数据。

9．一种包含能够用来传输各自数据流的通信路径的通信系统，其中一条或多条通信路径各自包含一个根据前面任意一项权利要求的用于监测该路径上的误码率的监测器(10)。

10．根据权利要求9的系统，其特征在于，能够把数据流从那些其相关联的监测器检测到过高的误码率或误码发生的通信路径转移开。

11．一种采用了根据权利要求1到8中任意一项的监测器(10)来测量数据流中所发生的误码的方法，该方法包含如下步骤：

(a)检测数据流中误码的发生；

(b)当数据流中发生误码时增加监测器(10)的计数装置(30)中的累积误码计数；

(c)以根据误码计数的数量而定的速率来减小误码计数；以及

(d)重复步骤(a)到(c)直至完成对误码发生的监测，而该误码计数则指示了数据流中的误码发生率。

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