میزان خطای بیت یا BER چیست؟

نرخ خطای بیت یعنی نرخ خطاهایی که در سیستم انتقال رخ می‌دهد. در واقع BER یعنی تعداد خطاهایی که در تعداد مشخصی بیت رخ می‌دهد.

قبل از اینکه به تعریف BER بپردازم، تعریف مختصری از Data Channel ارایه می‌دهم. Data Channel به مسیر کامپیوتری گفته می‌شود که برای انتقال اطلاعات از دستگاهی به دستگاه‌های دیگر استفاده می‌شود و می‌تواند کابلی یا بی‌سیم باشد. حالا بیایید BER یا Bit Rate Error را تعریف کنیم: BER، پارامتر اصلی برای اندازه‌گیری کارایی Data Channel است.

میزان خطای بیت به عنوان پارامتری مهم در مشخص کردن کارایی Data Channel است.

پارامتر اصلی هنگام انتقال داده از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر، این است که چند خطا در داده‌ای که به مقصد می‌رسد وجود دارد، حال این انتقال یا از طریق لینک بی‌سیم و رادیویی است یا لینک مخابراتی کابلی.

تا حد زیادی میزان خطای بیت برای هر نوع اتصالی؛ از لینک‌های فیبر نوری گرفته تا ADSL، بی سیم، ارتباطات سلولار، لینک‌های loT و سایر موارد مناسب خواهد بود.

اگرچه ممکن است Data Channel برای در نوع‌های انواع متفاوتی از تکنولوژی استفاده شوند، اما ارزیابی اولیه نرخ خطای بیت دقیقا یکسان است.

اصول نرخ خطای بیت

زمانی که داده‌ها از طریق Data Channel منتقل می‌شوند، امکان ایجاد خطا در سیستم وجود دارد. اگر خطاها وارد داده‌ها شوند، درنتیجه یکپارچگی سیستم در معرض خطر قرار خواهد گرفت.

تخمین و ارزیابی کارایی سیستم، کار مهمی است و BER، راهکار ایده‌آلی برای رسیدن به این هدف است.

برخلاف سایر روش‌های ارزیابی، نرخ خطای بیت تمام کارایی‌های یک سیستم که شامل انتقال، دریافت و سخت‌افزار رابط بین هردوی این‌هاست را ارزیابی می‌کند. به این ترتیب، میزان خطای بیت، به جای تست اجزای سازنده، کارایی واقعی یک سیستم در حال اجرا را تست می‌کند، به امید اینکه که در زمان مناسب به‌خوبی عمل کنند.

تعریف نرخ خطای بیت

همانطور که از نامش پیداست، نرخ خطای بیت یعنی نرخ خطاهایی که در سیستم انتقال رخ می‌دهد. در واقع BER یعنی تعداد خطاهایی که در تعداد مشخصی بیت رخ می‌دهد. این تعریف را در یک فرمول ساده می‌توان نشان داد:

BER=Errors/Total Number of Bits

اگر رسانه بین فرستنده و گیرنده، خوب باشد و نسبت سیگنال به نویز بالا باشد، BER بسیار کوچک خواهد بود که به احتمالا تاثیر قابل توجهی روی تمام سیستم ندارد. با این حال اگر نویزی تشخیص داده شود، لازم است نرخ خطای بیت درنظر گرفته شود.

دلیل اصلی افت Data Channel و نرخ خطای بیت مربوط به آن، نویز است که در مسیر پخش (Propagation Path)  تغییراتی ایجاد می‌کند. (مسیر پخش، مسیرهایی است که سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کنند).

برای سیستم‌های فیبر نوری، خطاهای بیت نتیجه‌ی نقص در مولفه‌های استفاده شده برای ایجاد لینک است. این مولفه‌ها شامل درایورهای نوری، گیرنده‌ها، اتصالات و خود فیبر است. خطاهای بیت می‌تواند نتیجه‌ی تجزیه نوری و پیامدهای حاصل از آن نیز باشد. نویز می‌تواند در خود گیرنده‌های نوری هم ایجاد شود. معمولا این‌ها فوتودیود و آمپلی فایرهایی هستند که به تغییرات بسیار کوچک پاسخ می‌دهند و نتیجه آن ایجاد نویز در سطوح بالا است.

عامل دیگر موثر بر  خطاهای بیت، Phase Jitter است که در سیستم ایجاد می‌شود و می‌تواند Data Sampling را تغییر دهد. (Data Sampling تکنیکی برای آنالیز داده است.)

نسبت سیگنال به نویز و ارقام Eb/No پارامترهایی هستند که بیشتر با لینک‌های رادیویی و سیستم ارتباطات رادیویی در ارتباط هستند. از این رو، میزان خطای بیت می‌تواند به صورت احتمال خطا (probability of error) و یا POE هم تعریف شود. با این  تعریف ۳ متغیر دیگر استفاده می‌شود:

1. تابع خطا – (Error Function (erf
2. انرژی موجود در یک بیت (Eb)
3. No، چگالی طیفی قدرت نویز (قدرت نویز در پهنای باند ۱ هرتز)

مهم است که بدانید PEO با E_b / N_o متناسب بوده و E_b / N_o فرمی از نسبت سیگنال به نویز است.

امکان تعریف میزان خطای بیت (BER) با توجه به احتمال خطا (BER) وجود دارد.

POE=1/2 (۱−erf)

با توجه به نسبت Eb / No، چند عامل می‌تواند بر میزان خطای بیت تاثیر گذارد. با تغییر متغیرهای قابل کنترل، ممکن است سیستم بهینه شود و سطوح کارایی مورد نیاز فراهم شود. این بخش معمولا در مراحل طراحی سیستم انتقال داده انجام می‌شود تا پارامترهای کارایی در مرحله اولیه طراحی تنظیم شود.

• تداخل امواج: سطوح تداخل امواج موجود در سیستم معمولا با عوامل خارجی تنظیم می‌شود و با طراحی سیستم هم تغییر نمی‌کند. تنطیم پهنای باند سیستم ممکن خواهد بود و با کاهش پهنای باند، سطح تداخل امواج کاهش می‌یابد اما کاهش پهنای باند، توان عملیاتی داده‌های دریافتی را محدود می‌کند.
• افزایش قدرت فرستنده: امکان افزایش سطح قدرت سیستم وجود دارد و در نتیجه، قدرت هر بیت (POE) هم افزایش یابد. باید با توجه با عوامل زیر میزان آن را تعیین کرد:
• سطوح تداخل امواج با دیگر کاربران
• تاثیر افزایش خروجی برق بر اندازه آمپلی‌فایر، مصرف کل برق و عمر باتری و …
• کاهش پهنای باند: رویکرد دیگری که برای کاهش میزان خطای بیت استفاده می‌شود، کاهش پهنای باند است. سطح نویز دریافتی، پایین‌تر است و نسبت سیگنال به نویز هم بهبود خواهد یافت. همان طور که قبلا گفتیم، این امر موجب کاهش توان عملیاتی داده هم می‌شود.
• نوسان کمتر: می‌توان از طرح‌های Order Modulation کمتر استفاده کرد اما برای این کار باید از توان عملیاتی داده، هزینه کنید.

برای رسیدن به میزان خطای بیت رضایت‌بخش، باید تمامی عوامل موجود را تنظیم کنیم اما معمولا برطرف کردن تمام نیازها ممکن نیست و باید سبک و سنگین کرد.

حتی با مقدار خطای بیت کمتر از آنچه که به صورت ایده آل وجود دارد، برای بهبود سطوح اصلاح خطا (Error Correction) که در انتقال داده مطرح است، می‌توان راهکارهایی استفاده کرد. هر چند که داده‌های افزونه بیشتر، باید با سطوح بالاتر اصلاح خطا ارسال شود تا تاثیرات هر بیت خطایی که رخ می‌دهد، کم شود و در کل، میزان خطای بیت را بهبود دهد.

پارامتر میزان خطای بیت، BER، برای اغلب ارتباطات سیستمی بیان می‌شود و پارامتری کلیدی است تا تعیین شود چه پارامترهای لینکی باید استفاده شود؛ همه چیز، از برق گرفته تا نوع نوسان.

منبع: electronics-notes.com