Documento técnico
Visão geral de QAM e fundamentos de solução de problemas
para novos operadores de rede digital a cabo
Os sinais QAM (digital quadrature amplitude modulation) são um desafio complexo para média dos técnicos
de cabo Este artigo examina o QAM e trata dos fundamentos para a compreensão da tecnologia QAM. Também
discutiremos os tipos de falhas que causam problemas digitais e explicaremos o que procurar ao fazer testes.
Depois, examinaremos as ferramentas que são usadas para encontrar essas falhas.
Como o QAM é criado?
No modem de voz tradicional, tons são usados para representar uns e zeros. Tons baixos representam zeros e tons
altos representam uns. No QAM, em vez de tons, uns e zeros são representados como a soma de dois sinais em
fase ou fora de fase com um clock. Os dois sinais são chamados de I (in-phase) e Q (quadrature). No QAM, o sinal
Q é 90 graus defasado do clock. Os sinais I e Q têm níveis diferentes, cada um de seus níveis definidos pelos bits,
como mostrado na figura 1. Cada ciclo do clock codifica 6 ou 8 bits, 26 ou 28, portanto 64 ou 256 combinações
são possíveis. Assim, diferentemente de um modem simples tradicional que codifica um bit por clock, o QAM
64 codifica 6 bits por clock e o QAM 256 codifica 8 bits por clock. Esta técnica permite a transmissão de muito
mais informações no mesmo intervalo de tempo.
Figura 1. No QAM 256, 8 bits definem o nível de I e Q para cada ciclo do clock, com dois dos bits definindo um multiplicador menos um. No QAM 64, 6
bits são usados.
Um sinal QAM a qualquer ciclo dado do clock é descrito por sua amplitude e fase em relação ao clock. Os
bits mostrados na figura 1 não são necessariamente b0=LSB (bit menos significativo) e b7=MSB (bit mais
significativo). Na verdade, uma quantidade considerável de embaralhamento, codificação e filtragem de dados
ocorre em um modulador QAM, o que está muito além do escopo deste documento. Antes que os bits sejam
modulados em RF, I e Q são modulados em amplitude e fase pelos 6 bits (6 bits no QAM 64, 8 bits no QAM 256).
As formas de onda do clock, I e Q, a qualquer ciclo de clock dado, podem parecer com a figura 2.
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Figura 2. A cada ciclo do clock, I e Q são somados e transmitidos para o receptor, onde são separados e depois plotados em uma grade (veja a
figura 3). Ruído e imperfeições na instalação coaxial causam ondulações e distorção em I e Q, entre outras coisas, causando erros no receptor.
No modem a cabo ou STB (set top box) ou instrumento de DTV (televisão digital), o sinal QAM deve ser
modulado e convertido de volta a seus componentes I e Q. Para isso, o clock deve ser extraído (outro assunto
fora do escopo deste documento). Depois de ser extraído, em cada borda de subida do clock recuperada, o I e o
Q são ‘clocked’ em um circuito realizando o inverso do mostrado na figura 1, mostrado de forma simples aqui
na figura 3.
Figura 3. No STB, modem a cabo ou instrumento de teste, clock, I e Q são recuperados da portadora de RF. Além disso, fatiamento corrige erros
moderados nos sinais I e Q.
O conceito essencial na figura 3 é que o circuito receptor utiliza um algorítimo de fatiamento que tenta limpar I
e Q. O algorítimo difere entre os vários fabricantes de chip QAM. Mais discussão sobre essa questão crítica mais
adiante.
Pense nos símbolos, o conjunto de bits transmitidos pelo sinal QAM, como caindo em uma grade de baldes.
O I e Q atribui o símbolo a um balde quando ele é transmitido do headend, e o dispositivo receptor o coloca no
balde correto. Para cada ciclo de clock, um símbolo é colocado em um balde. A grade de baldes é um acúmulo
constante de ciclos de clock e, como I e Q devem ter amplitudes discretas (4 níveis I e 4 níveis Q no QAM 64, 4
níveis no QAM 256), o primeiro ciclo de clock plotaria como o mostrado na figura 4.
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O que acontece com I e Q?
Como I e Q são modulados no headend e depois
transmitidos até o cabo, falhas na instalação podem
causar sua deterioração. Quando vales (suck-out),
reflexões e outras imperfeições que alteram a resposta
de frequência ocorrem, o receptor reconstitui
amplitudes incorretas. A técnica de Equalização
Adaptativa (EQ) remove tais tipos de interferência.
Quando ingresso, interferência coerente e outros efeitos
de modulação vazam para dentro da instalação, a fase e
a amplitude de I e Q podem ficar alterando ou mudar
de direção. O fatiamento corrige pequenas variações
de fase e amplitude, mas apenas dentro do razoável.
Grandes variações que não podem ser corrigidas fazem
o símbolo cair no balde errado, causando erros de bit.
Figura 4. Plotando um ciclo de clock no balde apropriado.
Dependendo do chip de modulação usado, símbolos
que caem no espaço entre dois funis podem ser
identificados corretamente e re-roteados para o
balde certo ou podem ser colocados no balde errado,
causando erros. Erros de bit usualmente são chamados
de BER (bit error rate) e podem ser corrigidos pelo
processo FEC (forward error correction), desde que
o erro não seja grave demais. Erros de bit que ocorrem
antes do FEC são chamados de erros pré-BER e os que
ocorrem após o FEC são chamados de pós-BER.
O que é BER e FEC?
Figura 5. Fatiamento mostrado conceitualmente como um funil e um
balde. Pontos, símbolos caem conceitualmente através do funil e são
colocados no centro do balde. Ocorrem problemas com símbolos que
transbordam de funis adjacentes.
BER é uma velha técnica de caracterizar o meio de
transmissão digital. No passado, dois componentes
eram usados para medir o BER, um transmissor
e um receptor. O transmissor lançava padrões de
bits conhecidos pelo caminho até o receptor, que
correlacionava os erros de transmissão ao BER. Esses
sistemas de teste de BER eram usados para qualificar
um novo caminho. Os sistemas de BER se destinavam a
ficar online durante dias para determinar o verdadeiro
BER. Quando os sinais digitais apareceram em cabo
pela primeira vez, os operadores viram o BER como a
maneira de caracterizar seu caminho. Infelizmente, os
operadores de cabo não podem tirar um canal digital
de operação durante dias para testar a sua qualidade.
Assim, os fabricantes de circuito integrado (CI)
embutiram ferramentas de diagnóstico em seus chips
para permitir a leitura de estatísticas de FEC.
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Figura 6. Conceito de um receptor QAM mostrado com resultados de teste de QAM no MSQ.
Na figura 6, depois do sinal QAM ser demodulado, os sinais I e Q contêm todas as informações e erros gerados
durante a transmissão. Os sinais I e Q são roteados através do fatiador para tomar uma decisão difícil sobre o
símbolo (lembre-se do funil da figura 5). Esses sinais pós-fatiados ou I e Q ajustados, I* e Q*, passam então pelo
FEC. Saber que a decisão removeu todos os erros até um sinal I e Q cruzar a fronteira de um símbolo, nos diz que
o FEC não começa a funcionar até o MER (modulation error ratio) atingir uma qualidade insatisfatória.
O FEC também funciona quando os símbolos estão em código Gray, o que significa que qualquer símbolo
adjacente só alterará o valor de um bit do símbolo inteiro quando o MER se tornar alto o suficiente para cruzar a
fronteira para a célula adjacente. O entrelaçamento distribui aleatoriamente os erros por toda a transferência de
dados, de forma que se um bloco de erros ocorrer, nem todos os dados sejam perdidos. Após o entrelaçamento,
o símbolo é aplicado à codificação Trellis e ao FEC Reed Solomon (R-S), como mostrado na figura 7. O FEC
pode acomodar até 3 símbolos de erro por bloco de 128.
Outro método que os fabricantes de chip usam para melhorar a recepção de sinais é a equalização adaptativa
(EQ). EQ remove erros constantes, como atraso de grupo e resposta em frequência. Sem EQ, o MER seria muito
pior e causaria mais erros de bit. Como esses erros são removidos, aumenta ainda mais a capacidade de corrigir
o BER.
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Codificação FEC
Codificador Reed
Solomon
Entrelaçador
Randomizador
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Decodificação FEC
Codificador Trellis
Canal
Decodificador
Trellis
Desrandomizador
Desinterleaver
Decodificador Reed
Solomon
Camada Trellis
Camada de randomização
Camada de entrelaçamento
Camada Reed Solomon
Figura 7. Os processos envolvidos na codificação e decodificação de FEC de um sinal QAM.
Entendendo os testes de BER
Para um técnico de campo novo, o BER pode parecer difícil de entender. Como a figura 8 mostra, o BER é
exibido em notação científica, como 1E-06, o que pode parecer contrário ao que seria intuitivo, pois um número
menor é melhor. Essencialmente esse número menor, ou um número negativo maior, significa que para um
determinado número de bits testados um número menor de erros ocorreu. Onde 1E-6 significa que 1 erro
ocorreu para cada milhão de bits testados (1E-06 = 1/1.000.000) e 1E-8 significa que apenas 1 erro ocorreu para
100 milhões de bits (1E-08 = 1/100.000.000). Apesar da complexidade inicial do BER para os técnicos de cabo, o
BER se tornou um dos testes obrigatórios para a certificação de qualidade de sinal em redes QAM.
Figura 8. Resultados dos testes de BER em notação científica.
Embora seja um indicador popular de qualidade de sinal, o
BER é, frequentemente, testado de forma incorreta Como
exigem vários milhões de bits de dados, os testes de BER levam
tempo para ser realizados. O QAM (64/128/256) e a taxa de
símbolos usada determinam, em última instância, a duração
do teste de BER. Um QAM mais complexo significa mais
dados transmitidos em determinado período de tempo, e os
usuários têm de esperar mais tempo para um teste de BER ser
realizado no QAM 64 do que no QAM 256. Como existem
taxas de símbolos padronizadas para QAM Anexos B e C, é
fácil usá-los como exemplos. Para QAM 64 Anexo B, a taxa de
símbolos é 5,0569 Msps (milhões de símbolos por segundo) e
cada símbolo tem 6 bits. Técnicos que queiramtestar o BER
para 1E-8 (erros em 100 milhões de bits) devem esperar que o
STB ou o equipamento de teste recebam 100 milhões de bits.
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Isso é calculado dividindo 100 milhões de bits por sua taxa de transmissão de 30,34 Mb/s. A taxa de transmissão é
determinada pela sua taxa de símbolo vezes o número de bits por símbolo, neste caso, 5,0569 Msps vezes 6 bits por
símbolo, o que significa esperar aproximadamente 3,3 segundos para realizar o teste adequadamente. No QAM
256 Anexo B, 5,3605 Msps vezes 8 bits/símbolo é igual a 42,88 Mb/s, esse tempo de espera é ligeiramente menor,
2,3 segundos. O teste de BER para 1E-9 aumenta os intervalos de espera em 10 vezes, para 33 segundos para QAM
64 e 23,3 segundos para QAM 256.
Testar individualmente vários canais de QAM em um alinhamento típico de canais durante os períodos de teste
necessários pode gastar muito tempo dos técnicos. Só é possível reduzir o tempo de teste reduzindo os limites de
BER nos canais QAM ou testando menos canais. Entretanto, como os problemas de BER entre 1E-8 e 1E-9 podem
ser bem corrigidos através de FEC, e como a saúde da rede em geral pode ser mais bem determinada testando mais
canais, é melhor reduzir os limites do que reduzir o número de canais.
Entendendo a taxa de erros de modulação
MER é a diferença entre a amplitude média do símbolo e a média de erros de símbolo. Em termos de cabo, o MER
é o equivalente ao SNR (signal to noise ratio). Como acontece com o SNR, o MER pode ser correlacionado a
distorções no sistema. Entretanto, diferentemente do SNR, o MER não depende do contexto. Como o sinal QAM
está sendo modulado com um sinal digital, o ruído no vídeo é digitalizado antes de I e Q chegarem ao modulador.
Os técnicos podem assim ter certeza de que o MER medido no campo é causado por algum componente no
campo.
Entendendo os testes de MER
Figura 9. MER é a razão entre o vetor de erro e a magnitude de vetor
desejada, o que é determinado pela comparação dos valores brutos de
I-Q (erros) com os valores I*-Q* (desejados).
Como o teste de MER é similar aos testes de SNR no
canal analógico, os técnicos devem também entender
que os problemas com o MER são, na verdade,
causados por níveis mais baixos de potência. Os sinas
QAM degradam-se à media que o nível de potência
do sinal se degrada abaixo de um determinado limite.
Esse é o limite em que o receptor não consegue mais
distinguir entre o sinal QAM e o piso de ruído de HFC
(Hybrid Fiber Coax). Para ajudar a distinguir entre as
imperfeições reais e os problemas de nível de potência,
os técnicos devem realizar uma medição de nível
digital médio, como mostra a figura 10. Os níveis de
potência no equipamento das instalações do usuário
devem ser em torno de 60 dBµV (0dBmV). Os técnicos
podem ter certeza de que outra coisa, não a atenuação,
está causando os problemas se o nível estiver bom, mas
o MER continuar inadequado.
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Figura 10. Como o MER pode ser atribuído a resultados insatisfatórios nos níveis de potência, os técnicos devem verificar se o nível de potência de
QAM está adequado antes de procurarem outros problemas.
Além disso, o MER como o BER, podem variar entre os vários chips de demodulação que é o que acontece
porque os fabricantes de IC melhoraram ao longo dos anos com algoritmos de cancelamento de ruído e aumento
do número de derivações usadas na demodulação do sinal QAM. Os chips com os maiores cancelamentos de
ruido e os menores pisos de ruído fornecem aos operadores os mais altos valores de MER, o que não significa
que seja desnecessário testar o MER; ao contrário, o MER serve como um indicador muito bom de problemas
contínuos no caminho QAM apesar dos métodos complexos usados para remover ruído do vídeo. O MER é
especialmente útil para identificar ruído na portadora QAM que interfere constantemente no sinal. Como
mostra a figura 11, o MER é uma medida média que tem a tendência de eliminar imperfeições de ruído
impulsivo da sua medida; entretanto, uma fonte constante de ruído, como uma portadora off-air, pode causar a
degradação dos valores de MER.
Figura 11. O MER é calculado como medida média, o que é melhor para revelar fontes de ruídos consistentes
Um modulador QAM nominal tem um MER inerente maior que 37 dB. A saída de um nó de fibra deve manter
essa qualidade de sinal. A figura 12 mostra os valores de MER típicos que você deve tentar conseguir no seu
sistema. Baseado nos valores de CNR (carrier-to-noise ratio) em canais analógicos de 47 dB no terminador, com
um deferencial de 10 dB entre os canais analógicos e de QAM, o MER deve ser >37 dB. Ao fazer testes em campo,
é bom saber que níveis de MER esperar. Como norma, o QAM 64 pára de funcionar a um MER de cerca de
22 dB e o QAM 256 requer, pelo menos, 28 dB. Para garantir que os serviços digitais funcionem com qualquer
temperatura e tempo, os técnicos devem garantir uma margem suficiente para evitar futuras chamadas de
serviço em dias extremamente frios ou quentes.
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Figura 12. Resultados recomendados de testes de MER e BER com base na localização de teste para vídeo digital.
Conclusão
Os principais conceitos a serem lembrados dizem respeito à compreensão do que realmente são sinais QAM
e como determinar a qualidade de QAM:
• BER é um teste de certificação que pode ser corrigido com FEC quando ocorrem problemas de sinal
QAM. BER pode ter valores ligeiramente diferentes nos diversos chipsets e os algoritmos neles usados
para corrigir os valores I e Q. Compreenda que pré-BER é essencialmente uma indicação bruta do
desempenho de HFC e o pós-BER indica o nível em que FEC está funcionando para corrigir problemas.
Lembre-se de que os testes de BER não são realizados rapidamente, como acontece com as medições de
nível ou mesmo de MER, e que podem variar com base no tipo de QAM e taxas de símbolo usadas.
• MER é útil para identificar ruído contínuo no caminho coaxial, quer como resultado de níveis de
potência baixos, portadoras off-air ou interferência consistente de motor elétrico. Os valores aceitáveis
de MER dependem do tipo de QAM usado. Sinais de QAM modulados mais altos exigem níveis de
MER mais altos para funcionar bem.
A maior parte da interferência digital ou dos padrões de distorção podem ser corrigidos usando-se
ferramentas que medem canais QAM com medidas de nível digital médio, MER e BER, como um MSQ ou
DSAM oferecido pela JDSU.
Vendas regionais de testes e medições
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AMÉRICA LATINA
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