Investigación de SyntheSys

El análisis de localización de errores se convirtió en una técnica fundamental para diagnosticar problemas con las comunicaciones digitales al identificar la ubicación precisa de los errores de bits durante una sesión de prueba de tasa de error de bits. La prueba fundamental de tasa de error de bits se realiza comparando un flujo de bits comunicado con un flujo de bits de referencia (correcto). Los bits correctos pueden almacenarse en un dispositivo de memoria o sintetizarse en tiempo real a medida que se recibe el flujo de bits comunicado. Es común que estos flujos de bits contengan patrones de secuencia binaria pseudoaleatoria que permiten una fácil sincronización con solo unos pocos bits consecutivos recibidos correctamente. Esta característica de autosincronización de los patrones PRBS los hace ideales para las pruebas BERT. Los dispositivos BERT tradicionales poseen generadores que producen flujos de bits de prueba para la salida y detectores que reciben flujos de bits de prueba y cuentan la cantidad de bits recibidos y la cantidad de discrepancias entre los flujos de bits recibidos y de referencia. Usando la fórmula simple,

BER = Número de errores / Número de bits transmitidos ,

Se calcula la tasa de error de bits (BER). El análisis de localización de errores amplía estas características fundamentales mediante un dispositivo de memoria de hardware que almacena el valor del contador de bits recibidos cada vez que se detecta un error de coincidencia. Esto genera un flujo de localizaciones de errores que se procesan en tiempo real o se almacenan para su posterior procesamiento. SyntheSys Research desarrolló diversos algoritmos de procesamiento estadístico, creando un conjunto completo de herramientas para el análisis de localización de errores.

Herramientas de análisis de localización de errores:

• BER básico
• Estadísticas de BER de ráfaga
  • Defina una ráfaga utilizando los parámetros "Intervalo mínimo libre de errores" y "Longitud mínima de la ráfaga".
• Histograma de duración de ráfaga
• Histograma de intervalos sin errores
• Histograma de errores módulo N
• Histograma de activación de hardware externo del módulo de errores
• Histograma de sensibilidad a patrones
• Mapeo de errores 2D
• Codificación de corrección de errores simulada
  • Defina una arquitectura hipotética de corrección de errores multidimensional de Reed-Solomon para que actúe como filtro y visualice todos los demás análisis después de que se eliminen los errores corregibles del flujo de ubicación de errores.

Una de las primeras aplicaciones del mapeo de errores 2D se aplicó a los errores registrados por un dispositivo de grabación digital de escaneo transversal fabricado por Ampex Corporation. La imagen de escaneo de medios adjunta demuestra que la ubicación de los errores es clave para reconocer que múltiples síndromes que producen errores ocurren simultáneamente y afectan la tasa total de errores de bits experimentada durante la sesión de grabación de prueba.

Esta técnica se describe en la patente estadounidense US6636994 B1 ^{[ 1 ].}

La capacidad de posicionar una señal de datos con respecto a una señal de reloj con alta resolución y precisión es fundamental en un BERT. Esta función se utiliza en la salida de un generador de datos para asegurar que el flanco ascendente de la señal de reloj coincida con el centro de la ventana de bits de la señal de datos, dado que ambas señales utilizan cableado y enrutamiento diferentes y pueden estar desalineadas. Esta capacidad también se utiliza en el receptor de un BERT, donde se emplea un dispositivo de retardo independiente para evaluar la BER cuando la señal de reloj no está perfectamente alineada con el centro de la celda de bits de la señal de datos. A medida que la señal de reloj se acerca a cualquiera de los extremos de la ventana de la celda de bits de datos, la cantidad de errores aumenta, y la pendiente de este aumento depende de la cantidad de fluctuación (jitter) entre las señales de reloj y de datos. Este tipo de análisis se denomina curva de bañera y demuestra el margen de seguridad del sistema. Este es un ejemplo de una prueba de integridad de señal en la capa física, que combina la capacidad de medición de BER con una capacidad precisa de retardo de tiempo.

Existen numerosos circuitos electrónicos que generan retardo, desde pistas de circuitos impresos de distintas longitudes que producen retardo fijo, hasta circuitos controlados por voltaje que producen retardo programable. Es habitual combinar partes fijas y variables con interruptores que activan diferentes componentes según sea necesario. Sin embargo, dependiendo de las tolerancias de fabricación, la temperatura y la velocidad de datos, el retardo obtenido mediante una ruta específica puede variar. Los métodos anteriores para generar retardo implicaban la calibración en fábrica de cada combinación de elementos fijos y variables a todas las temperaturas de funcionamiento y velocidades de datos. Esto proporcionaba datos de ajuste que podían utilizarse para seleccionar y programar los elementos fijos y variables con el fin de lograr el retardo deseado para una condición de funcionamiento determinada.

Los ingenieros de SyntheSys Research, Andre Willis-Poskatcheev, Clint Fincher y Tom Helmers, desarrollaron un subsistema de circuito para medir con precisión el retardo en tiempo real, lo que permite evaluar el retardo exacto en cuestión de segundos para cualquier combinación de elementos fijos y variables en el entorno operativo actual. Esta capacidad resultó ser una ventaja competitiva importante, especialmente al utilizarse para generar diagramas de ojo en señales de alta velocidad.

Esta técnica se describe en la patente estadounidense EP 1560333 A3. ^{[ 2 ]}

Los instrumentos BERT suelen encontrarse cerca de los osciloscopios, ya que se complementan entre sí. El BERT permite determinar si los bits digitales se comunican de forma eficaz, pero si no es así, el osciloscopio permite visualizar la forma de onda analógica subyacente utilizada para dicha comunicación. Es común que problemas analógicos subyacentes, como fluctuaciones de tiempo, ruido de amplitud o tiempos de subida lentos, se traduzcan en errores de bits digitales. A partir del televisor digital DVA184-C, seguido del producto de vídeo de alta definición HDVA-292 y de todos los productos BERT posteriores, los ingenieros de SyntheSys Research integraron la capacidad de mostrar el diagrama de ojo analógico de la señal evaluada.

La principal ventaja de este enfoque es doble. En primer lugar, se utilizan exactamente los mismos circuitos y componentes electrónicos para generar las mediciones de BER que para generar el diagrama de ojo. Esto garantiza la eliminación de las diferencias en la interpretación de la señal por parte de dos circuitos distintos, debido a sus respuestas de frecuencia únicas, y una correlación perfecta entre los resultados de BER y los del diagrama de ojo, lo cual es fundamental e imposible de lograr de otra manera. En segundo lugar, el mecanismo inventado por Tom Waschura para crear el diagrama de ojo utiliza un contador y un comparador de umbral variable (en algunos casos, dos comparadores) para generar la imagen del ojo. Al seleccionar diferentes niveles de umbral junto con ciertos retardos de tiempo, se evalúan los píxeles individuales del diagrama de ojo contando el número de bits que superan el umbral o, en el caso de umbrales duales, que se encuentran entre ambos. Esta capacidad es importante porque la velocidad de evaluación depende de la velocidad de reloj de la transmisión, que suele ser cientos de veces superior a la frecuencia de muestreo de un osciloscopio. Esta es una ventaja importante en las aplicaciones de prueba de integridad de la señal, donde es difícil capturar eventos que ocurren con baja probabilidad.

Basándose en mediciones exhaustivas de una cuadrícula bidimensional, el instrumento BERT fue capaz de realizar mediciones comunes de formas de onda, como el tiempo de subida, la fluctuación, la amplitud, etc.

Esta técnica se describe en la patente estadounidense EP 1315327 A3. ^{[ 3 ]}

Al combinar técnicas de diagramación del ojo con mediciones de BER posicionadas con precisión, Jim Waschura inventó una técnica para recorrer el interior de un diagrama de ojo y ajustar las mediciones a modelos matemáticos que representan las pendientes internas del diagrama para efectos aleatorios y deterministas. Esta técnica es notable porque muchos criterios de rendimiento se definen en términos de la apertura del ojo a un nivel de probabilidad específico (por ejemplo, 1E-12), lo que requiere una cantidad imposible de datos para medir directamente. Esta técnica permite realizar extrapolaciones moderadas para evaluar la apertura del ojo de 1E-12 con mediciones que se obtienen en tan solo unos minutos.

Esta técnica también se convirtió en un medio muy eficaz para comunicar la potencia de la capacidad de diagramación de ojo del BERTScope, ya que demuestra cómo los diagramas de ojo que parecen abiertos al muestrearse a poca profundidad —como los que utilizan los osciloscopios actuales— pueden cerrarse rápidamente si el problema subyacente es un proceso aleatorio como la fluctuación o el ruido. Observe la imagen adjunta y compare la amplitud del diagrama de ojo central con la rapidez con la que se reduce su anchura al aumentar los intervalos de prueba debido a la fluctuación aleatoria y la baja pendiente del contorno que produce.

Durante la transición de analógico a digital que tuvo lugar durante la existencia de SyntheSys Research, los ingenieros emplearon diversas técnicas para evaluar la transmisión digital. La transmisión analógica se caracterizaba por mediciones relativamente sencillas de la forma de onda analógica, como el tiempo de subida, la relación señal-ruido y la respuesta en frecuencia. Sin embargo, la transmisión digital empleaba una codificación sofisticada, corrección de errores y otros mecanismos que podían recrear bits digitales a la perfección incluso si la forma de onda analógica subyacente era deficiente, lo que dificultaba enormemente la obtención de un único parámetro cualitativo para evaluar el rendimiento de la transmisión digital. La tasa de error de bits (BER) era una medida muy útil, pero no se degradaba de forma tan gradual como las mediciones analógicas de la relación señal-ruido. En las comunicaciones digitales, se produce un efecto de umbral, lo que significa que la comunicación suele ser perfecta hasta que falla por completo.

Las primeras pruebas digitales se centraban en el transmisor para asegurar que las características de transmisión de la forma de onda cumplieran con un conjunto estándar de parámetros como el tiempo de subida, la amplitud, la fluctuación (jitter), etc. Se asumía que si la señal se originaba correctamente y se transmitía bien, el receptor la interpretaría adecuadamente y reproduciría los bits correctos. Esto solía complementarse con métodos sencillos de suma de comprobación basados ​​en tramas para que el receptor validara finalmente la tasa de error de bits (BER) de la señal recibida.

Sin embargo, a medida que aumentaban las tasas de transmisión, se hizo importante distribuir el margen de rendimiento del sistema entre el transmisor y el receptor, lo que generó nuevos requisitos para evaluar los receptores en el sistema de comunicaciones. Cada organismo de normalización y grupo de ingenieros abordó este problema de manera diferente. Los primeros estándares de televisión digital fueron los primeros en emplear pruebas con un cable de 100 metros (posteriormente reemplazado por un circuito electrónico llamado clon de cable ) para validar que la señal se recibiera correctamente bajo condiciones de estrés. Ethernet de 10  Gb y otros estándares emplearon circuitos generadores de fluctuación y ruido para degradar electrónicamente la transmisión y producir un ojo estresado para las pruebas. Se volvió crucial contar con múltiples fuentes de diferentes tipos de ruido de amplitud y fuentes de fluctuación moduladas en el dominio del tiempo para producir una combinación calibrada de degradaciones que cerrara el ojo transmitido para las pruebas del receptor, pero la creación de fuentes de fluctuación y ruido calibradas requería una ingeniería compleja que debía reproducirse con exactitud cada vez que se realizaran las pruebas del receptor. En 2005, con la introducción del BERTScope 12500-S, SyntheSys Research proporcionó las primeras fuentes de ojo estresado integradas que ayudaron enormemente a los ingenieros a realizar las pruebas de receptores de ojo estresado más comunes.

Para aumentar las velocidades de datos de los canales de comunicación, se aplican técnicas comunes como la aceleración de las frecuencias de reloj, el aumento de las dimensiones de modulación y la mejora de la eficiencia de codificación. En última instancia, los canales se optimizan tanto que operan al límite de sus limitaciones físicas. En estos casos, la mejora de la fiabilidad se logra mediante la adición de corrección de errores hacia adelante (FEC), también conocida como código de corrección de errores (ECC), que compensa la sobrecarga de transmitir información adicional con la ventaja de poder corregir errores durante la transmisión. Para diseñar estrategias FEC eficientes, es importante conocer el perfil de los errores brutos en el canal subyacente, y el análisis de localización de errores ha demostrado ser muy útil para este propósito. Características como el histograma de longitud de ráfaga ayudaron a los ingenieros a elegir las profundidades de entrelazado FEC, y características como el histograma de errores de bloque indicaron las intensidades de corrección necesarias para una corrección completa.

La función de análisis de localización de errores, destinada a la aplicación FEC, se denominaba Emulación ECC. Mediante esta función, el sistema podía configurarse para generar un análisis de errores completo de un canal de comunicaciones sin procesar, como si tuviera una arquitectura FEC específica en funcionamiento. Las arquitecturas FEC se especificaban configurando el número de filas, columnas y tablas en un hipotético sistema FEC entrelazado tridimensional, junto con la intensidad de la corrección en cada dimensión. El sistema también permitía la monitorización de la actividad de cada capa de capacidad de corrección para observar el margen de seguridad al operar con sesiones de errores sin procesar, tanto en directo como pregrabadas.

Premio a la Mejor Emisión de la Asociación Nacional de Radiodifusores (NAB) 1996 - DVA184C

Premio "Elección del Programa" de la Asociación Nacional de Radiodifusores 1998 - HDVA292

Premio "Elección del Programa" de la Asociación Nacional de Radiodifusores 1999 - HDSG292

Premio DesignCon DesignVision 2006 - Recuperación de reloj BERTScope CR12500

Premio DesignCon DesignVision 2009 - Preprocesador de desacentuación BERTScope DPP12500A

Premio a la Innovación en Diferenciación de Productos de Frost & Sullivan 2005 - BERTScope ^{[ 5 ]}

Premio a la mejor solución de soporte de la Network Systems Design Conference 2005: BERTScope S con opción de datos en tiempo real. ^{[ 6 ]}

Finalista de los 20º Premios Anuales a la Innovación de EDN 2010: BERTscope 12500A para Ethernet de 100 Gbit/s ^{[ 7 ]}