อัตราข้อผิดพลาดบิตหรือ BER ใช้เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการกำหนดลักษณะประสิทธิภาพของช่องข้อมูล

เมื่อส่งข้อมูลจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ไม่ว่าจะผ่านลิงก์วิทยุ/ไร้สายหรือลิงก์โทรคมนาคมแบบมีสาย พารามิเตอร์สำคัญคือจำนวนข้อผิดพลาดที่จะปรากฏบนข้อมูลที่ปรากฏในปลายทาง

เนื่องจากอัตราข้อผิดพลาดบิต BER จึงสามารถนำไปใช้ได้กับทุกอย่าง ตั้งแต่ลิงก์ไฟเบอร์ออปติก ไปจนถึง ADSL, Wi-Fi, การสื่อสารแบบเซลลูลาร์, ลิงก์ IoT และอื่นๆ อีกมากมาย

แม้ว่าลิงก์ข้อมูลอาจใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกันมาก แต่พื้นฐานของการประเมินอัตราข้อผิดพลาดบิตนั้นเหมือนกันทุกประการ

อัตราข้อผิดพลาดบิต BER พื้นฐาน

เมื่อข้อมูลถูกส่งผ่านลิงก์ข้อมูล อาจมีความเสี่ยงที่จะเกิดข้อผิดพลาดในระบบ หากเกิดข้อผิดพลาดในข้อมูล ความสมบูรณ์ของระบบอาจลดลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องประเมินประสิทธิภาพของระบบ และอัตราความผิดพลาดบิต (BER) ถือเป็นวิธีการที่เหมาะสมที่สุดในการบรรลุผลดังกล่าว

ซึ่งแตกต่างจากการประเมินรูปแบบอื่นๆ มากมาย อัตราความผิดพลาดบิต (BER) ประเมินประสิทธิภาพการทำงานแบบ end-to-end ของระบบ ซึ่งรวมถึงตัวส่ง ตัวรับ และตัวกลางระหว่างทั้งสองระบบ ด้วยวิธีนี้ อัตราความผิดพลาดบิต (BER) ช่วยให้สามารถทดสอบประสิทธิภาพการทำงานของระบบจริงได้ แทนที่จะทดสอบเฉพาะส่วนประกอบต่างๆ แล้วคาดหวังว่าจะทำงานได้อย่างน่าพอใจเมื่อติดตั้งใช้งาน

คำจำกัดความของอัตราข้อผิดพลาดบิต BER

ตามชื่อเรียก อัตราความผิดพลาดบิต หมายถึง อัตราที่เกิดความผิดพลาดในระบบส่งสัญญาณ ซึ่งสามารถแปลได้โดยตรงเป็นจำนวนความผิดพลาดที่เกิดขึ้นในสตริงที่มีจำนวนบิตตามที่กำหนด นิยามของอัตราความผิดพลาดบิตสามารถแปลเป็นสูตรง่ายๆ ได้ดังนี้

‍

หากสื่อระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับมีคุณภาพดี และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง อัตราข้อผิดพลาดบิตก็จะน้อยมาก ซึ่งอาจไม่มีนัยสำคัญและไม่มีผลกระทบที่เห็นได้ชัดต่อระบบโดยรวม อย่างไรก็ตาม หากสามารถตรวจจับสัญญาณรบกวนได้ ก็มีโอกาสที่จำเป็นต้องพิจารณาอัตราข้อผิดพลาดบิต

สาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพของช่องสัญญาณข้อมูลและอัตราความผิดพลาดบิตที่สอดคล้องกัน (BER) คือ สัญญาณรบกวนและการเปลี่ยนแปลงเส้นทางการแพร่กระจาย (ในกรณีที่ใช้เส้นทางสัญญาณวิทยุ) ผลกระทบทั้งสองมีองค์ประกอบแบบสุ่ม คือ สัญญาณรบกวนตามฟังก์ชันความน่าจะเป็นแบบเกาส์เซียน ขณะที่แบบจำลองการแพร่กระจายตามแบบจำลองเรย์ลีห์ ซึ่งหมายความว่าการวิเคราะห์คุณลักษณะของช่องสัญญาณมักจะดำเนินการโดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ทางสถิติ

สำหรับระบบใยแก้วนำแสง ความผิดพลาดของบิตส่วนใหญ่เกิดจากความไม่สมบูรณ์ของส่วนประกอบที่ใช้สร้างลิงก์ ซึ่งรวมถึงไดรเวอร์ออปติคัล ตัวรับ ขั้วต่อ และตัวใยแก้วนำแสงเอง ความผิดพลาดของบิตอาจเกิดจากการกระจายแสงและการลดทอนสัญญาณ นอกจากนี้ สัญญาณรบกวนอาจเกิดจากตัวรับออปติคัลเอง โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์เหล่านี้อาจเป็นโฟโตไดโอดและแอมพลิฟายเออร์ ซึ่งจำเป็นต้องตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย ส่งผลให้มีระดับสัญญาณรบกวนสูง

ปัจจัยที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดของบิตอีกประการหนึ่งคือความสั่นไหวของเฟสที่อาจเกิดขึ้นในระบบ เนื่องจากความสั่นไหวดังกล่าวอาจเปลี่ยนแปลงการสุ่มตัวอย่างข้อมูลได้

BER และ Eb/No

อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนและตัวเลข Eb/No เป็นพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับลิงก์วิทยุและระบบสื่อสารวิทยุเป็นหลัก ในแง่นี้ อัตราความผิดพลาดบิต (BER) สามารถกำหนดได้ในแง่ของความน่าจะเป็นของความผิดพลาดหรือ POE ในการกำหนดนี้ จะใช้ตัวแปรอื่นอีกสามตัว ได้แก่ ฟังก์ชันความผิดพลาด (erf) พลังงานในหนึ่งบิต (Eb) และความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังสัญญาณรบกวน (ซึ่งก็คือกำลังสัญญาณรบกวนในแบนด์วิดท์ 1 เฮิรตซ์) หมายเลข

โปรดทราบว่าการมอดูเลตแต่ละประเภทจะมีค่าฟังก์ชันความผิดพลาดที่แตกต่างกัน เนื่องจากการมอดูเลตแต่ละประเภทมีประสิทธิภาพการทำงานที่แตกต่างกันเมื่อมีสัญญาณรบกวน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รูปแบบการมอดูเลตลำดับสูง (เช่น 64QAM เป็นต้น) ที่สามารถรับอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นได้นั้นจะไม่ทนทานเท่ารูปแบบการมอดูเลตลำดับต่ำ (เช่น BPSK, QPSK เป็นต้น) ให้อัตราข้อมูลที่ต่ำกว่าแต่มีความทนทานมากกว่า

พลังงานต่อบิต (Eb) สามารถหาได้โดยการหารกำลังของคลื่นพาหะด้วยอัตราบิต และเป็นหน่วยวัดพลังงานที่มีหน่วยเป็นจูล No คือกำลังต่อเฮิรตซ์ ดังนั้นค่านี้จึงเท่ากับกำลัง (จูลต่อวินาที) หารด้วยวินาที เมื่อพิจารณาอัตราส่วน Eb/No มิติทั้งหมดจะหักล้างกันจนได้อัตราส่วนไร้มิติ สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ POE เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ Eb/No และเป็นอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนรูปแบบหนึ่ง

สามารถกำหนดอัตราข้อผิดพลาดบิตได้ในแง่ของความน่าจะเป็นของข้อผิดพลาด

ที่ไหน:

  erf = ฟังก์ชันข้อผิดพลาด

  E b = พลังงานในหนึ่งบิต

  N o = ความหนาแน่นสเปกตรัมกำลัง (สัญญาณรบกวนในแบนด์วิดท์ 1Hz)

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ E b / N o เป็นรูปแบบหนึ่งของอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน

พลังงานต่อบิต Eb สามารถ หาได้โดยการหารกำลังของคลื่นพาหะด้วยอัตราบิต Eb มี หน่วยเป็นจูล ส่วน No เป็น หน่วยวัดกำลัง (จูลต่อวินาที) ต่อเฮิรตซ์ (วินาที) ดังนั้น Eb / No จึง เป็นพจน์ที่ไม่มีมิติและสามารถแสดงเป็นอัตราส่วนได้อย่างง่ายๆ

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราข้อผิดพลาดบิต (BER)

จากการใช้ E b / N oจะเห็นได้ว่าอัตราความผิดพลาดบิต BER อาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ การควบคุมตัวแปรที่สามารถควบคุมได้จะช่วยให้ระบบมีประสิทธิภาพสูงสุดตามที่ต้องการ ซึ่งโดยปกติจะดำเนินการในขั้นตอนการออกแบบระบบส่งข้อมูล เพื่อให้สามารถปรับพารามิเตอร์ประสิทธิภาพได้ในขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น

• สัญญาณรบกวน:  โดยทั่วไประดับสัญญาณรบกวนที่มีอยู่ในระบบจะถูกกำหนดโดยปัจจัยภายนอกและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการออกแบบระบบ อย่างไรก็ตาม สามารถกำหนดแบนด์วิดท์ของระบบได้ การลดแบนด์วิดท์จะช่วยลดระดับสัญญาณรบกวนได้ อย่างไรก็ตาม การลดแบนด์วิดท์จะจำกัดปริมาณข้อมูลที่จะรับได้
• เพิ่มกำลังส่งสัญญาณ:  นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มระดับกำลังส่งสัญญาณของระบบเพื่อเพิ่มกำลังส่งสัญญาณต่อบิตได้ โดยต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ระดับสัญญาณรบกวนต่อผู้ใช้รายอื่น และผลกระทบของการเพิ่มกำลังส่งสัญญาณต่อขนาดของเครื่องขยายสัญญาณ การใช้พลังงานโดยรวม และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ เป็นต้น
• ลดแบนด์วิดท์:  อีกวิธีหนึ่งที่สามารถนำมาใช้เพื่อลดอัตราความผิดพลาดของบิตคือการลดแบนด์วิดท์ ระดับสัญญาณรบกวนที่รับได้จะลดลง ส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนดีขึ้น ส่งผลให้ปริมาณการรับส่งข้อมูลลดลงเช่นกัน
• การมอดูเลตลำดับต่ำ:  สามารถใช้รูปแบบการมอดูเลตลำดับต่ำได้ แต่จะต้องแลกมากับปริมาณข้อมูลขาเข้าขาออก

จำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างปัจจัยที่มีอยู่ทั้งหมดเพื่อให้ได้อัตราความผิดพลาดบิตที่น่าพอใจ โดยปกติแล้วการบรรลุข้อกำหนดทั้งหมดไม่สามารถบรรลุได้ และจำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยนบางอย่าง อย่างไรก็ตาม แม้ว่าอัตราความผิดพลาดบิตจะต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ก็ยังสามารถทำการแลกเปลี่ยนเพิ่มเติมในแง่ของระดับการแก้ไขข้อผิดพลาดที่นำมาใช้กับข้อมูลที่ถูกส่ง แม้ว่าจะต้องส่งข้อมูลซ้ำซ้อนมากขึ้นพร้อมกับการแก้ไขข้อผิดพลาดในระดับที่สูงขึ้น แต่สิ่งนี้สามารถช่วยปกปิดผลกระทบของข้อผิดพลาดบิตที่อาจเกิดขึ้นได้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงอัตราความผิดพลาดบิตโดยรวม

อัตราข้อผิดพลาดบิตหรือพารามิเตอร์ BER มักถูกอ้างถึงสำหรับระบบการสื่อสารหลายระบบ และเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่ใช้ในการกำหนดว่าควรใช้พารามิเตอร์ลิงก์ใด ตั้งแต่พลังงานไปจนถึงประเภทการมอดูเลต