31-Julio-2007
Traducción: Jorge Muñoz
Algunos equipos del CRC y los Sistemas de Terminación de Cablemódem (CMTS's, por sus siglas en inglés) pueden indicar muchos parámetros de medición. Por ejemplo, algunos receptores de la marca Broadcom o Texas Instruments proporcionan una estimación del “SNR (Relación Señal a Ruido) de upstream”. Esta función de los equipos es una herramienta muy útil pero puede causar mucha confusión.
Es muy común que el personal de un Centro de Operaciones de Red (NOC) de un sistema reporte una alarma cuando el parámetro “SNR de upstream” cae por debajo de cierto nivel. Como consecuencia, un técnico de CRC verificará el nivel de RF de upstream con un analizador de espectros o algún otro equipo similar de medición y, en la mayoría de los casos, se dará cuenta de que todo parece estar dentro de los parámetros normales. El personal encargado de datos en el NOC insistirá en que hay algún problema si continua teniendo bajos niveles en sus equipos de medición, mientras que los técnicos de red no encontrarán nada extraño en sus equipos de medición. ¿Qué es lo que está mal en este tipo de casos?
El problema radica en una falta de comprensión de lo que realmente es, y de lo que no es, el SNR de upstream en el CMTS.
Y aún hay mayor confusión por el hecho de que los cablemodems y las cajas decodificadoras digitales (STB's) proporcionan otros parámetros de operación como el nivel de RF y el SNR. Estos son parámetros de downstream en las instalaciones del suscriptor y no se deben confundir con parámetros de upstream. Y además, algunos instrumentos de medición digital llaman Tasa de Error de Modulación (MER) al SNR.
Debido a la naturaleza de las señales de upstream, algunos CMTS pueden dar parámetros con base en un análisis por canal o por cablemódem. Las mediciones por canal proporcionan un promedio de los parámetros de todos los cablemodems o simplemente los últimos datos de los cablemodems con actividad. Es sumamente importante distinguir qué tipo de medición se está presentando.
Este artículo provee información sobre la medición de la calidad de las señales en la red de cable y cómo influyen en el desempeño de todo el sistema. A menos que se indique lo contrario, cada vez que se mencione el ruido en este artículo, se estará haciendo referencia al Ruido Blanco Gaussiano Aditivo (AWGN) o simplemente al ruido, también conocido como ruido térmico.
¿Qué es y qué no es el SNR de upstream?
El SNR de upstream en el CMTS no es lo mismo que la Relación Portadora a Ruido (CNR) que se mide con un dispositivo como un analizador de espectros.
El SNR de upstream es un parámetro de operación del receptor de las señales de upstream en el CMTS DOCSIS. El receptor QAM en un cablemódem o en una caja decodificadora proporciona un parámetro similar para las señales dedownstream. Al parámetro SNR, que se obtiene después de demodular los datos, se le denomina tasa de error de modulación recibida (RxMER) (un término recientemente definido por la especificación DOCSIS). RxMER incluye los efectos del piso de ruido en la red de cable en upstream o downstream, la respuesta en frecuencia en-canal (incluyendo variaciones de amplitud y pendiente, variaciones en el retardo de grupo y microreflexiones), ruido de fase del oscilador, imperfecciones del receptor y cualquier otro desperfecto que afecte a la constelación. RxMER es muy útil para evaluar el desempeño del sistema a largo plazo ya que verifica el enlace de comunicaciones de extremo a extremo.
Resulta interesante el hecho de que comúnmente se presentan bajos niveles de RxMER en upstream o downstream y, a pesar de esto, las mediciones de CNR y los niveles de las señales parecen estar bien. ¿A qué se debe este fenómeno? Se debe a que probablemente una o más distorsiones no se pueden ver en un analizador de espectros, por ejemplo, problemas en la respuesta en frecuencia en canal, variaciones de retardo en grupo, microreflexiones o inclusive colisiones de datos en upstream. En la Tabla 1 se muestra la terminología para algunos parámetros relacionados con SNR.
| Abreviatura | Término | Definición | Unidades |
| CNR (ó C/N) | Relación Portadora a Ruido | La relación entre la potencia de la portadora y el ruido blanco en un ancho de banda específico. | dB |
| C/N0 | Relación Portadora a Densidad de Ruido | La relación entre la potencia de la portadora y la densidad del ruido blanco espectral. | dB-Hz |
| CNIR (ó C/(N+I)) | Relación Portadora a Ruido más Interferencia | La relación entre la potencia de la portadora y el ruido total (incluyendo ruido blanco e interferencias) en un ancho de banda específico. | dB |
| ES/N0 | Relación entre la Energía por Símbolo y la Densidad de Ruido | En una modulación digital, la relación entre la energía promedio de un símbolo QAM y la densidad espectral del ruido blanco. | dB |
| EVM | Magnitud del Vector de Error | La relación entre la magnitud RMS del error en la constelación y la magnitud pico del símbolo de la constelación. | Porcentaje |
| MER | Tasa de Error de Modulación | La relación entre la potencia promedio de la señal de la constelación y el promedio de la potencia de la constelación de error. | dB |
| RxMER | Tasa de Error de Modulación recibida | El MER tal como se mide en un receptor digital después de demodular, con o sin ecualización adaptiva. | dB |
| SNR (ó S/N) | Relación Señal a Ruido | a) Una medición general de la relación entre la potencia de la señal y el ruido. b) Una medición de la relación entre la potencia de la señal y el ruido en banda base antes de la modulación o después de la demodulación. | dB |
| TxMER | Tasa de Error de Modulación transmitida | El MER producido por un transmisor bajo prueba, tal como se mide por un receptor de prueba ideal. | dB |
Tabla 1. Terminología de algunos conceptos relativos al SNR.
El CNR y el SNR fuera del cable
La confusión entre algunos de los términos mencionados en párrafos anteriores se origina porque, en el mundo de las telecomunicaciones (fuera de la industria del cable), los términos SNR y CNR se utilizan a veces de manera indistinta. De acuerdo a Roger L. Freeman, el autor de Telecommunications Transmission Handbook, “La relación señal a ruido expresa en decibeles la cantidad por la cual el nivel de una señal excede el ruido correspondiente a la misma.” En el libro de Tektronix, Measuring Noise in Video Systems, se encuentra la siguiente definición: “En el caso más general, SNR se expresa como la relación entre el nivel RMS de la señal (SRMS) y el ruido RMS (NRMS). Es decir, SNR = SRMS/NRMS.”
Ambas definiciones de SNR se pueden aplicar fácilmente a mediciones de CNR en RF (a fin de cuentas, una portadora es una “señal”) o a mediciones de SNR en banda base (el video y el audio en banda base también son “señales”). Si no se define claramente la medición, es difícil saber cuando SNR se refiere a banda base o a otro parámetro de RF.
CNR y SNR en la industria del cable
El libro Modern Cable Television Technology señala: “La relación portadora a ruido (C/N) se define como:
C/N (dB) = 10 log (c/n)
Donde c y n representan los niveles escalares de potencia de la portadora y del ruido, respectivamente.”
Cuando se mide el CNR con la ayuda de un analizador de espectros con ruido térmico por debajo de la portadora, en realidad no se está midiendo el C/N, sino el (C/N)/N = 1 + C/N. Este detalle generalmente no es de gran importancia a menos que el CNR sea muy pequeño, por ejemplo, en valores de un solo dígito.
En la industria del cable se ha empleado por mucho tiempo CNR y SNR para representar mediciones totalmente distintas,una en el dominio de RF [Figura 1] y la otra en banda base [Figura 2]. El CNR se utiliza para la señal de RF transmitida a través del cable, mientras que SNR se refiere a las señales de audio y video antes de la modulación para su transmisión, o bien, después de la demodulación de la señal de RF en el receptor.
Figura 1. Medición del CNR en RF
Figura 2. Medición del SNR en banda base
CNR para video analógico en redes de cable
El CNR generalmente se considera como una medición únicamente para RF. Cuando un sistema de cable transmite sólo canales analógicos, el CNR se entiende como la diferencia, en decibeles, entre la amplitud de la portadora del video del canal y la amplitud RMS del ruido del sistema en un determinado ancho de banda. En este caso, el ancho de banda del ruido se especifica como el ancho de banda de modulación, que equivale aproximadamente al ancho de banda de la señal en banda base. Una práctica común es expresar la potencia en términos de voltaje RMS sobre una determinada resistencia. Por ejemplo, en el libro NCTA Recommended Practices for Measurements on Cable Televisión Systems se define 0 dBmV (decibeles referidos a 1 milivolt) como la potencia de una señal de 1 milivot RMS en 75 ohms, ó 13.33 nanowatts = -48.75 dBm.
Según la normatividad de la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones de los EU) referente al cable, el ruido del sistema se define como “la potencia total de ruido presente en un ancho de banda de 4 MHz en el canal de televisión por cable.” Esta definición se aplica únicamente a las mediciones de CNR de los canales analógicos NTSC y define el ancho de banda del video en banda base que modula a la portadora de video.
En realidad, la FCC no emplea el término CNR en ninguno de sus estatutos. En uno de sus lineamientos señala: “La relación entre el nivel de la portadora de video y el ruido del sistema no deberá ser menor de 43 dB.” Esa definición se expresa de cierta forma de acuerdo con la definición general de SNR, aunque se entiende que este ejemplo se refiere al CNR. Aún cuando las reglas de la FCC determinan que se debe tener un mínimo de 43 dB, las prácticas correctas de ingeniería sugieren tener como meta alcanzar niveles de 46 a 49 dB.
SNR para video analógico en redes de cable
¿Qué sucede con el SNR? En la industria del cable, SNR es una medición que se realiza en señales en banda base de video o audio antes de la modulación (en el transmisor o el modulador) o después de su detección (en el receptor). La definición de Tektronix señala: “En aplicaciones de video, lo más importante es la potencia efectiva del ruido relativa al nivel nominal de luminancia.” Y define al SNR en decibeles de la siguiente forma:
SNR = 20 log (LNOMINAL / NRMS)
Donde LNOMINAL tiene un valor de 714 mV pico a pico (100 unidades IRE) para NTSC, ó 700 mV pico a pico para PAL. Estos valores de luminancia no incluyen sincronía. La ecuación de SNR dice que el SNR del video en banda base es la relación entre la señal pico a pico del video (sin incluir la sincronía), y el ruido contenido en esa señal de video. El ruido se mide en un ancho de banda definido por una combinación de filtros pasa bajas y pasa altas. Estos filtros limitan el ruido a un ancho de banda muy similar al de la señal de video y pueden suprimir ruido de baja frecuencia de la medición.
Resumiendo: el CNR es una medición realizada en las señales de RF. Es la diferencia, en decibeles, entre la potencia de la portadora y la potencia del ruido presente en el medio de transmisión de la señal de RF, por ejemplo, en una red de distribución de cable coaxial o en un dispositivo como un procesador de señal en el CRC. Como tal, el CNR es ideal para definir el grado de deterioro de la red o de un dispositivo en particular. El SNR se aplica a las señales analógicas de audio y video. Es una medición que se efectúa en señales en banda base antes de la modulación o después de recibirlas. Equivale a la relación entre la señal pico a pico en banda base y el ruido contenido en dicha señal [refiérase a la Figura 2]. SNR comprende al ruido en la señal original (es decir, el ruido generado en la cámara de un estudio de televisión) así como el ruido producido por el transmisor o modulador, el medio de transmisión, el equipo receptor y el demodulador. Es útil para evaluar el desempeño del sistema de extremo a extremo y la calidad de la imagen que le llega al usuario.
Relación portadora a densidad de ruido
Una medición que guarda una estrecha relación con el CNR es la relación portadora a densidad de ruido (C/N0). Se define como la relación entre la potencia de la portadora (en watts) y la densidad espectral de la potencia del ruido blanco (en watts/Hz). La densidad espectral de la potencia de ruido (N0) es la potencia del ruido en un ancho de banda de 1 Hz. Para fines prácticos, la medición de la densidad espectral de la potencia de ruido se realiza generalmente en un ancho de banda mayor a 1 Hz (en la resolución del ancho de banda del equipo). El valor medido en watts se divide entonces entre el ancho de banda en Hz de la resolución del equipo de medición, lo cual da como resultado la potencia (en watts) en un ancho de banda de 1 Hz.
La unidad del C/N0 es el Hz:
C/N0 se expresa en dB-Hz, que significa “decibeles referidos a un Hz.” Debido a que C/N0 no es adimensional como SNR ó CNR, se debe tener cuidado al tomar como referencia 1 Hz de ancho de banda para la medición de ruido. C/N0 es especialmente útil para medir el CNR de señales de banda estrecha.
CNR en señales moduladas digitalmente
¿Qué sucede con las mediciones de CNR en un sistema con señales digitales? La especificación DOCSIS define un CNR de 35 dB como mínimo en downstream para señales moduladas digitalmente. Si los canales analógicos de la red mantienen un CNR mayor o igual a 46 dB, en la mayoría de los casos no habrá problema alguno para cumplir con la especificación DOCSIS sobre el CNR para señales digitales en downstream. DOCSIS define un CNR mínimo de 25 dB para las señales moduladas digitalmente en upstream. La potencia de la portadora (la letra “C” en CNR) es el nivel de la potencia promedio de la señal modulada digitalmente y, en ocasiones, también se le conoce como potencia del canal digital. Esta medición se toma en todo el ancho de banda que ocupa la señal, por ejemplo, 6 MHz para una señal dedownstream en Norte América.
Para medir el ruido blanco (la letra “N” en CNR) contenido en una señal modulada digitalmente, se debe utilizar una tasa de símbolos equivalente al ancho de banda de la potencia del ruido (también se le conoce como ancho de banda efectivo o ancho de banda equivalente). La medición de ruido se debe hacer cuando no esté presente la señal o en una banda vacía cercana a la señal. La Tabla 2 y la Tabla 3 resumen los valores del ancho de banda del ruido para canales de upstream ydownstream en la especificación DOCSIS.
| Ancho de banda (ocupado) del canal de RF | Tasa de símbolos | Ancho de banda del ruido (aproximado) |
| 6 MHz | 5.056941 Msym/s | 5.06 MHz |
| 6 MHz | 5.360537 Msym/s | 5.36 MHz |
| 8 MHz (Euro-DOCSIS) | 6.952 Msym/s | 6.95 MHz |
Tabla 2. Ancho de banda del ruido para canales de downstream en DOCSIS
| Ancho de banda (ocupado) del canal de RF | Tasa de símbolos | Ancho de banda del ruido (aproximado) |
| 200 kHz | 160 ksym/s | 160 kHz |
| 400 kHz | 320 ksym/s | 320 kHz |
| 800 kHz | 640 ksym/s | 640 kHz |
| 1.6 MHz | 1.280 Msym/s | 1.28 MHz |
| 3.2 MHz | 2.560 Msym/s | 2.56 MHz |
| 6.4 MHz | 5.120 Msym/s | 5.12 MHz |
Tabla 3. Ancho de banda del ruido para canales de upstream en DOCSIS.
En DOCSIS 2.0 el término “tasa de modulación en kHz” se emplea en lugar de tasa de símbolos en kilosímbolos por segundo.
En DOCSIS 2.0 el término “tasa de modulación en kHz” se emplea en lugar de tasa de símbolos en kilosímbolos por segundo.
ES/N0 y CNR de una señal modulada digitalmente
ES/N0 es un parámetro muy importante empleado en las comunicaciones digitales para representar el SNR de una señal. Se define como la relación entre la energía promedio (ES) por símbolo QAM a la densidad espectral de la potencia de ruido (N0) y el ruido blanco. Se expresa en dB. La energía por símbolo es igual a la potencia promedio (la energía en 1 segundo) de la señal dividida entre el número de símbolos en 1 segundo.
¿Cómo se relaciona ES/N0 con el CNR? Si se multiplica el numerador y el denominador por la tasa de símbolos RS, se obtiene:
Esta ecuación indica por qué en la medición del CNR para las señales digitales el ancho de banda del ruido equivale a la tasa de símbolos. Como resultado se tiene que el CNR equivale al ES/N0.
Fuente:
Traducción CINIT©
Ron Hranac, Cisco Systems; Bruce Currivan, Broadcom
Communications Technology, Vol. 24, No. 06, June 2007, p. 38.
www.ct-magazine.com
