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1分钟搞定比特率、波特率和频谱带宽!

2023-05-10 射频学堂 阅读:
比特率、波特率与频谱带宽关系,你知道多少?
我们常说的千兆宽带、100G光网络,兆和G是指什么呢?
没错!是比特率(Bit Rate)!聪明的你已经答对啦!与比特率类似的还有波特率、频谱带宽。
但是比特率、波特率与频谱带宽关系,你知道多少?
别着急,下面文档君为你解密
PART.01
 

什么是比特率和波特率?C86ednc

宽带网络里面提及的千兆即1000Mbit/s,一般描述的是我们家网络端口每秒最大可接收0、1比特(bit)的数量,即每秒可接收1000x106个比特。显而易见,比特率越高,每秒传送的比特数量就越多。比特数量多,意味着单位时间获取的信息就多,网速自然就越快。
总的来说,比特率是每秒钟传送的比特数量,又称为传信率。比特率基本单位为bit/s或bps,全称为bit per second。如果每秒钟内传送的比特数量较多,比特率单位可换算为Kbit/s、Mbit/s、Gbit/s。此处的K、M、G分别代表1000(103)、1000000(106)、1000000000(109)。
与比特率非常容易混淆的是波特率
波特率定义是:每秒钟传送的符号(码元)数量,又称为传码率,单位是波特(Baud、B,即symbol/s)。在通信系统中,携带数据信息的信号单元称为码元,也称为符号(symbol)。
实际上波特(Baud)已经是表示速率了,可别把波特率翻译成Baud Rate,用Baud表示即可,Rate是多余的。但是,中文已习惯叫波特率,所以还是用“波特率”的称呼表示“波特”。
我们举一个生活的例子,加深一下对这两个概念的理解。
通信系统有点像我们的公共交通运输系统。我们可以把通信系统中码元类比为公共交通车辆,例如公交车、地铁、的士……。通信系统所传输的比特数量类比为出行的人,则比特率为出行人口流动速度,波特率就是发车率。

 C86ednc

PART.02
 

比特率和波特率是什么关系呢?C86ednc

讨论比特率与波特率的关系,需要先了解码元与比特的关系。就像刚才的例子中提及的公交车、地铁、的士可以搭乘不同数量的出行人员一样,不同码元也可以用不同位数的比特表示。码元所需要的比特位数,由码元支持的状态数量确定。
下面是2、4、8种状态的码元与比特位数关系表:
码元类型
码元状态
码元状态总数量
码元所需比特位数
2种状态的码元
0、1
2
1
4种状态的码元
00、01、10、11
4
2
8种状态的码元
000、001、010、011、100、101、110、111
8
3
由此可得出,假设码元状态为N,则此码元所需要的比特位数如下:
画图表示码元、比特的传输关系如下:
从图很容易推出,已知波特率Rs、码元状态总数量N后,对应比特率Rb关系如下:
如果已知的是比特率Rb、码元状态总数量N,则对应波特率Rs关系如下:
上述比特率与波特率公式仅是考虑信息净荷,不考虑信号调制、也不考虑纠错编码等其它因素的公式。
当考虑码元多路传输时,比特率与波特率的关系会变成怎么样了呢?
例如我们采用偏振多路复用(PDM,Polarization Division Multiplexing)方式调制待传输的码元,则可以实现同时双路传输,使得信号的比特率提升了一倍。
偏振即利用光的偏振维度,在同一波长信道中,通过光的两个相互正交偏振态,同时传输两路独立数据信息,等于实现了双通道传输,因此可使得信号的比特率提升了一倍。
(信号调制的更详细说明可参考微信公共号“鲜枣课堂”的文章“关于光通信的最强进阶科普”。)
显然加入多路复用技术后,比特率Rb和波特率Rs关系变为:
当再考虑信息纠错编码时,比特率与波特率的关系又会变成怎么样了呢?
加上信息纠错编码等因素,则实际比特率也会根据纠错编码开销的比率增加。例如在200G光网络系统中,采用16QAM调制方法,编码纠错方法采用编码开销为20%的SD-FEC,波特率为32GB,,实际比特率为258.48Gbit/s。
(纠错编码的更详细说明可参考“为了清晰传达新春祝福,你知道FEC有多努力吗?”。)
PART.03
 

比特率、波特率、频谱带宽是什么关系呢?C86ednc

频谱带宽其实是通信信号的最高频率与最低频率的差值。信号的波特率越高,在通信信道中传输此信号时,占用的通信信道频谱带宽就越大。就好比,在运输系统中,车型越大,行车占用的道路宽度就越大。
受硬件芯片处理速度的限制,为提升比特率,可通过提升波特率以及单个码元比特位数,进而提升比特率。此外,通信系统还要求设备芯片波特率≥信号波特率 ,通常芯片波特率有45GB、 69GB、 96GB、 128GB。如果所设计的信号波特率大于设备芯片波特率,则说明此信号是无法实现的,因为没芯片可以支持此信号的产生。
同时根据香农定理和经验,信号所需的频谱宽度数值应大于信号波特率的1.2倍,才能保证信号可以被高质量传输。在不考虑其它影响传输的因素,我们可以根据香农定理和经验,粗略算出波特率与所需频谱带宽的关系。
例如:某200G光网络中,采用27%的FEC和8QAM调制技术,信号比特率约为219Gbit/s,则信号波特率和频率关系如下:
加上余量考虑,此时,推荐采用62.5GHz的频谱带宽,而不是50GHz的频谱带宽传输信号。
PART.04
 

总结C86ednc

今天,文档君又和大家一起学到了知识:
  • 比特率、波特率、频谱带宽是通信系统中的重要指标。
  • 波特率越高,比特率越高,所占用的信道频谱带宽也越大。
可爱的粉丝们,还有什么想了解的知识,欢迎留言哦~
责编:Ricardo
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