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比特率、波特率、频谱带宽、1分钟搞清

来源:IT之家发表时间:2023-05-09 12:58  阅读量:6298   

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!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?

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、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。

PART.02 比特率和波特率是什么关系呢?

要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、1214 种状态的码元 00、01、10、11428 种状态的码元 000、011、010、011、100、101、110、11183

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。

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。

PART.03 比特率、波特率、频谱带宽是什么关系呢?

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

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。

责任编辑:文辉

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