比特率、波特率与频谱带宽关系,你知道多少?

2023-05-16 11:19:37 来源:5G通信

我们常说的千兆宽带、100G光网络,兆和G是指什么呢?


【资料图】

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?

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)。

小知识

比特率描述数据通信速率,单位之间的换算关系是十进制,例如1 Kbit/s= 1000bit/s。

比特描述计算机存储数据文件大小,单位之间的换算关系则是二进制关系,例如1Kbit= 1024bit。

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。

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。

小知识

若码元可以支持N种状态,则此码元称为N进制码元。

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、121
4种状态的码元00、01、10、1142
8种状态的码元000、001、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(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。

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。

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。

编辑:黄飞

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