比特率、波特率與頻譜帶寬關(guān)系,你知道多少?
我們常說的千兆寬帶、100G光網(wǎng)絡(luò),兆和G是指什么呢?
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202404/457373.htm沒錯!是比特率(Bit Rate)!聰明的你已經(jīng)答對啦!與比特率類似的還有波特率、頻譜帶寬。
PART.01
什么是比特率和波特率?
寬帶網(wǎng)絡(luò)里面提及的千兆即1000Mbit/s,一般描述的是我們家網(wǎng)絡(luò)端口每秒最大可接收0、1比特(bit)的數(shù)量,即每秒可接收1000x106個比特。顯而易見,比特率越高,每秒傳送的比特數(shù)量就越多。比特數(shù)量多,意味著單位時間獲取的信息就多,網(wǎng)速自然就越快。
總的來說,比特率是每秒鐘傳送的比特數(shù)量,又稱為傳信率。比特率基本單位為bit/s或bps,全稱為bit per second。如果每秒鐘內(nèi)傳送的比特數(shù)量較多,比特率單位可換算為Kbit/s、Mbit/s、Gbit/s。此處的K、M、G分別代表1000(103)、1000000(106)、1000000000(109)。
與比特率非常容易混淆的是波特率。
波特率定義是:每秒鐘傳送的符號(碼元)數(shù)量,又稱為傳碼率,單位是波特(Baud、B,即symbol/s)。在通信系統(tǒng)中,攜帶數(shù)據(jù)信息的信號單元稱為碼元,也稱為符號(symbol)。
實際上波特(Baud)已經(jīng)是表示速率了,可別把波特率翻譯成Baud Rate,用Baud表示即可,Rate是多余的。但是,中文已習(xí)慣叫波特率,所以還是用“波特率”的稱呼表示“波特”。
我們舉一個生活的例子,加深一下對這兩個概念的理解。
通信系統(tǒng)有點像我們的公共交通運輸系統(tǒng)。我們可以把通信系統(tǒng)中碼元類比為公共交通車輛,例如公交車、地鐵、的士……。通信系統(tǒng)所傳輸?shù)谋忍財?shù)量類比為出行的人,則比特率為出行人口流動速度,波特率就是發(fā)車率。
PART.02
比特率和波特率是什么關(guān)系呢?
要討論比特率與波特率的關(guān)系,需要先了解碼元與比特的關(guān)系。就像剛才的例子中提及的公交車、地鐵、的士可以搭乘不同數(shù)量的出行人員一樣,不同碼元也可以用不同位數(shù)的比特表示。碼元所需要的比特位數(shù),由碼元支持的狀態(tài)數(shù)量確定。
下面是2、4、8種狀態(tài)的碼元與比特位數(shù)關(guān)系表:
碼元類型 | 碼元狀態(tài) | 碼元狀態(tài)總數(shù)量 | 碼元所需比特位數(shù) |
2種狀態(tài)的碼元 | 0、1 | 2 | 1 |
4種狀態(tài)的碼元 | 00、01、10、11 | 4 | 2 |
8種狀態(tài)的碼元 | 000、001、010、011、100、101、110、111 | 8 | 3 |
由此可得出,假設(shè)碼元狀態(tài)為N,則此碼元所需要的比特位數(shù)如下:
畫圖表示碼元、比特的傳輸關(guān)系如下:
從圖很容易推出,已知波特率Rs、碼元狀態(tài)總數(shù)量N后,對應(yīng)比特率Rb關(guān)系如下:
如果已知的是比特率Rb、碼元狀態(tài)總數(shù)量N,則對應(yīng)波特率Rs關(guān)系如下:
上述比特率與波特率公式僅是考慮信息凈荷,不考慮信號調(diào)制、也不考慮糾錯編碼等其它因素的公式。
當(dāng)考慮碼元多路傳輸時,比特率與波特率的關(guān)系會變成怎么樣了呢?
例如我們采用偏振多路復(fù)用(PDM,Polarization Division Multiplexing)方式調(diào)制待傳輸?shù)拇a元,則可以實現(xiàn)同時雙路傳輸,使得信號的比特率提升了一倍。
偏振即利用光的偏振維度,在同一波長信道中,通過光的兩個相互正交偏振態(tài),同時傳輸兩路獨立數(shù)據(jù)信息,等于實現(xiàn)了雙通道傳輸,因此可使得信號的比特率提升了一倍。
(信號調(diào)制的更詳細(xì)說明可參考微信公共號“鮮棗課堂”的文章“關(guān)于光通信的最強進(jìn)階科普”。)
顯然加入多路復(fù)用技術(shù)后,比特率Rb和波特率Rs關(guān)系變?yōu)椋?/span>
當(dāng)再考慮信息糾錯編碼時,比特率與波特率的關(guān)系又會變成怎么樣了呢?
加上信息糾錯編碼等因素,則實際比特率也會根據(jù)糾錯編碼開銷的比率增加。例如在200G光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,采用16QAM調(diào)制方法,編碼糾錯方法采用編碼開銷為20%的SD-FEC,波特率為32GB,
,實際比特率為258.48Gbit/s。
(糾錯編碼的更詳細(xì)說明可參考“為了清晰傳達(dá)新春祝福,你知道FEC有多努力嗎?”。)
PART.03
比特率、波特率、頻譜帶寬是什么關(guān)系呢?
頻譜帶寬其實是通信信號的最高頻率與最低頻率的差值。信號的波特率越高,在通信信道中傳輸此信號時,占用的通信信道頻譜帶寬就越大。就好比,在運輸系統(tǒng)中,車型越大,行車占用的道路寬度就越大。
受硬件芯片處理速度的限制,為提升比特率,可通過提升波特率以及單個碼元比特位數(shù),進(jìn)而提升比特率。此外,通信系統(tǒng)還要求設(shè)備芯片波特率≥信號波特率 ,通常芯片波特率有45GB、 69GB、 96GB、 128GB。如果所設(shè)計的信號波特率大于設(shè)備芯片波特率,則說明此信號是無法實現(xiàn)的,因為沒芯片可以支持此信號的產(chǎn)生。
同時根據(jù)香農(nóng)定理和經(jīng)驗,信號所需的頻譜寬度數(shù)值應(yīng)大于信號波特率的1.2倍,才能保證信號可以被高質(zhì)量傳輸。在不考慮其它影響傳輸?shù)囊蛩?,我們可以根?jù)香農(nóng)定理和經(jīng)驗,粗略算出波特率與所需頻譜帶寬的關(guān)系。
例如:某200G光網(wǎng)絡(luò)中,采用27%的FEC和8QAM調(diào)制技術(shù),信號比特率約為219Gbit/s,則信號波特率和頻率關(guān)系如下:
加上余量考慮,此時,推薦采用62.5GHz的頻譜帶寬,而不是50GHz的頻譜帶寬傳輸信號。
PART.04
總結(jié)
今天,文檔君又和大家一起學(xué)到了知識:
比特率、波特率、頻譜帶寬是通信系統(tǒng)中的重要指標(biāo)。
波特率越高,比特率越高,所占用的信道頻譜帶寬也越大。
可愛的粉絲們,還有什么想了解的知識,歡迎留言哦~
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