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通信常識(shí):波特率、數(shù)據(jù)傳輸速率與帶寬的相互關(guān)系

2021-07-08 12:23:04 admin

【帶寬W】

帶寬,又叫頻寬,是數(shù)據(jù)的傳輸能力,指單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)。高帶寬意味著高能力。數(shù)字設(shè)備中帶寬用bps(b/s)表示,即每秒最高可以傳輸?shù)奈粩?shù)。模擬設(shè)備中帶寬用Hz表示,即每秒傳送的信號(hào)周期數(shù)。通常描述帶寬時(shí)省略單位,如10M實(shí)質(zhì)是10M b/s。帶寬計(jì)算公式為:帶寬=時(shí)鐘頻率*總線位數(shù)/8。電子學(xué)上的帶寬則指電路可以保持穩(wěn)定工作的頻率范圍。

【數(shù)據(jù)傳輸速率Rb】

數(shù)據(jù)傳輸速率,又稱(chēng)比特率,指每秒鐘實(shí)際傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù),是信息傳輸速率(傳信率)的度量。單位為“比特每秒(bps)”。其計(jì)算公式為S=1/T。T為傳輸1比特?cái)?shù)據(jù)所花的時(shí)間。

【波特率RB】

模擬線路信號(hào)的速率,以波形每秒的振蕩數(shù)來(lái)衡量。如果數(shù)據(jù)不壓縮,波特率等于每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù),如果數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮,那么每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)通常大于調(diào)制速率


在信息傳輸通道中,攜帶數(shù)據(jù)信息的信號(hào)單元叫碼元,每秒鐘通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元數(shù)稱(chēng)為碼元傳輸速率,簡(jiǎn)稱(chēng)波特率。波特率是指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率,它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來(lái)表示(也就是每秒調(diào)制的符號(hào)數(shù)),其單位是波特(Baud,symbol/s)。波特率是傳輸通道頻寬的指標(biāo)。
每秒鐘通過(guò)信道傳輸?shù)男畔⒘糠Q(chēng)為位傳輸速率,也就是每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)比特率。比特率表示有效數(shù)據(jù)的傳輸速率,用b/s 、bit/s、比特/秒,讀作:比特每秒。
波特率與比特率的關(guān)系:
比特率=波特率*單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)(Rb=RB*log2 N。其中,N為進(jìn)制數(shù)
例如假設(shè)數(shù)據(jù)傳送速率為120符號(hào)/秒(symbol/s)(也就是波特率為120Baud),又假設(shè)每一個(gè)符號(hào)為8位(bit),則其傳送的比特率為(120symbol/s) * (8bit/symbol)=960bit/s



【比特率和波特率的關(guān)系】

比特率和波特率的關(guān)系式為: Rb=RB*log2 N。其中,N為進(jìn)制數(shù)。對(duì)于二進(jìn)制的信號(hào),比特率和波特率在數(shù)值上是相等的。


   它是對(duì)信號(hào)傳輸速率的一種度量,通常以“波特”(baud)為單位。波特率有時(shí)候會(huì)同比特率混淆,實(shí)際上后者是對(duì)信息傳輸速率(傳信率)的度量。波特率可以被理解為單位時(shí)間內(nèi)傳輸碼元符號(hào)的個(gè)數(shù)(傳符號(hào)率),通過(guò)不同的調(diào)制方法可以在一個(gè)碼元上負(fù)載多個(gè)比特信息。
   調(diào)制解調(diào)器的通訊速度。波特率是指線路狀態(tài)更改的次數(shù)。只有每個(gè)信號(hào)符合所傳輸數(shù)據(jù)的一位時(shí),才等于每秒位數(shù)。
   為了在彼此之間通訊,調(diào)制解調(diào)器必須使用相同的波特率進(jìn)行操作。如果將調(diào)制解調(diào)器的波特率設(shè)置為高于其他的調(diào)制解調(diào)器的波特率,則較快的調(diào)制解調(diào)器通常要改變其波特率以匹配速度較慢的調(diào)制解調(diào)器。
   (嚴(yán)格來(lái)說(shuō),波特率不在傳輸領(lǐng)域出現(xiàn),出現(xiàn)傳輸、信道等字眼容易產(chǎn)生混淆,波特率描述的是單位時(shí)間內(nèi)調(diào)制信號(hào)的能力,經(jīng)它調(diào)制出來(lái)的信號(hào)才以比特的形式來(lái)傳輸,或者這樣說(shuō),信號(hào)在傳輸過(guò)程中,如果要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換,就需要調(diào)制,那么傳輸時(shí)間除了消耗在其它領(lǐng)域外,還消耗在調(diào)制過(guò)程和在信道的傳輸過(guò)程,
描述信號(hào)調(diào)制能力用波特率,描述信號(hào)傳輸能力用比特率。)


【奈奎斯特定律】

奈奎斯特定律描述了無(wú)噪聲信道的極限速率與信道帶寬的關(guān)系。

1924年,奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出:

  (1)理想低通信道下的最高碼元傳輸速率公式:理想低通信道下的最高RB = 2W Baud。其中,W為理想低通信道的帶寬,單位是赫茲(Hz),即每赫茲帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個(gè)碼元。

  (2)理想帶通信道的最高碼元傳輸速率公式:理想帶通信道的最高RB= W Baud,即每赫茲帶寬的理想帶通信道的最高碼元傳輸速率是每秒1個(gè)碼元。

符號(hào)率與信道帶寬的確切關(guān)系為:

RB=W(1+α)。

其中, 1/1+α為頻道利用率,α為低通濾波器的滾降系數(shù),α取值為0時(shí),頻帶利用率最高,但此時(shí)因波形“拖尾”而易造成碼間干擾。它的取值一般不小于0.15,以調(diào)解頻帶利用率和波形“拖尾”之間的矛盾。

奈奎斯特定律描述的是無(wú)噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率(或碼元速率)與信道帶寬之間的關(guān)系。



【香農(nóng)定理】

香農(nóng)定理是在研究信號(hào)經(jīng)過(guò)一段距離后如何衰減以及一個(gè)給定信號(hào)能加載多少數(shù)據(jù)后得到了一個(gè)著名的公式,它描述有限帶寬、有隨機(jī)熱噪聲信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率(或碼元速率)與信道帶寬、信噪比(信號(hào)噪聲功率比)之間的關(guān)系,以比特每秒(bps)的形式給出一個(gè)鏈路速度的上限。

香農(nóng)定理指出:在有隨機(jī)熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí),數(shù)據(jù)傳輸速率Rb與信道帶寬W、信噪比S/N的關(guān)系為:

Rb=W*log2(1+S/N)。

其中,Rb是可得到的鏈路速度,W是鏈路的帶寬,S是平均信號(hào)功率,N是平均噪聲功率,信噪比(S/N)通常用分貝(dB)表示,而分貝數(shù)=10×lg(S/N)。

香農(nóng)定理應(yīng)用舉例:

通常,支持音頻電話連接的頻率范圍為300Hz到3300Hz,則B=3300Hz-300Hz=3000Hz,而一般鏈路典型的信噪比是30dB,即S/N=1000,因此我們有R=3000×log2(1001),近似等于30Kbps,是28.8Kbps調(diào)制解調(diào)器的極限,因,此如果電話網(wǎng)絡(luò)的信噪比沒(méi)有改善或不使用壓縮方法,調(diào)制解調(diào)器將達(dá)不到更高的速率。

正是因?yàn)橥ㄐ判诺赖淖畲髠鬏斔俾逝c信道帶寬之間存在明確關(guān)系,所以人們通常用“帶寬”去取代“速率”。


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