比特率、波特率、頻譜帶寬、1 分鐘搞清

  我們常說的千兆寬帶、100G 光網(wǎng)絡，兆和 G 是指什么呢?

  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。

  但是比特率、波特率與頻譜帶寬關(guān)系，你知道多少?

  別著急，下面文檔君為你解密。

  PART.01 什么是比特率和波特率?

  寬帶網(wǎng)絡里面提及的千兆即 1000Mbit / s，一般描述的是我們家網(wǎng)絡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：

  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)于光通信的最強進階科普”。)

  顯然加入多路復用技術(shù)后，比特率 Rb 和波特率 Rs 關(guān)系變?yōu)椋?

  當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。

  (糾錯編碼的更詳細說明可參考“為了清晰傳達新春祝福，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。

  波特率越高，比特率越高，所占用的信道頻譜帶寬也越大。