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系呢?
要討論比特率與波特率的關系,需要先了解碼元與比特的關系。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)關系表:
由此可得出,假設碼元狀態(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“關于光通信的最強進階科普”。)
顯然加入多路復用技術后,比特率 Rb 和波特率 Rs 關系變?yōu)椋?
當再考慮信息糾錯編碼時,比特率與波特率的關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。如果所設計的信號波特率大于設備芯片波特率,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)囊蛩兀覀兛梢愿鶕?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系。
例如:某 200G 光網(wǎng)絡中,采用 27% 的 FEC 和 8QAM 調(diào)制技術,信號比特率約為 219Gbit / s,則信號波特率和頻率關系如下:
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。
新聞來源:中興文檔
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