比特率、波特率、頻譜帶寬、1 分鐘搞清

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

  沒(méi)錯(cuò)!是比特率(Bit Rate)!聰明的你已經(jīng)答對(duì)啦!與比特率類(lèi)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(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(gè)比特。顯而易見(jiàn)，比特率越高，每秒傳送的比特?cái)?shù)量就越多。比特?cái)?shù)量多，意味著單位時(shí)間獲取的信息就多，網(wǎng)速自然就越快。

  總的來(lái)說(shuō)，比特率是每秒鐘傳送的比特?cái)?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?cái)?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(hào)(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(hào)單元稱為碼元，也稱為符號(hào)(symbol)。

  實(shí)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(gè)生活的例子，加深一下對(duì)這兩個(gè)概念的理解。

  通信系統(tǒng)有點(diǎn)像我們的公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)。我們可以把通信系統(tǒng)中碼元類(lèi)比為公共交通車(chē)輛，例如公交車(chē)、地鐵、的士……。通信系統(tǒng)所傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)量類(lèi)比為出行的人，則比特率為出行人口流動(dòng)速度，波特率就是發(fā)車(chē)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(chē)、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(huà)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(duì)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(duì)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(hào)調(diào)制、也不考慮糾錯(cuò)編碼等其它因素的公式。

  當(dāng)考慮碼元多路傳輸時(shí)，比特率與波特率的關(guān)系會(huì)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(shí)現(xiàn)同時(shí)雙路傳輸，使得信號(hào)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(zhǎng)信道中，通過(guò)光的兩個(gè)相互正交偏振態(tài)，同時(shí)傳輸兩路獨(dú)立數(shù)據(jù)信息，等于實(shí)現(xiàn)了雙通道傳輸，因此可使得信號(hào)的比特率提升了一倍。

  (信號(hào)調(diào)制的更詳細(xì)說(shuō)明可參考微信公共號(hào)“鮮棗課堂”的文章“關(guān)于光通信的最強(qiáng)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?

  當(dāng)再考慮信息糾錯(cuò)編碼時(shí)，比特率與波特率的關(guān)系又會(huì)變成怎么樣了呢?

  加上信息糾錯(cuò)編碼等因素，則實(shí)際比特率也會(huì)根據(jù)糾錯(cuò)編碼開(kāi)銷(xiāo)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(cuò)方法采用編碼開(kāi)銷(xiāo)為 20% 的 SD-FEC，波特率為 32GB，

  ，實(shí)際比特率為 258.48Gbit / s。

  (糾錯(cuò)編碼的更詳細(xì)說(shuō)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(shí)是通信信號(hào)的最高頻率與最低頻率的差值。信號(hào)的波特率越高，在通信信道中傳輸此信號(hào)時(shí)，占用的通信信道頻譜帶寬就越大。就好比，在運(yùn)輸系統(tǒng)中，車(chē)型越大，行車(chē)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(guò)提升波特率以及單個(gè)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(hào)波特率 ，通常芯片波特率有 45GB、 69GB、 96GB、 128GB。如果所設(shè)計(jì)的信號(hào)波特率大于設(shè)備芯片波特率，則說(shuō)明此信號(hào)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闆](méi)芯片可以支持此信號(hào)的產(chǎn)生。

  同時(shí)根據(jù)香農(nóng)定理和經(jīng)驗(yàn)，信號(hào)所需的頻譜寬度數(shù)值應(yīng)大于信號(hào)波特率的 1.2 倍，才能保證信號(hào)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(yàn)，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(hào)比特率約為 219Gbit / s，則信號(hào)波特率和頻率關(guān)系如下：

  加上余量考慮，此時(shí)，推薦采用 62.5GHz 的頻譜帶寬，而不是 50GHz 的頻譜帶寬傳輸信號(hào)。

  PART.04 總結(jié)

  今天，文檔君又和大家一起學(xué)到了知識(shí)：

  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。