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？

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？

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?/span>

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(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(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。

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