深入解析数据速率、载波频率与带宽的关系及其在通信中的应用

深入解析数据速率、载波频率与带宽的关系及其在通信中的应用

数据速率、载波频率和带宽之间的关系

来源

1. 数据传输率

又称比特率或数据带宽，描述了通信中每秒传输的数据码的位数，单位为bps。这个很好理解，就是“刚需”，每秒可以传输多少位数据。

2. 代码元素（符号）

也可以称为()。通过不同的调制方式（如FSK、QAM等），可以在一个符号符号上加载多位信息。例如，下图显示了4QAM（QPSK）调制的所有四个符号符号。一个符号可以携带两位信息。

3、符号率

符号率也就是符号率，单位是Baud/s或sym/s，表示每秒传输的符号数。符号率也称为波特率或符号率。符号率决定了通信效率。显然，调制方法的符号状态越多（上例中为4 QAM），符号率值就越大，每秒可以传输的比特信息就越多。显然有

数据传输速率 = 符号速率 x 符号携带的位数

我们平时使用的串口根本没有任何调制。直接发送的两个电平，高低，分别代表1和0，即一位是一个符号，所以它的波特率就是传输速率。我们所说的串口波特率就是在这个设置下，传输速率可以达到/s。

讲完了上面的三个概念，我们就可以讲讲带宽了。

带宽实际上是一个物理概念，指的是占用频谱的宽度。在设计通信系统时，带宽实际上是由设计决定的一个量。重要的是要了解，您计划在系统上支持什么数据速率？使用什么调制方法？使用什么编码方法？经过综合考虑，这些指标决定了您的频道需要多少带宽。各种编码方式（各种用途、验证、纠错等，目的只有一个，提高传输的可靠性）决定了你最终传输的信息总量（实际要传输的数据+其他必要的信息）、调制该方法确定传输这些数据的最终符号率。

那么问题来了。这是一长串问题。和带宽有什么关系？信道带宽与数据传输速率之间的关系可以用香农()定理和奈奎斯特()准则来描述。

香农定理：

(b/s) S为信​​道内传输信号的平均功率，N为信道内高斯噪声功率

也就是说，如果信道没有噪声，则信道支持的带宽是无限的。当然，没有噪音实际上是不可能的。

香农定理给出了信道容量的理论上限，但似乎有点天方夜谭，因为它似乎与波特率、码率等无关，而奈奎斯特准则则给出了它们的关系。

奈奎斯特准则：对于带宽为W（Hz）的无噪声低通信道，最高符号传输速率Bmax：

（波特），即理想低通信道每赫兹带宽的最大符号传输速率为每秒2个符号。

根据前面波特率单位的定义，如果该编码方式的符号状态数为M，则得到极限信息传输速率（信道容量）Cmax：

(b/s)（评论指出这是低通情况，但不影响理解）

奈奎斯特想告诉我们的是，当每个符号传输的比特数确定后，如果我的通道只支持W（Hz）的带宽，那么你每秒最多只能给我Cmax（比特）的信息。我再也无法忍受了相反，当带宽已知并且信道容量Cmax已经由香农定理确定时，奈奎斯特准则实际上给出了系统每个符号传输的最大比特数（例如QAM数）。

回到上面那句话，带宽是一个由设计决定的量。我要传输这么多数据，通道的最大信噪比基本上可以有一个预测值。你至少要给我提供一个满足香农定理的通道。不用说，带宽少了不行，多了就浪费了。您必须了解频谱。资源非常宝贵。此外，您的射频电路、硬件设计和滤波器必须满足此带宽。少了任何东西都行不通。如果带宽太大，外部的干扰信号可能会泄漏进来，抗干扰就不起作用。

最后提一下下载浪潮。顾名思义，载波就是信号调制和传输的载体。它只有一个中心频率，与带宽本身无关。比如11n协议规定可以工作在2G频段或者5G频段，其他因素都一样。假设带宽为20M，工作在2G频段时载波频率为2.4GHz，那么它实际占用的频谱资源为2.-2。工作在5G频段时，载波频率为5GHz，因此其实际占用的频谱资源为4.-5。

在本文末尾，我使用了此链接中的答案。如何理解无线通信系统中数据带宽、载波频率和载波带宽之间的关系？作为结束。为什么信号占用带宽其实是很基本的，因为数字信号（不是像方波一样是非周期性的）经过傅里叶变换后占用的频谱实际上是无限宽的。

为什么说载波频率越高，带宽越大。这是因为高频段频谱资源缺口较多，可以使用大带宽。低频频谱资源被完全占用，只能向高频转移。

可以从符号间干扰（ISI）的角度来解释。例如，符号间干扰限制了速率，而带宽决定了符号间干扰，因此带宽限制了速率。

正是由于通信信道的最大传输速率与信道带宽之间存在明确的关系，人们通常用“带宽”来代替“速率”。

来源

【带宽W】

带宽，又称带宽，是数据的传输能力，是指单位时间内可以传输的比特数。高带宽意味着高能力。数字设备中的带宽以bps（b/s）表示，即每秒可以传输的最大位数。模拟设备中的带宽以 Hz 表示，即每秒传输的信号周期数。通常，在描述带宽时会省略该单位。例如，10M 实际上是 10M b/s。带宽计算公式为：带宽=时钟频率*总线位数/8。电子学中的带宽是指电路能够保持稳定工作的频率范围。

【数据传输率Rb】

数据传输速率，也称为比特率，是指每秒实际传输的比特数，是信息传输速率（传输速率）的度量。单位是“比特每秒（bps）”。计算公式为S=1/T。 T是传输1位数据所需的时间。

[波特率RB]

波特率，又称调制率、符号传输率（符号也称单位符号），是指单位时间内载波参数变化的次数，可以用每秒波形振荡的次数来衡量，是一种度量的信号传输速率。单位是“每秒波特率 (Bps)”。不同的调制方法可以在一个符号上加载多位信息，因此它与比特率是不同的概念。

[符号率与信息率的关系]

符号率与信息率的关系为：Rb=RB*log2N。其中，N为基数。对于二进制信号，符号率和信息率在数值上是相等的。

【奈奎斯特定律】

奈奎斯特定律描述了无噪声信道的极限速率与信道带宽之间的关系。

1924年，（）推导出理想低通信道下最高符号传输率的公式：理想低通信道下最高RB=2W Baud。其中，W为理想低通通道的带宽，单位为赫兹（Hz）。也就是说，理想低通信道每赫兹带宽的最大符号传输速率是每秒2个符号。理想带通信道的最高符号传输速率为：理想带通信道的最高RB=W Baud，即理想带通信道每赫兹带宽的最高符号传输速率为每秒1个符号。

符号率和信道带宽之间的确切关系是：

RB=W(1+α)。

其中，1/1+α为信道利用率，α为低通滤波器的滚降系数。当α值为0时，频段利用率最高，但此时波形“拖尾”容易造成码间干扰。 。其值一般不小于0.15，以调解频段利用率与波形“拖尾”之间的矛盾。

奈奎斯特定律描述了无噪声信道的最大数据传输速率（或符号率）与信道带宽之间的关系。

【香农定理】

香农定理是一个著名的公式，源自研究信号在一定距离内如何衰减以及给定信号可以加载多少数据。它描述了具有有限带宽和随机热噪声的通道的最大数据传输速率（或符号速率）。信道带宽和信噪比（信噪功率比）之间的关系给出了链路速度的上限（以比特每秒 (bps) 为单位）。

香农定理指出，当在具有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rb、信道带宽W和信噪比S/N之间的关系为：

Rb=W*log2(1+S/N)。

其中，Rb为可用链路速度，W为链路带宽，S为平均信号功率，N为平均噪声功率，信噪比（S/N）通常以分贝表示（ dB)，分贝数 = 10×lg(S/N)。

香农定理的应用示例：

通常支持音频电话连接的频率范围是300Hz到300Hz，那么B=-300Hz=，一般链路的典型信噪比是30dB，即S/N=1000，所以我们有R=3000×log2(1001) 约等于 28.8Kbps 调制解调器的极限，因此如果信噪比为电话网络不改进或不使用压缩方法，调制解调器将无法达到更高的速率。

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