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通信原理基础知识整理

发布日期:2020-05-31 10:44 来源:未知 点击:

  通信原理基础知识整理_信息与通信_工程科技_专业资料。通信常识:波特率、数据传输速率与带宽的相互关系 【带宽 W】 带宽,又叫频宽,是数据的传输能力,指单位时间内能够传输的比特数。高带宽意味着 高能力。数字设备中带宽用 bps(b/s)表示,即每秒最高可

  通信常识:波特率、数据传输速率与带宽的相互关系 【带宽 W】 带宽,又叫频宽,是数据的传输能力,指单位时间内能够传输的比特数。高带宽意味着 高能力。数字设备中带宽用 bps(b/s)表示,即每秒最高可以传输的位数。模拟设备中带宽 用 Hz 表示, 即每秒传送的信号周期数。 通常描述带宽时省略单位, 如 10M 实质是 10M b/s。 带宽计算公式为:带宽=时钟频率*总线。电子学上的带宽则指电可以保持稳定工作 的频率范围。 【数据传输速率 Rb】 数据传输速率,又称比特率,指每秒钟实际传输的比特数,是信息传输速率(传信率) 的度量。 单位为 “比特每秒 (bps) ” 。 其计算公式为 S=1/T。 T 为传输 1 比特数据所花的时间。 【波特率 RB】 波特率,又称调制速率、传符号率(符号又称单位码元) ,指单位时间内载波参数变化 的次数, 可以以波形每秒的振荡数来衡量, 是信号传输速率的度量。 单位为 “波特每秒 (Bps) ” , 不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息,所以它与比特率是不同的概念。 【码元速率和信息速率的关系】 码元速率和信息速率的关系式为: Rb=RB*log2 N。其中,N 为进制数。对于二进制的 信号,码元速率和信息速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的关系。 1924 年,奈奎斯特(Nyquist)推导出理想低通信道下的最高码元传输速率公式:理想 低通信道下的最高 RB = 2W Baud。其中,W 为理想低通信道的带宽,单位是赫兹(Hz) ,即 每赫兹带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 对于理想带通信道的最高 码元传输速率则是:理想带通信道的最高 RB= W Baud,即每赫兹带宽的理想带通信道的最 高码元传输速率是每秒 1 个码元。 符号率与信道带宽的确切关系为: RB=W(1+α )。 其中, 1/1+α 为频道利用率,α 为低通滤波器的滚降系数,α 取值为 0 时,频带利用 率最高,但此时因波形“拖尾”而易造成码间干扰。它的取值一般不小于 0.15,以调解频带 利用率和波形“拖尾”之间的矛盾。 奈奎斯特定律描述的是无噪声信道的最大数据传输速率 (或码元速率) 与信道带宽之间 的关系。 【香农】 香农是在研究信号经过一段距离后如何衰减以及一个给定信号能加载多少数据后 得到了一个著名的公式,它描述有限带宽、有随机热噪声信道的最大数据传输速率(或码元 速率)与信道带宽、信噪比(信号噪声功率比)之间的关系,以比特每秒(bps)的形式给 出一个链速度的上限。 香农指出:在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,数据传输速率 Rb 与信道带 宽 W、信噪比 S/N 的关系为: Rb=W*log2(1+S/N)。 其中,Rb 是可得到的链速度,W 是链的带宽,S 是平均信号功率,N 是平均噪声 功率,信噪比(S/N)通常用分贝(dB)表示,而分贝数=10×lg(S/N) 。 香农应用举例: 通常, 支持音频电线Hz, 而一般链典型的信噪比是 30dB,即 S/N=1000,因此我们有 R=3000×log2(1001) ,近似 等于 30Kbps,是 28.8Kbps 调制解调器的极限,因,此如果电话网络的信噪比没有改善或不 使用压缩方法,调制解调器将达不到更高的速率。 正是因为通信信道的最大传输速率与信道带宽之间存在明确关系, 所以人们通常用 “带 宽”去取代“速率” 。 带宽、速率和码元宽度问题 首先要清楚带宽和速率的关系:信道带宽与数据传输速率的关系可以奈奎斯特(Nyquist)准则 与香农(Shanon)定律描述。 奈奎斯特准则指出:如果间隔为π /ω (ω =2π f),通过理想通信信道传输窄脉冲信号,则前后 码元之间不产生相互窜扰。因此,对于二进制数据信号的最大数据传输速率 Rmax 与通信信 道带宽 B(B=f,单位 Hz)的关系可以写为: Rmax=2.f(bps) ,对于二进制数据若信道带宽 B=f=3000Hz,则最大数据传输速率为 6000bps。 奈奎斯特描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。 香农则描述了有限带宽、 有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、 信噪比之间的 关系。 香农指出:在有随机热噪声的信道上传输数据信号时,数据传输速率 Rmax 与 信道带宽 B、信噪比 S/N 的关系为: Rmax=B.log2(1+S/N) 式中,Rmax 单位为 bps,带宽 B 单位为 Hz,信噪比 S/N 通常以 dB(分贝)数表示。若 S/N=30(dB),那么信噪比根据公式: S/N(dB)=10.lg(S/N) 可得,S/N=1000。若带宽 B=3000Hz,则 Rmax≈30kbps。香农定律给出了一个有限带宽、 有热噪声信道的最大数据传输速率的极限值。它表示对于带宽只有 3000Hz 的通信信道,信 噪比在 30db 时,无论数据采用二进制或更多的离散电平值表示,都不能用越过 0kbps 的速 率传输数据。 另外在弄清楚速率和码元宽度的关系: 码元传输速率 RB 简称传码率,又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目,单位 是波特(Baud) ,记为 B。 例如,若 1 秒内传 2400 个码元,则传码率为 2400B。 数字信号有多进制和二进制之分,但码元速率与进制数无关,只与传输的码元长度 T 有关: 信息传输速率 Rb 简称传信率,又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特 数,单位是比特/秒,可记为 bit/s ,或 b/s ,或 bps。 每个码元或符号通常都含有一定 bit 数的信息量,因此码元速率和信息速率有确定的关系, 即 Rb=RB log2 M (b/s) 式中, M 为符号的进制数。 例如码元速率为 1200B, 采用八进制 (M=8) 时, 信息速率为 3600b/s; 采用二进制(M=2)时, 信息速率为 1200b/s,可见,二进制的码元速率和信息速率在数量 上相等,有时简称它们为数码率。 码元、波特率、比特率、电平、频道带宽等概念的理解 码元: 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。 这样的时间间隔内的信号 称为二进制码元,而这个间隔被称为码元长度。 符号: 即用于表示某数字码型[据位数不同,对应不同的键控调制方式]的一定相位或幅度值的一段 正弦载波[其长度即符号长度]。 符号速率即载波信号的参数(如相位)转换速率,实际上是载波状态的变化速率。符号率越 高,响应的传输速率也越高,但信号中包含的频谱成分越高,占用的带宽越宽。 波特率: 即 调制速率 或 符号速率, 指的是信号被 调制 以后在单位时间内的 波特 数, 即单位时 间内 载波 参数变化(相位或者幅度)的次数。它是对信号传输速率的一种度量,通常以“波 特每秒” (Bps)为单位。 波特率有时候会同 比特率 混淆,实际上后者是对信息传输速率(传信率)的度量。波特 率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数(传符号率) ,通过不同的调制方法可以在 一个码元上负载多个比特信息。 因此信息传输速率即比特率在数值上和波特率有这样的关系: 波特率 = 比特率/每符号含的比特数 信号的带宽取决于波特率,也就是说跟编码算法有关。如果编码算法可以使得每个符号(一 段载波)能够传送(表示)更多的比特,则传同样的数据所需要的带宽更窄! 另外,A/D 编码算法,是压缩数据量的关键,模拟语音经过不同 A/D 编码的算法,产生的数 据量是有所不同的。 例如:设信道带宽为 3MHz,信噪比 S/N 为 2dB(即 100 倍),若传送 BPSK 信号则可达到的最大 数据速率是多少? 解答:带噪信道应该用香农公式计算,最大数据速率为 3M × log2(1+100) bps = 3M × 6.65 = 20MHz, 对于 BPSK 信号,正弦载 波用两种相位状态,表示 1 比特(0 或 1)。其波特率也是 20MHz。 如果传输的是 QPSK 的信号,一个正弦载波可以有 4 个不同的相位,可以表示两位二进制数 位的 4 种信息状态。那么波特率为 0.5×20MHz= 10MHz, 所以根据香农移项可知,只需 要占用 1.5MHz 的带宽。 可以这样理解,对于待传输的货物(一定数目的二进制比特),用箱子(符号或者调制方式) 去装货,如果每个箱子多装一点(每符号多表示几个比特) ,那么运的次数少一些,效率高 (带宽少) ;反之则效率低。 比特率 这个词有多种翻译,比如码率等,表示经过编码(压缩)后的音频数据每秒钟需要用多少个 比特来表示,而比特就是二进制里面最少的单位,要么是 0,要么是 1。比特率与音频压缩 的关系简单的说就是比特率越高音质就越好, 但编码后的文件就越大; 如果比特率越少则情 况刚好翻转。 电平: “电平”就是指电中两点或几点在相同下电量的相对比值。这里的电量自然指“电 功率” 、 “电压” 、 “电流”并将倍数化为对数,用“分贝”表示,记作 “dB” 。分别记作: 10lg(P2/P1)、20lg(U2/U1)、20lg(I2/I1)上式中 P、U、I 分别是电功率、电压、电流。--“dB” 有两个好处:其一读写、计算方便。如多级放大器的总放大倍数为各级放大倍数相乘,用分 贝则可改用相加。其二能如实地反映人对声音的感觉。实践证明,声音的分贝数增加或减少 一倍,人耳听觉响度也提高或降低一倍。即人耳听觉与声音功率分贝数成正比。例如蚊子叫 声与大炮响声相差 100 万倍,但人的感觉仅有 60 倍的差异,而 100 万倍恰是 60dB。 ---------------------------------------------------以下是 baidu 中的解释 数字信道传送数字信号的速率称为数据传输速率或比特率. 比特率这个词有多种翻译,比如码率等,表示经过编码(压缩)后的音频数据每秒钟需要用 多少个比特来表示,而比特就是二进制里面最少的单位,要么是 0,要么是 1。比特率与音 视频压缩的关系简单的说就是比特率越高音视频的质量就越好, 但编码后的文件就越大; 如 果比特率越少则情况刚好翻转。 例如:以 500Kbps 来编码音视频。 其中 bps 是 比特 1K= 1010=1024 b 就是比特(bit) s 就是秒(second) p 就是每(per) 所以,以 500kbps 来编码表示经过编码后的音视频数据每秒钟需要用 500K 的比特来表示 在基带传输系统中用比特率表示传输的信息码率.比特率 Rb 是指单位时间内传输的二元比 特数,单位是 b/s.例如计算机串口的传输码率最高到 115200b/s. 符号率或波特率 Rs 是指单位时间内传输的调制符号数,即指三元及三元以上的多元数字码流 的信息传输速率,单位是 baud/s. 在 M 进制调制中,比特率 Rb 和波特率 Rs 之间的关系为: Rb=Rslog2M 采样率是指采样样本与总样本数之比,采样数率是单位时间采样数。如果是仪器中,采样速 率为 40MSa/s,说明每秒采样数量为 40M 个,但是不能使用 40MHz 表示。 把模拟音频转成数字音频的过程,就称作采样,简单地说就是通过波形采样的方法记录 1 秒 钟长度的声音,需要多少个数据。44KHz 采样率的声音就是要花费 44000 个数据来描述 1 秒 钟的声音波形。原则上采样率越高,声音的质量越好。 ------------------------------------------------关于数据传输速率与符号率的更详尽解释 在数字通信中的数据传输速率与调制速率是两个容易混淆的概念。 数据传输速率 (又称码率、 比特率或数据带宽)描述通信中每秒传送数据代码的比特数,单位是 bps。 当要将数据进行远距离传送时,往往是将数据通过调制解调技术进行传送的,即将数 据信号先调制在载波上传送,如 QPSK、各种 QAM 调制等,在接收端再通过解调得到数据信 号。数据信号在对载波调制过程中会使载波的各种参数产生变化(幅度变化、相位变化、频 率变化、载波的有或无等,视调制方式而定) ,波特率是描述数据信号对模拟载波调制过程 中,载波每秒中变化的数值,又称为调制速率,波特率又称符号率。在数据调制中,数据是 由符号组成的,随着采用的调制技术的不同,调制符号所映射的比特数也不同。符号又称单 位码元,它是一个单元传送周期内的数据信息。如果一个单位码元对应二个比特数(一个二 进制数有两种状态 0 和 1,所以为二个比特)的数据信息,那么符号率等于比特率;如果一 个单位码元对应多个比特数的数据信息(m 个) ,则称单位码元为多进制码元。此时比特率 与符号率的关系是:比特率=符号率*log2 m,比如 QPSK 调制是四相位码,它的一个单位码元 对应四个比特数据信息,即 m=4,则比特率=2*符号率,这里“log2 m”又称为频带利用率, 单位是:bps/hz。 另外已调信号传输时,符号率(SR)和传输带宽(BW)的关系是:BW=SR(1+ α ) , α 是低通滤波器的滚降系数,当它的取值为 0 时,频带利用率最高,占用的带宽最小,但由 于波形拖尾振荡起伏大(如图 5-15b),容易造成码间干扰;当它的取值为 1 时,带外特性呈平 坦特性,占用的带宽最大是为 0 时的两倍;由此可见,提高频带利用率与拖尾相互矛 盾,为此它的取值一般不小于 0.15。例如,在数字电视系统,当α =0.16 时,一个模拟频道 的带宽为 8M,那么其符号率=8/(1+0.16)=6.896Ms/s。如果采用 64QAM 调制方式,那么 其比特率=6.896*log2 64=6.896*6=41.376Mbps 。 -------------------------------------------比较清晰的 ①波特率指信号每秒的变化次数。比特率指每秒可传输的二进制位数。在无调制的情况下, 波特率精确等于比特率。采用调相技术时,波特率不等于比特率。 ②数字信道传送数字信号的速率称为数据传输速率或比特率。 ③传输率就是指每秒传输多少位,传输率也常叫波特率。 ④波特率是指线状态更改的次数。 只有每个信号符合所传输数据的一位时, 才等于每 秒位数。 ⑤波特率是模拟线信号的速率,也称调制速率,以波形每秒的振荡数来衡量。如果数 据不压缩,波特率等于每秒钟传输的数据位数,如果数据进行了压缩,那么每秒钟传输的数 据位数通常大于调制速率,使得交换使用波特和比特/秒偶尔会产生错误。