比特率、波特率與頻譜帶寬關系，你知道多少？
我們常說的千兆寬帶、100G光網絡，兆和G是指什么呢？
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202404/457373.htm沒錯！是比特率（Bit Rate）！聰明的你已經答對啦！與比特率類似的還有波特率、頻譜帶寬。
PART.01
什么是比特率和波特率？
寬帶網絡里面提及的千兆即1000Mbit/s，一般描述的是我們家網絡端口每秒最大可接收0、1比特（bit）的數量，即每秒可接收1000x106個比特。顯而易見，比特率越高，每秒傳送的比特數量就越多。比特數量多，意味著單位時間獲取的信息就多，網速自然就越快。
總的來說，比特率是每秒鐘傳送的比特數量，又稱為傳信率。比特率基本單位為bit/s或bps，全稱為bit per second。如果每秒鐘內傳送的比特數量較多，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）數量，又稱為傳碼率，單位是波特（Baud、B，即symbol/s）。在通信系統中，攜帶數據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。
通信系統有點像我們的公共交通運輸系統。我們可以把通信系統中碼元類比為公共交通車輛，例如公交車、地鐵、的士……。通信系統所傳輸的比特數量類比為出行的人，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量的出行人員一樣，不同碼元也可以用不同位數的比特表示。碼元所需要的比特位數，由碼元支持的狀態數量確定。
下面是2、4、8種狀態的碼元與比特位數關系表：
由此可得出，假設碼元狀態為N，則此碼元所需要的比特位數如下：
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、碼元狀態總數量N后，對應比特率Rb關系如下：
如果已知的是比特率Rb、碼元狀態總數量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）方式調制待傳輸的碼元，則可以實現同時雙路傳輸，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，同時傳輸兩路獨立數據信息，等于實現了雙通道傳輸，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關系變為：
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糾錯編碼開銷的比率增加。例如在200G光網絡系統中，采用16QAM調制方法，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，進而提升比特率。此外，通信系統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的，因為沒芯片可以支持此信號的產生。
同時根據香農定理和經驗，信號所需的頻譜寬度數值應大于信號波特率的1.2倍，才能保證信號可以被高質量傳輸。在不考慮其它影響傳輸的因素，我們可以根據香農定理和經驗，粗略算出波特率與所需頻譜帶寬的關系。
例如：某200G光網絡中，采用27%的FEC和8QAM調制技術，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
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。
可愛的粉絲們，還有什么想了解的知識，歡迎留言哦~
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