比特率、波特率、频谱带宽、1 分钟搞清

  我们常说的千兆宽带、100G 光网络，兆和 G 是指什么呢?

  没错!是比特率(Bit Rate)!聪明的你已经答对啦!与比特率类似的还有波特率、频谱带宽。

  但是比特率、波特率与频谱带宽关系，你知道多少?

  别着急，下面文档君为你解密。

  PART.01 什么是比特率和波特率?

  宽带网络里面提及的千兆即 1000Mbit / s，一般描述的是我们家网络端口每秒最大可接收 0、1 比特(bit)的数量，即每秒可接收 1000x106 个比特。显而易见，比特率越高，每秒传送的比特数量就越多。比特数量多，意味着单位时间获取的信息就多，网速自然就越快。

  总的来说，比特率是每秒钟传送的比特数量，又称为传信率。比特率基本单位为 bit / s 或 bps，全称为 bit per second。如果每秒钟内传送的比特数量较多，比特率单位可换算为 Kbit / s、Mbit / s、Gbit / s。此处的 K、M、G 分别代表 1000(103)、1000000(106)、1000000000(109)。

  与比特率非常容易混淆的是波特率。

  波特率定义是：每秒钟传送的符号(码元)数量，又称为传码率，单位是波特(Baud、B，即 symbol / s)。在通信系统中，携带数据信息的信号单元称为码元，也称为符号(symbol)。

  实际上波特(Baud)已经是表示速率了，可别把波特率翻译成 Baud Rate，用 Baud 表示即可，Rate 是多余的。但是，中文已习惯叫波特率，所以还是用“波特率”的称呼表示“波特”。

  我们举一个生活的例子，加深一下对这两个概念的理解。

  通信系统有点像我们的公共交通运输系统。我们可以把通信系统中码元类比为公共交通车辆，例如公交车、地铁、的士……。通信系统所传输的比特数量类比为出行的人，则比特率为出行人口流动速度，波特率就是发车率。

  PART.02 比特率和波特率是什么关系呢?

  要讨论比特率与波特率的关系，需要先了解码元与比特的关系。就像刚才的例子中提及的公交车、地铁、的士可以搭乘不同数量的出行人员一样，不同码元也可以用不同位数的比特表示。码元所需要的比特位数，由码元支持的状态数量确定。

  下面是 2、4、8 种状态的码元与比特位数关系表：

  由此可得出，假设码元状态为 N，则此码元所需要的比特位数如下：

  画图表示码元、比特的传输关系如下：

  从图很容易推出，已知波特率 Rs、码元状态总数量 N 后，对应比特率 Rb 关系如下：

  如果已知的是比特率 Rb、码元状态总数量 N，则对应波特率 Rs 关系如下：

  上述比特率与波特率公式仅是考虑信息净荷，不考虑信号调制、也不考虑纠错编码等其它因素的公式。

  当考虑码元多路传输时，比特率与波特率的关系会变成怎么样了呢?

  例如我们采用偏振多路复用(PDM，Polarization Division Multiplexing)方式调制待传输的码元，则可以实现同时双路传输，使得信号的比特率提升了一倍。

  偏振即利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态，同时传输两路独立数据信息，等于实现了双通道传输，因此可使得信号的比特率提升了一倍。

  (信号调制的更详细说明可参考微信公共号“鲜枣课堂”的文章“关于光通信的最强进阶科普”。)

  显然加入多路复用技术后，比特率 Rb 和波特率 Rs 关系变为：

  当再考虑信息纠错编码时，比特率与波特率的关系又会变成怎么样了呢?

  加上信息纠错编码等因素，则实际比特率也会根据纠错编码开销的比率增加。例如在 200G 光网络系统中，采用 16QAM 调制方法，编码纠错方法采用编码开销为 20% 的 SD-FEC，波特率为 32GB，

  ，实际比特率为 258.48Gbit / s。

  (纠错编码的更详细说明可参考“为了清晰传达新春祝福，你知道 FEC 有多努力吗?”。)

  PART.03 比特率、波特率、频谱带宽是什么关系呢?

  频谱带宽其实是通信信号的最高频率与最低频率的差值。信号的波特率越高，在通信信道中传输此信号时，占用的通信信道频谱带宽就越大。就好比，在运输系统中，车型越大，行车占用的道路宽度就越大。

  受硬件芯片处理速度的限制，为提升比特率，可通过提升波特率以及单个码元比特位数，进而提升比特率。此外，通信系统还要求设备芯片波特率≥信号波特率 ，通常芯片波特率有 45GB、 69GB、 96GB、 128GB。如果所设计的信号波特率大于设备芯片波特率，则说明此信号是无法实现的，因为没芯片可以支持此信号的产生。

  同时根据香农定理和经验，信号所需的频谱宽度数值应大于信号波特率的 1.2 倍，才能保证信号可以被高质量传输。在不考虑其它影响传输的因素，我们可以根据香农定理和经验，粗略算出波特率与所需频谱带宽的关系。

  例如：某 200G 光网络中，采用 27% 的 FEC 和 8QAM 调制技术，信号比特率约为 219Gbit / s，则信号波特率和频率关系如下：

  加上余量考虑，此时，推荐采用 62.5GHz 的频谱带宽，而不是 50GHz 的频谱带宽传输信号。

  PART.04 总结

  今天，文档君又和大家一起学到了知识：

  比特率、波特率、频谱带宽是通信系统中的重要指标。

  波特率越高，比特率越高，所占用的信道频谱带宽也越大。