頻段、信道、信道帶寬、傳輸速率知識(shí)科普

無(wú)線通信是指電磁波經(jīng)過(guò)空間傳播傳遞信息的通訊方式，也被稱為無(wú)線電通信。無(wú)論是采用何種的無(wú)線接入技術(shù)，都會(huì)涉及到4個(gè)重要的參數(shù)：

第一、頻段

無(wú)線通信使用的是電磁波，既然是波，那就有頻率，通過(guò)將電磁波的頻率劃分為不同的 “段”，即是頻段。

對(duì)頻段下一個(gè)定義

頻段：是指一個(gè)連續(xù)電磁波的頻率范圍

可以通俗的把頻段理解為，兩個(gè)地方之間的高速公路。

案例：

通常無(wú)線路由器都會(huì)有兩個(gè)頻段：2.4GHz和5GHz。即兩條不同的路，好比汽車在高速公路，地鐵在地下軌道，各有千秋。

波長(zhǎng)=波速 * 周期=波速/頻率，所以頻率越高，波長(zhǎng)越短。

為什么2.4GHz穿墻能力強(qiáng)，5GHz傳輸快？

正是由于2.4GHz的頻率較低，所以波長(zhǎng)更長(zhǎng)，更容易繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播。

家電、無(wú)線等設(shè)備多數(shù)使用的2.4G頻段，無(wú)線環(huán)境更加擁擠，干擾較大，而5GHz的頻寬較寬，設(shè)備較少，從而干擾也少。

兩個(gè)常用頻段對(duì)比

第二、信道

上面我們知道了劃分頻段，信道就是在頻段基礎(chǔ)上的更進(jìn)一步的劃分。

為什么需要再劃分呢？

目的是為了避免很多個(gè)設(shè)備之間的競(jìng)爭(zhēng)，在Wi-Fi頻段被劃分為14個(gè)信道

既然是避免沖突，為什么不多劃分很多信道呢？

首先，信道越多，那每個(gè)信道的寬度就很窄了，信道里邊終端的沖突概率就變得更大了，如果想要避免或是減少?zèng)_突，那么則需要花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)監(jiān)測(cè)沖突，有問(wèn)題的情況下，還需要重發(fā)數(shù)據(jù)包，那么速度肯定也提不上去。

路就那么點(diǎn)寬，你要分100個(gè)車道，那每個(gè)車道就窄得不得了了，不說(shuō)速度如何，硬件要實(shí)現(xiàn)可用都要困難好多了。

想想一個(gè)路由器是接入幾十、上百個(gè)終端s設(shè)備，這個(gè)其實(shí)是把所在信道的頻率范圍再細(xì)分進(jìn)行復(fù)用。因?yàn)轭l率的范圍不能分太細(xì)，分太細(xì)，信道內(nèi)的終端發(fā)送信號(hào)時(shí)沖突的概率就變大了，需要消耗更多的時(shí)間來(lái)檢測(cè)沖突、進(jìn)行重發(fā)，速度自然就上不去了。

Wifi的2.4GHz和5GHz指的是頻率，其中的區(qū)別就是頻率的不同，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)和頻率是成反比的，所以2.4GHz的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，5GHz的波長(zhǎng)比較短。

第三、信道帶寬

一個(gè)信道中最大頻率與最小頻率的差，就叫做信道帶寬，這個(gè)值體現(xiàn)了信道覆蓋的頻率范圍的大小。

在Wi-Fi中，每個(gè)信道的帶寬是22MHz。但是，實(shí)際使用中，有效的帶寬是20MHz，其中有2MHz是隔離頻帶，起保護(hù)作用。

20MHz信道帶寬對(duì)應(yīng)的是65M帶寬 ，它的特性是穿透性好、傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)（100米左右）。

40MHz信道帶寬對(duì)應(yīng)的是150M帶寬 ，它的穿透性差、傳輸?shù)木嚯x較近 （50米左右)。

很多路由器，可以開(kāi)啟信道的自動(dòng)切換功能：

信號(hào)強(qiáng)度的其絕對(duì)值越小，說(shuō)明信號(hào)越強(qiáng)。你也可以根據(jù)周圍的環(huán)境中其他信號(hào)使用的信道和強(qiáng)度，選一個(gè)沒(méi)有使用的信道、或者周圍弱信號(hào)使用的信道。提升路由器的使用效率

第四、傳輸速率

傳輸速率在這里指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目炻瑔挝皇潜忍?秒。影響它因素很多，主要是信道帶寬和頻率。帶寬越大，傳輸速率越大。頻率越高，傳輸速率越高。

另外，還有一些另外的技術(shù)來(lái)提供傳輸速率，例如正交頻分復(fù)用、MIMO等。具體的方式我們現(xiàn)在不用了解。

傳輸速度的單位是每秒比特（bit/s）或每秒字節(jié)（Byte/s）。

有點(diǎn)像稱重里面的公斤與斤、公里與里，這樣的換算關(guān)系。

1字節(jié)=8比特，也就是1：8的關(guān)系。

通常所說(shuō)的2M是指每秒2兆比特（即2Mbit/s），

而在計(jì)算機(jī)等用戶終端上顯示的通常是每秒字節(jié)數(shù)(Byte/s)。

2M對(duì)應(yīng)每秒256k字節(jié)，扣除用于控制連接所占用的字節(jié)，用戶電腦顯示的就不到256k字節(jié)（256kB）。這就好比用戶購(gòu)買(mǎi)的是“里”，但電腦顯示的是“公里”。

第五：波特率

在電子通信領(lǐng)域，波特（Baud）即調(diào)制速率，指的是有效數(shù)據(jù)訊號(hào)調(diào)制載波的速率，即單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)變化的次數(shù)。

波特率表示單位時(shí)間內(nèi)傳送的碼元符號(hào)的個(gè)數(shù)，它是對(duì)符號(hào)傳輸速率的一種度量，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來(lái)表示，波特率即指一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)傳輸符號(hào)的個(gè)數(shù)。波特（Baud，單位符號(hào)：Bd）這一單位是以法國(guó)電訊工程師埃米爾·博多（法語(yǔ)：émile Baudot）（1845-1903）的姓氏來(lái)命名的，他是數(shù)位通訊的先驅(qū)之一，是電傳與博多式電報(bào)機(jī)的發(fā)明人。

第六：串口波特率

在電子通信領(lǐng)域，比特、波特等都是我們常提到的概念，隨之衍生出來(lái)的就是比特率和波特率， 這些在通信網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)研究中是十分重要的。與此同時(shí)，頻譜帶寬又是一個(gè)不得不提到的概念，它與比特率和波特率又有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，接下來(lái)就帶大家一探究竟。

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(gè)比特。顯而易見(jiàn)，比特率越高，每秒傳送的比特?cái)?shù)量就越多。比特?cái)?shù)量多，意味著單位時(shí)間獲取的信息就多，網(wǎng)速自然就越快。

總的來(lái)說(shuō)，比特率是每秒鐘傳送的比特?cái)?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?cái)?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(hào)（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(hào)單元稱為碼元，也稱為符號(hào)（symbol）。

實(shí)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(xí)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(gè)生活的例子，加深一下對(duì)這兩個(gè)概念的理解。通信系統(tǒng)有點(diǎn)像我們的公共交通運(yùn)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(cái)?shù)量類比為出行的人，則比特率為出行人口流動(dòng)速度，波特率就是發(fā)車率。

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(huà)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(hào)調(diào)制、也不考慮糾錯(cuò)編碼等其它因素的公式。當(dāng)考慮碼元多路傳輸時(shí)，比特率與波特率的關(guān)系會(huì)變成怎么樣了呢？

例如我們采用偏振多路復(fù)用（PDM，Polarization Division Multiplexing）方式調(diào)制待傳輸?shù)拇a元，則可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)雙路傳輸，使得信號(hào)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(zhǎng)信道中，通過(guò)光的兩個(gè)相互正交偏振態(tài)，同時(shí)傳輸兩路獨(dú)立數(shù)據(jù)信息，等于實(shí)現(xiàn)了雙通道傳輸，因此可使得信號(hào)的比特率提升了一倍。

顯然加入多路復(fù)用技術(shù)后，比特率Rb和波特率Rs關(guān)系變?yōu)椋?/p>

當(dāng)再考慮信息糾錯(cuò)編碼時(shí)，比特率與波特率的關(guān)系又會(huì)變成怎么樣了呢？

加上信息糾錯(cuò)編碼等因素，則實(shí)際比特率也會(huì)根據(jù)糾錯(cuò)編碼開(kāi)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(cuò)方法采用編碼開(kāi)銷為20%的SD-FEC，波特率為32GB，

實(shí)際比特率為258.48Gbit/s。

比特率、波特率、頻譜帶寬是什么關(guān)系呢？

頻譜帶寬其實(shí)是通信信號(hào)的最高頻率與最低頻率的差值。信號(hào)的波特率越高，在通信信道中傳輸此信號(hào)時(shí)，占用的通信信道頻譜帶寬就越大。就好比，在運(yùn)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(guò)提升波特率以及單個(gè)碼元比特位數(shù)，進(jìn)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(hào)波特率 ，通常芯片波特率有45GB、 69GB、 96GB、 128GB。如果所設(shè)計(jì)的信號(hào)波特率大于設(shè)備芯片波特率，則說(shuō)明此信號(hào)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闆](méi)芯片可以支持此信號(hào)的產(chǎn)生。

同時(shí)根據(jù)香農(nóng)定理和經(jīng)驗(yàn)，信號(hào)所需的頻譜寬度數(shù)值應(yīng)大于信號(hào)波特率的1.2倍，才能保證信號(hào)可以被高質(zhì)量傳輸。在不考慮其它影響傳輸?shù)囊蛩?，我們可以根?jù)香農(nóng)定理和經(jīng)驗(yàn)，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(hào)比特率約為219Gbit/s，則信號(hào)波特率和頻率關(guān)系如下：

加上余量考慮，此時(shí)，推薦采用62.5GHz的頻譜帶寬，而不是50GHz的頻譜帶寬傳輸信號(hào)。

總結(jié)

比特率、波特率、頻譜帶寬是通信系統(tǒng)中的重要指標(biāo)。

波特率越高，比特率越高，所占用的信道頻譜帶寬也越大。

審核編輯：劉清