波特率/符号速率/传码率/数据速率/比特率/吞吐率/带宽区别

工作中我们经常碰到这几个概念,由于这几个概念意思很接近,给我们带来很大的困惑,有时还把他们搞混,今天我们就来谈谈这几个概念,希望对大家理解他们能有所帮助。

在讲述这几个概念之前,我们先看看信号一般是如何在信道上传输的。

如上图所述,虽然我们只想传输bit0~bit7,但由于通信机制的限制,我们必须在bit0之前加上start bit,在bit7之后加上stop bit,以及其他冗余部分。以上图来做参考,我们看看上述概念都是如何定义的。

波特率(Baud or Baud rate),单位bps (bits per second)或者baud本身就是单位,即1baud = 1bps,波特率就是图中的t1,表示一秒钟最多可以传输多少个符号(码元)。

Symbol rate(符号速率,或者传码率,或者码元传输速率),单位sps(symbol per second),symbol rate就等于波特率,即符号速率(传码率)也对应图中的t1。

比特率(bit rate),单位bps( bits per second),比特率跟符号速率(传码率)意思很接近,像图中情况,你可以认为比特率=符号速率,因为图中一个符号表示一个比特。但有很多系统,一个符号可以表示多个bit,比如4PSK(QPSK),一个符号表示2个比特,因此比特率=2*符号速率。也有很多系统,多个符号表示一个bit,比如BLE coded PHY,8个符号表示一个bit,这个时候,比特率=符号速率/8。有时候,比特率也可以用来表示有效bit速率,比如上图,整个t2时间实际只传输了8bit数据(另外2bit数据属于无效数据),因此你可以认为bit rate = 8/10 symbol rate

数据速率(data rate),单位bps( bits per second),data rate的具体内涵要看语境,有时候data rate = symbol rate,有时候data rate = bit rate。

吞吐率(data throughput),单位bps或者Bps(bits/bytes per second),吞吐率度量的是一个比较长的时间,是用户实际感受的最大“速度”,就如上图中的t3,把t3时间传输的全部有效字节除以t3,就是吞吐率。计算吞吐率时,不仅要扣除像start bit/stop bit这种冗余bits,还要扣除字节与字节之间的延时时间,以及块与块之间的延时时间,等等,因此吞吐率比数据速率要“慢”得多。

带宽(bandwidth)。带宽有多重内涵,在计算机和网络领域,带宽基本等价于吞吐率,单位为bps或者Bps(bits/bytes per second),请参考上面“吞吐率”说明。在信号处理/射频/微电子学领域,带宽就是两个极限频率之差,如下图所示,B就是带宽。

极限频率之差,这才是带宽的本意,而吞吐率可以说是带宽的延伸义,为什么带宽可以延伸为“吞吐率”的意思?这个是由奈奎斯特(Nyquist)定理而来的,1924年,奈奎斯特推导出有限带宽无噪声信道的极限传码率,称为奈奎斯特定理。若信道带宽为W(单位Hz),则奈奎斯特定理的最大码元速率B(单位:sps或者baud)为:
B=2W

从上述公式可知,带宽直接决定了信道的最高传码率,因此用带宽来表示吞吐率也就在情理之中了。

注:奈奎斯特定理其实就是香农采样定理的另一种表述,两者是等价的。

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