什么是波特率、符号速率、传码率、数据速率、比特率、吞吐率、带宽

引言:波特率、符号速率、传码率、数据速率、比特率、吞吐率、带宽,工作中经常碰到这几个概念,由于这几个概念意思很接近,本节简述速率单位,图1-1示意了最基本的码元列。

什么是波特率、符号速率、传码率、数据速率、比特率、吞吐率、带宽

图1-1:码元示列

如图1-1所述,虽然有用信号是bit0~bit7,但由于通信机制的限制,必须在bit0之前加上start bit或者起始帧,在bit7之后加上stop bit或者结束帧,以及其他冗余部分。以上图来做参考,定义了如下的速率概念和单位。

€1.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),也即一个码元的时间宽度。

€2.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。

€3.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,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。

€4.数据速率(data rate)

单位bps( bits per second),data rate的具体内涵要看使用场景,有时候data rate=symbol rate,有时候data rate=bit rate,常见的有Mbps、MBps、Gbps、GBps等。Mbps(兆比特每秒)含义:Million bits per second的缩写,即每秒传输的百万比特数。“比特” 是计算机中表示信息的最小单位,一个比特只能表示0或1两种状态。应用场景:常用于描述网络连接速度,如宽带网络的接入速度、局域网中设备之间的通信速度等,例如常见的100Mbps宽带,表示每秒可以传输100兆比特的数据。MBps(兆字节每秒)含义:Million Bytes per second的缩写,即每秒传输的百万字节数。1字节等于8比特,所以1MBps等于8Mbps。应用场景:常用于衡量存储设备的数据读写速度,如硬盘、固态硬盘(SSD)、U盘等的读写速度。例如一款固态硬盘的顺序读取速度为500MBps,表示每秒可以读取500兆字节的数据。Gbps(吉比特每秒)含义:Gigabit per second 的缩写,即每秒传输的十亿比特数。1Gbps等于1000Mbps。应用场景:常用于高速网络环境,如骨干网络、数据中心内部的网络连接、高端服务器之间的通信等。例如,一些大型数据中心之间的互联网络可能采用10Gbps甚至更高速度的链路。GBps(吉字节每秒)含义:Gigabyte per second的缩写,即每秒传输的十亿字节数。1GBps等于8Gbps。应用场景:在一些对数据传输速度要求极高的场景中使用,如高性能计算中的节点间数据交换、超高速存储系统之间的数据传输等。例如,某些高端存储阵列之间的数据传输速度可以达到数GBps。

€5.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内内可以传输的数据量,是用户实际感受的最大“速度”,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。

€6.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),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,如图1-2所示,BW就是带宽。

什么是波特率、符号速率、传码率、数据速率、比特率、吞吐率、带宽

图1-2:频谱图

极限频率之差,是带宽的定义,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,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。注:奈奎斯特定理是香农采样定理的另一种表述,二者等价。

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