波特率和比特率有什么关系？香农定理是什么？

百科 2024-11-23 10:29 北京

一、波特率和比特率有什么关系？

比特率是指每秒传送的比特(bit)位数（即0或1）。常见的单位有kbps，Mbps，Gbps等等。通常也称之为信号速率。比特率越高，每秒传送数据就越多。

波特率是指每秒钟传送码元符号的个数，是衡量数据传送速率指标，单位为Baud。

当信号是非归零码（NRZ）的时候，比特率就等于波特率了。比如USB3.0的信号速率是5Gbps，那么其比特率是5Gbps；又因为它是NRZ编码信号，那么其波特率也就是5GBaud。但是在NRZ信号中很少说波特率。

二、香农定理Shannon Equation

1948年，香农(Shannon)提出了信息论，导出了香农公式。

Capacity: The Maximum data rate can be reached in channel 信道支持的最大data rate（信道容量）。

香农公式表明：信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。

其中，C表示信道容量，B表示测得的带宽 (Hz)，S表示接收的信号平均功率 (W)，N表示平均噪声功率(W)。信道容量可以通过增加带宽或优化信噪比 (SNR = S/N) 来增加。实际上，该定理给出了理论上的最大值，但没有说明哪种信号概念可以让我们最接近这一极限。

无线信道不是可以任意增加传送信息的速率，它受其固有规律的制约，就像城市道路上的交通状况，受到道路宽度、车辆数量等因素影响。这个规律就是香农定理。

其结论为：

1. 在给定B、S/N的情况下，信道的极限传输能力为C，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。这就是说，如果信道的实际传输速率大于C值，则无差错传输在理论上就已不可能。因此，实际传输速率一般不能大于信道容量，除非允许存在一定的差错率。

2. 提高信噪比S/N（通过减小N或增大S），可提高信道容量C。特别是，若N→0，则C →∞，这意味着无干扰信道容量为无穷大；

3. 增加信道带宽，也可增加信道容量，但做不到无限制地增加。

三、学习无线通信，最核心和基础的概念有几个：

1.信噪比：说明了信号和噪声的相对关系。

2.奈奎斯特采样定律：说明了模拟和数字的变换关系。

3.香农定律：叫香农极限更合适，没有解决怎么设计的问题，是解决了一个理论极限问题。

4.电磁波传输损耗模型：电磁波在自由空间的传输损耗值。

5.电磁转换原理：天线发射的发射与接收的电磁信号转换。

6.天线的增益与方向图：了解天线的各项指标的大小和相互制约关系，选择合适的方案，是无线通信工程化的主要工作之一。

四、射频发射机和发射机性能指标

发射机（Transmitter，TX）的主要功能是调制、上变频、功率放大。目的是把基带信号进行调制并变频到规定的频段，并且使其有足够的功率发射出去。

发射机发射质量的好坏必须要有指标来衡量和保证，这些指标就是发射机的性能参数。这些指标大致可以归结为三类：功率指标（如输出功率、功率控制）；频率指标（如工作频段、频率误差）；非线性产物指标（如频谱模板、杂散、调制质量等），用来衡量信号的轮廓等是否发生畸变，信号是否标准。

1.输出功率（Pout）

射频发射电路最主要的目的便是传递功率，以一定的功率强度对信号进行传输。输出功率通常有峰值功率（Peak Power）和平均功率（Average Power）。

2.功率控制（Power Control）

系统都要对功率进行调整，建立通信连接时，WCDMA的开环功率控制（Opening Loop Power Control，OLPC）；在连接过程中，WCDMA的内环功率控制（Inner Loop Power Control，ILPC）；Wi-Fi根据信号强度对速率的调整。对功率的调整都是功率控制。

3.频率指标

频率指标包括工作频段（Operating Band）、信道带宽（Channel Bandwidth）和频率误差（Frequency Error）。任何一个无线通信系统都有规定的工作频率，这个工作频率的区间就是工作频段或频率范围。各个信道（Channel）也有自己的信道频率范围。频率误差指已调载波的频率和理想载波频率的差值。衡量发射机载波频率精确度的指标。验证发射载波频率的频率误差是否符合要求，较大的频率误差会增加上行链路（发射）的发送错误。

4.非线性产物指标

非线性产物指标包括频谱模板、杂散、调制质量等。非线性是有源器件的重要特性。功率放大器，其特性曲线并不是纯线性的，在某一段近似线性的范围内使用，超过这一范围就会产生很多非线性产物。

当一个信号输入到非线性电路时，其输出就不再是一个单独的信号，不仅包含基波分量，还有诸如二次谐波、三次谐波、四次谐波等各次谐波分量。由非线性引起的几个产物或现象主要有谐波、杂散、增益压缩、阻塞、交叉调制、互调干扰等。

谐波，ω为基波，2ω和3ω为二次谐波和三次谐波，以及N次谐波Nω。

5.频谱模板

承载调制信息的射频载波都有特定的频率响应，这个响应就是频谱图，也称为频谱模板。实际上，频谱模板主要为了测试发射机信道外的包络，也就是杂散（有害信号）。距离载波中心频率一定距离的带外（信道外）杂散频谱能量，信道外有害功率的频谱图。确保发射杂散频谱符合要求，若发射杂散的频谱超出规范要求，会对其他信道或通信系统造成干扰。

6.杂散

杂散分为带内杂散和带外杂散。杂散的成分复杂，包括谐波、交调、互调，以及其他非线性产物。带内杂散，在工作频段内，该信道（Channel）产生而落在其他信道上的杂散信号。带外杂散是指落在工作频段外的杂散，有时也指落在信道外的杂散。

7.调制质量

由于器件的非线性因素（信号在频率和幅度变化上不呈线性关系）导致调制信号和理想信号有误差，除了产生杂散还会导致信号畸变。对于恒包络已调信号（信号的幅度不变），调制时可以用频率误差和相位误差来衡量调制质量。对于非恒包络已调信号，因为有幅度上的变化，通常用EVM（Error Vector Magnitude，矢量幅度误差，简称为矢量误差）来衡量调制质量。

矢量误差（EVM）是指发射信号的矢量与理想无误差信号的矢量差。波形误差，即发射波形和理论波形之间的差值，用矢量表示。验证发射机的调制性能，过大的矢量误差会增加上行链路的发送错误。

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