通信界和计算机界对带宽的理解有所不同,通信界和电气相关,我们常说的第一零点带宽,信道带宽、信号带宽之类的词其实是频率轴的范围(单位是Hz),而计算机界说的带宽bandwidth其实是数据的传输速率,单位是bit/s。
1.带宽
一般用来描述两种对象,一个是信道(channel),另一个是信号(signal)。对于信道来说,又可分为两种,模拟信道和数字信道。对信号来说,也可分为两种,数字信号和模拟信号。模拟信号的带宽单位与模拟信道带宽相同。数字信号的带宽使用数字信号的传输速度来表示。数字信号一般传输速率是可变的。在传输数字信号时,可以用最大信号速率(峰值速率)、平均信号速率或最小信号速率来描述数字信号。
信道的带宽:对信道来说,带宽是衡量其通信能力的大小的指标。对模拟信道,使用信道的频带宽度来衡量。如果一个信道,其最低可传输频率为f1的信号,最高可传输频率为f2的信号,则该模拟信道的带宽是:模拟信道的带宽 = f2-f1 (f2 > f1)描述模拟信道带宽时,带宽的单位是Hz。模拟信号的带宽是指信号的波长或频率的范围,用于衡量一个信号的频率范围,单位是Hz(每秒钟电波的重复震动次数)。一般的电信号(模拟信号),都是由各种不同频率的电磁波所组成,对于这个电信号来说,其包含的电磁波的频率范围,称为这个电信号的带宽。比如人的声波信号,其绝大部分的能量,集中在300Hz ~ 3400Hz这个范围,因此我们称语音信号的带宽是3.1Khz(3400-300)。
对于数字信道的通信能力,使用信道的最大传输速率来衡量。描述数字信道带宽时,带宽的单位是bps( bit per second)。如果一个数字信道,其最大传输速率是100Mbps,我们称其带宽为100Mbps。
补充一下符号速率(也叫码元速率)和比特速率(也叫信息速率)的关系:(如下图)
2.信号带宽
首先对于一个矩形脉冲信号来说 ,在时域,每个门脉冲持续时间为τ。
那么我们看看它的频谱,由信号与系统的知识我们都知道时域的周期化对应于频域的离散化,所以它的频谱应该是一根根离散的谱线。(推导自己看傅里叶技术的知识推吧)
从上图中明显的看出,它的第一零点带宽B(f)=w/2pi=1/τ,也就是说周期矩形信号其带宽(通常用的是第一零点带宽)等于其周期的倒数。
如果这是一个数字信息序列,即01010的信号,每个bit信息的宽度τ被称为码元周期或码元宽度(这里用二进制,所以1个码元等于1个bit)。其信息速率Rb(或bit率)=1/τ,即每秒中发送的bit信息。
那么带宽B和信息速率是不是相等了呢?对,没看到他们都等于1/τ吗,两者在数值上是相等的,即,带宽B的单位是Hz,Rb的单位是bit/s。
所以,数字信号的带宽一般用每bit占用的时间间隔的倒数来近似表示,传输速率的单位是bit/s,我们可以近似的认为传输速率=传输信号的带宽。这里只是近似的说法,具体信号的带宽要用函数估计,或用频谱仪测量,这和模拟信号是一样的。
在通信原理中,我们做题目会常常用到 信号 基带带宽为 ,经过调制后的频带带宽。比如在基带传输中一个发送波形为矩形脉冲的数字信号,其码元周期为,那么其码元的传输速率为,其信号带宽。若将此信号作为2PSK调制,那么经过调制后的信号带宽(从2PSK的功率谱密度可以看出),也就是说频带的信号带宽是基带信号带宽的两倍(因为频谱搬移了)。
注:以上说的是信号带宽。
3.基带及频带传输带宽(信道带宽)
基带传输 :樊昌信老师的通信原理书上(第7版)专门有一章讲基带传输的问题,最后得出的结论是:按照能消除码间串扰的奈奎斯特速率传输基带信号时,所需的最小带宽为(Hz)。理想低通传输特性的带宽为(Hz),将此带宽称为奈奎斯特带宽。但该理想的低通特性在物理上无法实现(时域h(t)非因果),将它的冲激响应h(t)作为传输波形不合适。为了解决这一问题,我们可以使理想低通滤波器的边沿缓慢下降,即余弦特性滚降,滚降使带宽增大为()。
那么上述带宽是什么带宽呢?(信号or信道的)。书上在图中画的是 H(w)的带宽,即理想低通滤波器的带宽,滤波器也即信道,所以是信道带宽。书中第142和144页画出了数字基带信号的传输系统模型,基带系统总的传输特性=发送滤波器的传输特性*信道的传输特性*接收滤波器传输特性。原始信号经过传输系统后,在频域为,见书的图6-9(P144)。
信号的带宽为,经过滤波器(滤波器或信道的带宽为)后频带会被压缩。当=0时,滤波器为理想低通(带宽),和信号在频域相乘得到的带宽为(虽然此时信号的带宽被截掉了一半,但仍然能恢复出信号原来的信息,注:信号原来带宽为B=RB,现在经过滤波器后为RB/2);当=1时,滤波器和信号在频域相乘得到的带宽为。
在频带传输:即对于已调信号传输时,滤波器信道带宽为基带传输的两倍,即,其中α是低通滤波器的滚降系数,当它的取值为0时,它的矩型系数最好,占用的带宽最小(,理想时),但很难实现;当它的取值为1时,带外特性呈平坦特性,占用的带宽最大是为0时的两倍 (即) 。例如,在数字电视系统,当α=0.16时,一个模拟频道的带宽为8M,则Rs=8/(1+0.16)=6.896Mbps,如果采用64QAM调制方式Rb=6.896*log2(64) =41.376Mbps。
注:以上说的是信道带宽。
对比一下:在基带,信号带宽,发送滤波器(信道带宽)带宽(理想低通),两者在频域相乘得到的带宽为。在频带,信号带宽发送滤波器(信道带宽)为,两者在频域相乘得到的带宽为。
补充:信噪比 S/N 和的关系
推导:假设码元的平均信号能量为,码元周期为,则码速率为,因此信号的平均功率为。对于2进制,,所以。当接收机带通滤波器的带宽为时,接收到的噪声功率,所以信噪比。这里为频带利用率。
按照能消除码间串扰的奈奎斯特速率传输基带信号时,所需的最小带宽为(Hz)。对于已调信号(频带),若采用的是2ASK或2PSK信号,则其占用的带宽是基带信号的两倍,即(则上式子)。(这里的B是滤波器信道带宽)。所以在工程上,信噪比相当于码元能量和噪声功率谱密度之比。
实际接收机信噪比为,最佳接收机信噪比为,实际接收机带通滤波器带宽,, 误码率,因此在相同输入条件下,实际接收机的性能总是低于最佳接收机的性能。
载波频率越高,带宽越大。
数字通信的带宽表征为:bit的传输速率,
而载频频率,决定了一个时刻内传输的比特流,比如1Hz的载频1s只做一次变化,而bit是靠什么来表征信息的?是靠代表0,1两种不同的电平的不同的排列方式表征的,1hz最多1S传输2bit流,而1Mhz明显的要多多了。所以射频的频率高,一个时间段内传输的bit流多,当然每个bit得到的时间就很短暂,对接收设备的处理能力是有要求的。
或者这样理解载频频率,决定了单位时刻内传输的波形个数,比如1HZ的载频每秒传输一个波形,10hz 每秒传输10个周期波形,所以射频的频率高,一个时间段内传输的波形周期越多,基带信息靠加载到载波波形传输,本来 1比特用1个波形周期传输,现在有十个波形周期,那么就可以传输10个比特,比特速率变大,那么带宽也变大。