数字信号带宽、信道带宽、信息速率、基带、频带的带宽

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B=R_b=\frac{1}{T_b} ,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B=R_B ,经过调制后的频带带宽B=2R_B。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T_B,那么其码元的传输速率为R_B=1/T_B,其信号带宽B=R_B=1/T_B。若将此信号作为2PSK调制,那么经过调制后的信号带宽B=2R_B(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1/(2*T_B)(Hz)。理想低通传输特性的带宽为B=1/(2T_B)(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B=(1+\alpha)f_N=(1+\alpha )\frac{R_B}{2} 0\leq \alpha \leq 1)。

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H(w)=发送滤波器的传输特性G_T(w)*信道的传输特性C(w)*接收滤波器传输特性G_R(w)。原始信号s(t)经过传输系统后,在频域为S(w)*H(w),见书的图6-9(P144)。

信号的带宽为B=R_B,经过滤波器(滤波器或信道的带宽为(1+\alpha )\frac{R_B}{2} )后频带会被压缩。当\alpha=0时,滤波器为理想低通(带宽R_B/2),和信号在频域相乘得到的带宽为R_B/2(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\alpha=1时,滤波器和信号在频域相乘得到的带宽为R_B

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B=(1+\alpha)R_B,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(R_B,理想时B=1/T_B=R_B),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2R_B) 。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B=R_B,发送滤波器(信道带宽)带宽(理想低通)B=\frac{1}{2T_B} =\frac{R_B}{2} ,两者在频域相乘得到的带宽为R_B/2在频带,信号带宽B=2R_B发送滤波器(信道带宽)为B=1/T_B=R_B,两者在频域相乘得到的带宽为R_B

补充:信噪比 S/N 和E_b/N_0的关系

推导:假设码元的平均信号能量为E_B,码元周期为1/T_B,则码速率为R_B=1/T_B,因此信号的平均功率为S=E_B/T_S=E_B*R_B。对于2进制,E_B=E_b     ,   R_B=R_b,所以S=E_bR_b。当接收机带通滤波器的带宽为B时,接收到的噪声功率N=n_0B,所以信噪比\frac{S}{N}=\frac{E_bR_b}{n_0B}=\frac{E_b}{n_0} *\frac{R_b}{B}   。这里\frac{R_b}{B} 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B=\frac{1}{2T_B} (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B=1/T_B=R_b(则上式子\frac{S}{N}=\frac{E_b}{n_0}  )。(这里的B是滤波器信道带宽)。所以在工程上,信噪比S/N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r=\frac{S}{N}= \frac{S}{n_0B} ,最佳接收机信噪比为\frac{E_b}{n_0} =\frac{ST_B}{n_0}=\frac{S}{n0\frac{1}{T_B} }  ,实际接收机带通滤波器带宽B=(1+\alpha )R_B(频带)=(1+\alpha )\frac{1}{T_B} >\frac{1}{T_B} r<\frac{E_b}{n_0} ,  误码率P_e最佳<P_e实际,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。

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