數(shù)據(jù)通信的傳輸速率及損耗 你了解多少？

一、數(shù)據(jù)傳輸速率、波特率(baud rate)、比特率(bit rate)、

碼元(符號)

也可以叫符號(symbol)。通過不同的調(diào)制方式(諸如FSK、QAM等等)，可以在一個碼元符號上負載多個bit位信息。舉個例子，4QAM(即QPSK)調(diào)制的全部四種碼元符號，一種符號可以帶兩個bit的信息。

波特率

波特率(也稱信息傳送速率、碼元速率、符號速率、或傳碼率)，其定義為每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，碼元速率的單位為“波特”，常用符號“Baud”表示，簡寫為“B”。

一個數(shù)字脈沖就是一個碼元，我們用碼元速率表示單位時間內(nèi)信號波形的變換次數(shù)，即單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù)。若信號碼元寬度為T秒，則碼元速率B為：

B=1/T(Baud)

符號率也就是碼元速率，單位是Baud/s或sym/s，表示每秒傳輸碼元符號的數(shù)目。符號率也叫波特率或符碼率。符號率決定了通信效率，顯然一種調(diào)制方式符號狀態(tài)數(shù)(上例中4QAM是4種)越多，符號率數(shù)值越大，每秒可以傳更多的bit信息。

顯然有 數(shù)據(jù)傳輸速率=符號率 x 一種符號所帶的bit數(shù)

比特率、數(shù)據(jù)傳輸速率

又稱碼率、比特率或數(shù)據(jù)帶寬，描述通信中每秒傳送數(shù)據(jù)代碼的比特數(shù)，單位是bps。這個很好理解，是“剛需”，每秒傳多少bit的數(shù)據(jù)。

比特率也稱數(shù)據(jù)傳輸速率，它的定義是單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位為bps。比特率的計算公式為：

比特率=波特率×每符號含的比特數(shù)

怎么理解比特率和波特率之間的關(guān)系呢?

我們可以假設(shè)一個信號只有兩個電平狀態(tài)，那么這個時候可以把低電平理解為“0”，高電平理解為“1”，這樣每秒鐘電平變化的次數(shù)也就是傳輸?shù)?，1個數(shù)了，即比特率 = 波特率。但是有些信號可能不止兩個電平，比如一個四電平的信號狀態(tài)，那么每個電平就可以被理解成“00”，“01”，“10”，“11”，這樣每次電平變化就能傳輸兩位的數(shù)據(jù)了，即比特率 = 2 × 波特率。

在數(shù)據(jù)通信中，傳輸指標主要有傳輸速率、誤碼率、誤位率、信道帶寬、信道容量、時延、傳播時延帶寬積和往返時延等。

一、傳輸速率

傳輸速率是指數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣??？梢杂么a元傳輸速率和信息傳輸速率兩種方式來描述。碼元是在數(shù)字通信中常常用時間間隔相同的符號來表示一位二進制數(shù)字。這樣的時間間隔內(nèi)的信號稱為二進制碼元，而這個間隔被稱為碼元長度。碼元傳輸速率又稱為碼元速率或傳碼率。碼元速率又稱為波特率，是指每秒鐘傳送的碼元數(shù)。若數(shù)字傳輸系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)字序列恰為二進制序列，則等于每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，而在多電平中則不等同。單位為"波特/秒"，常用符號 Baud / s 表示。

信息傳輸速率即位率，位/秒( b / s )，表示每秒鐘傳送的信息量。設(shè)定碼元傳輸速率為 RB ，信息速率 Rb ，則兩者的關(guān)系如下：

Rb = RB X log2 M

其中， M 為采用的進制。例如，對于采用十六進制進行傳輸信號，則其信息速率就是碼元速率的4倍;如果數(shù)字信號采用四級電平即四進制，則一個四進制碼元對應(yīng)兩個二進制碼元(4=22)。

二、誤碼率和誤位率

在多進制系統(tǒng)中，誤碼率是指碼元在傳輸過程中，錯誤碼元占總傳輸碼元的概率。設(shè)定誤碼率用 Pe表示：

傳輸出錯的碼元數(shù)傳輸?shù)目偞a元數(shù)??=傳輸出錯的碼元數(shù)/傳輸?shù)目偞a元數(shù)在二進制系統(tǒng)中，誤位率是指在信息傳輸過程中，錯誤的位數(shù)占總傳輸?shù)奈粩?shù)的概率。設(shè)定誤位率用Pb表示：

傳輸出錯的位數(shù)傳輸?shù)目偽粩?shù)??=傳輸出錯的位數(shù)/傳輸?shù)目偽粩?shù)

三、信道帶寬與信道容量

信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，即信道頻帶，用赫茲 Hz 表示，信道帶寬是由信道的物理特性所決定的。信道容量是指單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)，用位/秒表示。數(shù)據(jù)傳輸速率是指每秒鐘所傳輸?shù)亩M制位數(shù)，用位/秒表示。設(shè)定 T 為發(fā)送一位所需要的時間，則二進制數(shù)據(jù)傳輸速率 S =1/T

四、時延

時延( Delay )是指一個報文或分組從一個網(wǎng)絡(luò)(或一條鏈路)的一端傳送到另一端所需的時間。時延是由以下幾個不同的部分組成的。

(1)傳播時延。傳播時延是從一個站點開始發(fā)送數(shù)據(jù)到目的站點開始接收數(shù)據(jù)所需要的時間。傳播時延的計算公式是：

傳播時延=信道長度信號在信道上的傳播速率傳播時延=信道長度/信號在信道上的傳播速率信號在物理媒體中傳輸時間是變化的。例如，電磁波在光纖、微波信道中的傳播速度為每秒300000km，而在一般電纜中的速度約為光速的2/3。

(2)發(fā)送時延。發(fā)送時延是發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時間，即從一個站點開始接收數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)接收結(jié)束所需要的時間。發(fā)送時延的計算公式是

發(fā)送時延=需要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊長度信道帶寬發(fā)送時延=需要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊長度/信道帶寬(3)處理時延/排隊時延。處理時延是數(shù)據(jù)在交換節(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。處理時延的重要組成部分是排隊時延。排隊時延是數(shù)據(jù)在交換結(jié)點等候發(fā)送在緩存的隊列中排隊所經(jīng)歷的時延。

(4)總時延。數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是以上三種時延之和，即

總時延=傳播時延+發(fā)送時延+排隊時延

五、傳播時延帶寬積

網(wǎng)絡(luò)性能的兩個度量傳播時延和帶寬相乘，就得到另一個很有用的度量：傳播時延帶寬積。它的計算公式如下：

傳播時延帶寬積=傳播時延 x 帶寬

鏈路的時延帶寬積又稱為以位為單位的鏈路長度。

六、往返時延

在計算機網(wǎng)絡(luò)中，往返時延也是一個重要的性能指標，表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認，總共經(jīng)歷的時延。

數(shù)據(jù)通信知識每天都在被使用，每一次發(fā)送微信、每一次瀏覽網(wǎng)頁，我們都在不知不覺中使用數(shù)據(jù)通信。對于數(shù)據(jù)通信，小編在往期文章中有所介紹，如數(shù)據(jù)通信的擁塞控制。為增進大家對數(shù)據(jù)通信的認識，本文將對數(shù)據(jù)通信的傳輸損耗加以介紹。如果你對本文內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

損耗是指在傳輸過程中因傳輸介質(zhì)等因素引起的能力損失。

無線信道空間傳輸損耗

超高頻和微波波段信號的空間傳播，會對信號帶來多種傳輸損傷、很大衰減和多徑衰落。

1.直線傳播損傷

● 衰減和失真;

● 自由空間損耗;

● 噪聲;

● 大氣吸收;

● 多徑和折射。

2.衰減因素

雙絞線、電纜到光纖、波導(dǎo)等傳輸媒體，都是導(dǎo)向媒體，而在自由空間長距離的電磁波傳播，屬于非導(dǎo)向媒體傳輸;因此衰減是較為復(fù)雜的距離函數(shù)，并在地球周圍受到充滿大氣層的影響。傳播衰減主要影響因素是：傳播頻段f，傳播距離L，電磁波速率C(近于光速)。

自由空間傳播損耗

1. 微波段信號遠程傳播如衛(wèi)星到地面約36000km。信號波束隨傳播距離而發(fā)散。上行鏈路的發(fā)射信號功率，由大功率速調(diào)管可達上千瓦，而衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器只能靠太陽能供電，由于衛(wèi)星表面積受限，因此下行鏈路發(fā)射功率很難達到上百瓦。因此地球站接收信號功率不過微瓦級，并且還包含了收、發(fā)天線增益幾十個dB的補償效果。

2. 空間傳播損耗(dB)

.多徑傳播

天線輻射的信號以三種方式傳播：地波、天波和空間波(后者即稱謂的直線波);

● 當(dāng)電磁波遇有比其波長要大的障礙物時，則發(fā)生反射;

● 并在該物體邊界進行衍射(繞射);

● 若障礙物尺寸不大于電磁波長，會發(fā)生散射，即散射成幾路弱信號———多徑衰落。

2.多徑傳播后果

● 多徑到達的信號，由于相位不同，強弱相差很大，若無序混迭、相位抵消，就使接收信號難以檢測與恢復(fù)質(zhì)量良好的信息;

● 產(chǎn)生嚴重的碼間干攏(ISI);

● 特別是在較高速度的移動臺天線發(fā)出的信號，運動方向、障礙物環(huán)境較快變化，多徑信號中主路徑不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致的接收信號更難處理。

3.衰落類型

● 慢衰落(平坦衰落—flat fading);

● 快衰落(fast fading);

● 選擇性衰落(Selective fading)。

4.衰落信道的3種類型

● 高斯信道———是最簡單的信道模型，同時它更符合于通信恒參傳輸媒體。本書各種傳輸系統(tǒng)，均是基于高斯信道進行性能分析。

● 瑞利衰落信道———多徑衰落導(dǎo)致多條均很弱的路徑信號，而不存在一條主路徑。

● 賴斯衰落信道———是較瑞利衰落利于處理的情況，它具有明顯的主路徑和多個較弱的間接路徑。

5.多徑衰落環(huán)境下的信號接收

● 選用適當(dāng)?shù)姆旨夹g(shù)與合并處理

● 自適應(yīng)均衡

● 前向糾錯編碼

● 高性能傳輸技術(shù)———如TCM，復(fù)合編碼，OFDM等

電波在自由空間傳播的損耗公式為：

Lbs(dB) = 32.45 + 20lgf(MHz) + 20lgd(km)

式中，Lbs為自由空間的路徑傳播損耗，它與收發(fā)天線增益Gr、Gt無關(guān)，僅與傳輸路徑有關(guān)。如果將其他參數(shù)保持不變，僅使工作頻率f(或傳輸距離d)提高一倍，則其自由空間的路徑損耗就增加6dB。

對于WLAN，工作在2.4GHz，在自由空間中傳播損耗為(f = 2400MHz)：

Lbs = 100 + 20lgd(km)

Lbs = 100 + 20lgd(km)

距離(m) 1 5 20 30 40 50 80 100

損耗(dB) 40 54 66 70 72 74 78 80

而實際中，電波還要受到諸如地面的吸收、反射、障礙物的阻擋等影響。在室內(nèi)的障礙物通常為墻壁、隔斷、地板等。障礙物對電波的阻擋效果與障礙物的結(jié)構(gòu)有關(guān)，木質(zhì)結(jié)構(gòu)的損耗為5dB，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損耗為25dB。

以型號FH-AP2400的無線接入節(jié)點設(shè)備和FH-325的無線PCMCIA網(wǎng)卡為例，分析AP在室內(nèi)覆蓋范圍的大小。

為分析簡單起見，只考慮空間傳播和障礙物(墻壁、隔斷、地板)阻擋對電波的損耗。下表列出了電波通過不同的障礙物后FH-AP2400(ISP)的有效覆蓋距離。