频段、信道、信道带宽、传输速率知识科普

无线通信是指电磁波经过空间传播传递信息的通讯方式，也被称为无线电通信。无论是采用何种的无线接入技术，都会涉及到4个重要的参数：

第一、频段

无线通信使用的是电磁波，既然是波，那就有频率，通过将电磁波的频率划分为不同的 “段”，即是频段。

对频段下一个定义

频段：是指一个连续电磁波的频率范围

可以通俗的把频段理解为，两个地方之间的高速公路。

案例：

通常无线路由器都会有两个频段：2.4GHz和5GHz。即两条不同的路，好比汽车在高速公路，地铁在地下轨道，各有千秋。

波长=波速 * 周期=波速/频率，所以频率越高，波长越短。

为什么2.4GHz穿墙能力强，5GHz传输快？

正是由于2.4GHz的频率较低，所以波长更长，更容易绕过障碍物继续传播。

家电、无线等设备多数使用的2.4G频段，无线环境更加拥挤，干扰较大，而5GHz的频宽较宽，设备较少，从而干扰也少。

两个常用频段对比

第二、信道

上面我们知道了划分频段，信道就是在频段基础上的更进一步的划分。

为什么需要再划分呢？

目的是为了避免很多个设备之间的竞争，在Wi-Fi频段被划分为14个信道

既然是避免冲突，为什么不多划分很多信道呢？

首先，信道越多，那每个信道的宽度就很窄了，信道里边终端的冲突概率就变得更大了，如果想要避免或是减少冲突，那么则需要花费更多的时间来监测冲突，有问题的情况下，还需要重发数据包，那么速度肯定也提不上去。

路就那么点宽，你要分100个车道，那每个车道就窄得不得了了，不说速度如何，硬件要实现可用都要困难好多了。

想想一个路由器是接入几十、上百个终端s设备，这个其实是把所在信道的频率范围再细分进行复用。因为频率的范围不能分太细，分太细，信道内的终端发送信号时冲突的概率就变大了，需要消耗更多的时间来检测冲突、进行重发，速度自然就上不去了。

Wifi的2.4GHz和5GHz指的是频率，其中的区别就是频率的不同，因为波长和频率是成反比的，所以2.4GHz的波长比较长，5GHz的波长比较短。

第三、信道带宽

一个信道中最大频率与最小频率的差，就叫做信道带宽，这个值体现了信道覆盖的频率范围的大小。

在Wi-Fi中，每个信道的带宽是22MHz。但是，实际使用中，有效的带宽是20MHz，其中有2MHz是隔离频带，起保护作用。

20MHz信道带宽对应的是65M带宽 ，它的特性是穿透性好、传输的距离远（100米左右）。

40MHz信道带宽对应的是150M带宽 ，它的穿透性差、传输的距离较近 （50米左右)。

很多路由器，可以开启信道的自动切换功能：

信号强度的其绝对值越小，说明信号越强。你也可以根据周围的环境中其他信号使用的信道和强度，选一个没有使用的信道、或者周围弱信号使用的信道。提升路由器的使用效率

第四、传输速率

传输速率在这里指的是数据传输的快慢，单位是比特/秒。影响它因素很多，主要是信道带宽和频率。带宽越大，传输速率越大。频率越高，传输速率越高。

另外，还有一些另外的技术来提供传输速率，例如正交频分复用、MIMO等。具体的方式我们现在不用了解。

传输速度的单位是每秒比特（bit/s）或每秒字节（Byte/s）。

有点像称重里面的公斤与斤、公里与里，这样的换算关系。

1字节=8比特，也就是1：8的关系。

通常所说的2M是指每秒2兆比特（即2Mbit/s），

而在计算机等用户终端上显示的通常是每秒字节数(Byte/s)。

2M对应每秒256k字节，扣除用于控制连接所占用的字节，用户电脑显示的就不到256k字节（256kB）。这就好比用户购买的是“里”，但电脑显示的是“公里”。

第五：波特率

在电子通信领域，波特（Baud）即调制速率，指的是有效数据讯号调制载波的速率，即单位时间内载波调制状态变化的次数。 

波特率表示单位时间内传送的码元符号的个数，它是对符号传输速率的一种度量，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示，波特率即指一个单位时间内传输符号的个数。波特（Baud，单位符号：Bd）这一单位是以法国电讯工程师埃米尔·博多（法语：Émile Baudot）（1845-1903）的姓氏来命名的，他是数位通讯的先驱之一，是电传与博多式电报机的发明人。

第六：串口波特率

在电子通信领域，比特、波特等都是我们常提到的概念，随之衍生出来的就是比特率和波特率， 这些在通信网络的学习研究中是十分重要的。与此同时，频谱带宽又是一个不得不提到的概念，它与比特率和波特率又有着千丝万缕的联系，接下来就带大家一探究竟。

什么是比特率和波特率？

宽带网络里面提及的千兆即1000Mbit/s，一般描述的是我们家网络端口每秒最大可接收0、1比特（bit）的数量，即每秒可接收1000x106个比特。显而易见，比特率越高，每秒传送的比特数量就越多。比特数量多，意味着单位时间获取的信息就多，网速自然就越快。

总的来说，比特率是每秒钟传送的比特数量，又称为传信率。比特率基本单位为bit/s或bps，全称为bit per second。如果每秒钟内传送的比特数量较多，比特率单位可换算为Kbit/s、Mbit/s、Gbit/s。此处的K、M、G分别代表1000（103）、1000000（106）、1000000000（109）。

与比特率非常容易混淆的是波特率。波特率定义是：每秒钟传送的符号（码元）数量，又称为传码率，单位是波特（Baud、B，即symbol/s）。在通信系统中，携带数据信息的信号单元称为码元，也称为符号（symbol）。

实际上波特（Baud）已经是表示速率了，可别把波特率翻译成Baud Rate，用Baud表示即可，Rate是多余的。但是，中文已习惯叫波特率，所以还是用“波特率”的称呼表示“波特”。

我们举一个生活的例子，加深一下对这两个概念的理解。通信系统有点像我们的公共交通运输系统。我们可以把通信系统中码元类比为公共交通车辆，例如公交车、地铁、的士……。通信系统所传输的比特数量类比为出行的人，则比特率为出行人口流动速度，波特率就是发车率。

比特率和波特率是什么关系呢？

要讨论比特率与波特率的关系，需要先了解码元与比特的关系。就像刚才的例子中提及的公交车、地铁、的士可以搭乘不同数量的出行人员一样，不同码元也可以用不同位数的比特表示。码元所需要的比特位数，由码元支持的状态数量确定。

下面是2、4、8种状态的码元与比特位数关系表：

由此可得出，假设码元状态为N，则此码元所需要的比特位数如下：

画图表示码元、比特的传输关系如下：

从图很容易推出，已知波特率Rs、码元状态总数量N后，对应比特率Rb关系如下：

如果已知的是比特率Rb、码元状态总数量N，则对应波特率Rs关系如下：

上述比特率与波特率公式仅是考虑信息净荷，不考虑信号调制、也不考虑纠错编码等其它因素的公式。当考虑码元多路传输时，比特率与波特率的关系会变成怎么样了呢？

例如我们采用偏振多路复用（PDM，Polarization Division Multiplexing）方式调制待传输的码元，则可以实现同时双路传输，使得信号的比特率提升了一倍。

偏振即利用光的偏振维度，在同一波长信道中，通过光的两个相互正交偏振态，同时传输两路独立数据信息，等于实现了双通道传输，因此可使得信号的比特率提升了一倍。

显然加入多路复用技术后，比特率Rb和波特率Rs关系变为：

当再考虑信息纠错编码时，比特率与波特率的关系又会变成怎么样了呢？

加上信息纠错编码等因素，则实际比特率也会根据纠错编码开销的比率增加。例如在200G光网络系统中，采用16QAM调制方法，编码纠错方法采用编码开销为20%的SD-FEC，波特率为32GB，

实际比特率为258.48Gbit/s。

比特率、波特率、频谱带宽是什么关系呢？

频谱带宽其实是通信信号的最高频率与最低频率的差值。信号的波特率越高，在通信信道中传输此信号时，占用的通信信道频谱带宽就越大。就好比，在运输系统中，车型越大，行车占用的道路宽度就越大。

受硬件芯片处理速度的限制，为提升比特率，可通过提升波特率以及单个码元比特位数，进而提升比特率。此外，通信系统还要求设备芯片波特率≥信号波特率 ，通常芯片波特率有45GB、 69GB、 96GB、 128GB。如果所设计的信号波特率大于设备芯片波特率，则说明此信号是无法实现的，因为没芯片可以支持此信号的产生。

同时根据香农定理和经验，信号所需的频谱宽度数值应大于信号波特率的1.2倍，才能保证信号可以被高质量传输。在不考虑其它影响传输的因素，我们可以根据香农定理和经验，粗略算出波特率与所需频谱带宽的关系。

例如：某200G光网络中，采用27%的FEC和8QAM调制技术，信号比特率约为219Gbit/s，则信号波特率和频率关系如下：

加上余量考虑，此时，推荐采用62.5GHz的频谱带宽，而不是50GHz的频谱带宽传输信号。

总结

比特率、波特率、频谱带宽是通信系统中的重要指标。

波特率越高，比特率越高，所占用的信道频谱带宽也越大。

审核编辑：刘清