你将学习:
- 当试图提高数据速率时，需要关注11个要点。
- 处理带宽限制。
- 调制和MIMO方法。
推动当今几乎所有电子新产品设计的主导因素是什么?对某些人来说，这可能是低功耗，但要将更高的速度和更快的数据速率确定为指导大多数新ic、设备、系统和技术发展的主要目标并不太难。
年复一年，所有的电子设备都在变得越来越快。内存速度、处理器速度、Wi-Fi和其他通信数据速率继续上升。汤姆·克鲁斯在上世纪80年代流行的电影中饰演马华力壮志凌云在这篇博客的标题中陈述了我们今天对电子产品的感觉。
我们喜欢更快的速度，因为我们讨厌等待。在我们这个即时满足的社会，我们想要瞬间的视频下载，低延迟的一切，而不是等待任何应用程序。整个行业的反应是不断推出更快的产品。速度之旅仍在继续。
我们如何让数据运行得更快?出于好奇，作为一种智力练习，我总结了我能想到的实现更高通信数据率的因素，无论如何都是值得的:
1.带宽和通信介质。现有的有线和无线媒体决定了你能跑多快。对于有线数据传输，我们使用不同类型的媒体，如双绞线、同轴电缆和光纤电缆。所有这些都有上限的频率限制，这决定了可用于携带快速数据的带宽。
对于无线，载波频率最终决定了最大的可能的数据速率。同样，可用带宽设置了上限。随着数据速率的提高，需要更多的带宽，这意味着需要更高的频率来实现这一点。然而，我们受到FCC或其他机构规定的限制。此外，必须有电子元件来实现所需的更高频率。总之，带宽是实现高速的主要决定因素。
2.受到物理。根据香农-哈特利定律，带宽与数据速率的关系如下:
C = 2 b
这里C是信道容量或串行数据速率，单位是比特每秒，B是带宽，单位是赫兹。它说，在带宽为3,000 Hz的情况下，您可以有2(3,000)= 6,000比特每秒的最大数据速率。数据速率C由串行数据流中的比特时间(t)或C = 1/t决定。当然，这都是理论上的，并且假设介质是完美的，没有噪声。如果存在噪声，则数据速率将更低。
3.噪音的影响。下面是完整的香农-哈特利定律:
C = B对数2(1 + S / N)
信号(S)和噪声(N)的值以功率表示。信噪比(SNR)明显影响数据速率。噪声水平越大，给定带宽的最大数据速率就越低。
4.提高固定带宽下的数据速率。一种通过窄信道获得每秒比特数的流行方法是使用一种将比特转换为符号的编码。符号是使用多个电压电平、多个相移、多个频移或相似方案的组合来表示同一符号间隔内的两个或多个比特的信号。采用这种方案，可以在较窄的带宽内实现较高的数据速率:
C = 2B计程仪2N
其中N是所使用的符号层数。例子包括:
- pam使用8个电压级别，每个级别代表3位(从000到111)，表示3倍于符号速率的数据速率。
- 4FSK利用四种不同的频率，每个频率代表两个比特。对于使用的每个频率，两个比特被传输，使数据速率加倍。
5.信噪比(信噪比)。数据链路的生存能力或效率是由误码率(BER)决定的。误码率是一秒钟内发生的误码数。对于一个好的信道，误码率较低或大于10－5到10-11年．随着数据速率的增加，比特错误的数量也会增加。这是因为比特电压会随着噪声的变化而变化，这使得比特更难识别。因此，降低数据速率可以降低ber -比特时间，使其比噪声过渡的能量更大。
6.正向纠错(FEC)。提出了几种实时检测和校正误差的方法。向数据流中添加额外的比特可以识别并纠正比特错误。这些方法要么是硬件，要么是软件，要么是两者的结合。最终的效果好像是传输功率增加了，从而允许更高的数据速率。
这个结果被称为编码增益。例如，使用FEC可以产生相当于增加信号功率3 db的结果。增加3分贝相当于发射功率翻倍。因此，较低的误码率允许增加的数据速率。缺点是向数据流添加额外的位会降低吞吐量。
7.频谱效率。我们测量和表达在给定带宽下可以获得多少速度的方法是频谱效率，单位是比特/秒/ Hz。如果我们通过一个40 mhz的信道测量780 Mb/s，频谱效率是780/40 = 19.5 b/s/Hz。
8.调制。调制方法也可以产生更高的速度。您已经听说过的例子包括QAM和OFDM。正交振幅调制(QAM)采用振幅和相移的组合来产生增加数据速率的符号。64QAM使用64个符号来定义6位代码。传输一个符号产生一个6位的流，从而将基本符号速率乘以6，从而增加6X的数据速率。
正交频分复用(OFDM)在分配的带宽内使用多个子载波。要传输的数据被分成多个低速流，每个流调制一个子载波。使用成百上千的子载波可以将较低的数据速率乘以极高的数据速率。
9.多输入，多输出(MIMO)。MIMO利用多个发射器(TX)、接收器(RX)和天线。要传输的数据被分成多个低速率的流，每个流通过相同的带宽传输到多个接收器。该过程将数据速率乘以天线数量和TX/RX路径。一个典型的安排是4×4或四个TX和四个RX。
在更高的频率，更小的天线允许数十或数百到多个数据路径，提高数据速率。加上在GHz频段使用相控阵的敏捷波束形成，可以提高功率水平，你可以进一步提高数据速率。
10.压缩。我开始将数据压缩添加到这个列表中，但这在数据传输中并不常见。数据压缩主要用于减少视频等海量数据的存储需求。然而，在某些通信类型中，更短的消息转换为更高的数据吞吐量。
11.组合。在实践中，上面描述的几种方法被结合起来以实现显著的数据速率。更新版本的Wi-Fi和5G蜂窝使用了上述大部分技术，传输的数据速率超过1gb /s。
我想知道的是，未来我们会看到什么新技术来创造更高的速度?我们已经接近技术的极限了吗?或者我们能期待很快看到太比特速度吗?
