这篇文章是沟通系列：区别是什么:串行通信101

下载本文的。pdf格式

网络上的大多数数据通信都是通过串行数据传输进行的。数据位在某些通信信道上一次传输一个，例如rs - 232电缆或无线路径。图1根据计算机或其他数字电路键入数字位模式。该数据信号通常称为基带信号。数据在两个电压电平之间切换，例如用于二进制1的二进制1和+0.2V的+3V。也使用其他二进制电平。在里面非返回零（NRZ）格式(图1)，信号从未像返回零（RZ）格式信号一样。

比特率

数据的速度以每秒位（位/ s或bps）表示。数据速率R是位或比特时间持续时间的函数（t_B）（图1，再次）：

r = 1 / t_B

速率也称为信道容量C.如果比特时间为10 ns，则数据速率等于：

R = 1/10 × 10⁹= 1亿比特/秒

这通常表示为100mbits /s。

高架

比特率通常是根据实际的数据速率来看的。然而对于大多数串行传输，数据代表了更复杂的协议帧或包格式的一部分，其中包括代表源地址、目的地址、错误检测和校正码的位，以及其他信息或控制位。在协议帧中，数据被称为“有效负载”。非数据位被称为“开销”。有时，开销可能很大——根据通过信道发送的总有效载荷比特，可能高达20%到50%。

例如，以太网帧可以具有多达1542字节或八位字节，具体取决于数据有效载荷。有效载荷可以从42到1500个八位字节。具有最大有效载荷，开销仅为42/1542 = 0.027，或约2.7％。如果有效载荷更小，则会更大。这种关系通常表示为有效载荷大小的百分比，以最大帧大小，否则称为协议效率：

协议效率=有效负载/帧大小= 1500/1542 = 0.9727或97.3％

通常，为了达到实际的目标净数据率，实际线路率会受到开销影响的因素的影响而增加。在1千兆以太网中，实际线路速率为1.25 Gbit/s，以实现1gbit /s的净有效负载吞吐量。在10gbit /s以太网系统中，总数据速率为10.3125 gbit /s，真正的数据速率为10gbit /s。净数据速率也被称为有效数据速率的吞吐量或有效载荷速率。

波特率

“波特”一词起源于法国工程师埃米尔·博多，他发明了5位电传打字机密码。波特率是指每秒发生的信号或符号变化的数量。符号是电压、频率或相位变化中的一种。

NRZ二进制有两个符号，一个代表代表电压等级的位0或位1。此时，波特率或符号率与比特率相同。但是，每个传输间隔可以有两个以上的符号，每个符号代表多个比特。如果有两个以上的符号，则使用调制技术传输数据。

当传输介质无法处理基带数据时，调制进入图片。当然，这是真实的无线。基带二进制信号无法直接传输;相反，数据被调制到用于传输的无线电载波。一些电缆连接甚至使用调制来增加数据速率，该数据速率被称为“宽带传输”。

通过使用多个符号，每个符号可以传输多个比特。例如，如果码元速率为4800波特率，每个码元代表2比特，则总的码元速率为9600比特/秒。通常符号的数量是2的幂。如果N是每个符号的位数，则所需符号的个数为S = 2^N．因此，总比特率为:

R =波特率x log₂S =波特率× 3.32 log₁₀年代

波特率为4800，每个码元有两位，则码元个数为2₂= 4.比特率是：

r = 4800 x 3.32 log（4）= 4800 x 2 = 9600位/ s

如果每个符号只有一个比特，就像二进制NRZ的情况一样，比特率和波特率保持不变。

多级调制

许多不同的调制方案可以实现高比特率。例如，频移键控(FSK)通常在每个符号间隔中使用两个不同的频率来表示二进制0和1。因此，比特率等于波特率。然而，如果每个符号代表两个比特，它需要四个频率(4FSK)。在4FSK中，比特率是波特率的两倍。

相移键控(PSK)是另一个流行的例子。当使用二进制PSK时，每个符号代表一个0或1（看到表）．二进制的0等于0°，而二进制的1等于180°。每个符号一个比特，波特率和比特率是相同的。然而，每个符号多个位可以很容易地实现。

例如，在正交PSK中，每个符号有两个比特。采用这种方式，每波特率为2位，则比特率是波特率的两倍。其他形式的PSK每波特使用更多的位。每波特3位，调制变成8PSK的8个不同的相移代表3位。对于16PSK, 16个相移代表每个符号的4位。

一种独特的多级调制形式是正交幅度调制（QAM）。QAM使用不同幅度级别​​的混合和相位移位以创建表示多个位的符号。例如，16QAM编码每个符号的四个位。符号是不同幅度水平和不同相移的混合。

星座图通常用于说明每个4位码的载波的幅度和相位条件(图2)．每个点表示特定的载波幅度和相移。总共16个符号编码每符号四个位，最终通过波特率进行二次比特率。

为什么每波特多比特？

通过每波特传输超过一个比特，可以在更窄的信道中传输更高的数据速率。回想一下，最大可能的数据速率是由传输通道的带宽决定的。

假设较差的1S和0S数据的情况下，给定带宽B的最大理论比特率C是：

C = 2 b

或者最大比特率的带宽为:

B = C / 2

传输1mbit /s信号需要:

B = 1/2 = 0.5 MHz或500 kHz

使用每符号多个位的多级调制时，最大的理论数据速率是：

C = 2B日志₂N

这里，N是每个符号区间的符号个数:

日志₂N = 3.32 log₁₀N

为达到所需的速度，特定数量的不同级别所需的带宽计算如下:

b = c / 2 log2n

例如，获得一个1mbit /s的数据速率所需的带宽，每个符号两个比特，四个级别，可以用以下方法确定:

log2N = 3.32 log10(4) = 2 B = 1/2(2) = 1/ 4 = 0.25 MHz

在固定带宽下获得所需的数据速率所需的符号数可以计算为:

日志₂n = C / 2B 3.32日志₁₀n = C / 2B日志₁₀N = c / 2b = c / 6.64b

然后:

N =日志¹(C / 6.64 b)

使用前面的例子，在250-kHz信道中传输1mbit /s所需的符号数计算如下:

日志₁₀N = C/6.64B = 1/6.64(0.25) = 0.602¹(0.602) = 4符号

这些计算假设信道是无噪声的。考虑噪声需要著名的香农-哈特利定律:

C = B对数₂（S / N + 1）

C是信道容量，单位是比特每秒，B是带宽，单位是赫兹。S/N为信噪比。

对于常用对数:

C = 3.32B日志₁₀（S / N + 1）

在0.25 mhz的信道中，30 db的信噪比最大速率是多少?30分贝转换为1000到1 S/N。因此最大速率为:

C = 3.32B日志₁₀(S/N + 1) = 3.32(.25) log₁₀(1001) = 2.5 Mbits/s

香农-哈特利定律并没有明确规定必须使用多能级调制来实现这个理论结果。使用前面的过程将揭示每个符号需要多少位元:

日志₁₀N = C/6.64B = 2.5/6.64(0.25) = 1.5 N = log¹(1.5) = 32个符号

使用32个符号意味着每个符号有5个比特(2⁵= 32)。

波特率示例

事实上，所有高速数据连接都使用某种形式的宽带传输。Wi-Fi无线利用正交频分复用(OFDM)调制方案中的QPSK、16QAM和64QAM。WiMAX和LTE(长期演进)4G蜂窝技术也是如此。有线电视及其高速互联网接入利用16QAM和64QAM传输模拟和数字电视，而卫星使用QPSK和各种版本的QAM。

用于公共安全的陆地移动无线电(LMR)系统最近采用了语音和数据4FSK调制标准。这种“窄带”努力旨在将所需带宽从每个频道25 kHz减少到12.5 kHz，最终达到6.25 kHz。因此，在不增加频谱分配的情况下，将会有更多的频道供额外的无线电使用。

美国高清电视采用一种被称为八电平残留边带(8VSB)的调制方法。这种方法在8个振幅电平中每个符号使用3个比特，从而能够以每秒10800个符号的速度传输。在每个符号3比特的情况下，这表示总比特率为3 x 10800 = 32.4 Mbits/s。当与VSB结合时，它只能传输一个完整的边带和另一个边带的残留，高清视频和音频可以在一个6兆赫宽的电视频道中传输。

更多信息请参阅沟通系列：区别是什么:串行通信101

下载本文的。pdf格式

参考

1. 夫兰泽尔,路易斯·E。电子通信系统原理“，，麦格劳山，2008年。
2. 吉布森,杰瑞•D。通讯手册， CRC出版社/IEEE出版社，1997。
3. 斯卡尔，伯纳德，数字通信，基础和应用，Prentice-Hall，2001年。