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波特率和比特率有何不同?儀器測(cè)試帶寬如何選擇?

廈門同昌源儀器設(shè)備 ? 2025-07-07 09:59 ? 次閱讀
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無論是否開源,像ChatGPT、文心一言、作業(yè)輔導(dǎo)等各類AI工具,其背后都離不開大規(guī)模AI模型的訓(xùn)練,而這一過程對(duì)算力的需求極為龐大。因此,一種新型的數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生——我們稱之為“算力中心”。與傳統(tǒng)以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為主要目標(biāo)的數(shù)據(jù)中心不同,算力中心的核心任務(wù)是提供強(qiáng)大的計(jì)算能力。它依賴于GPU出色的并行計(jì)算性能,以及多塊GPU的級(jí)聯(lián)協(xié)作,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的顯著提升。

在這一過程中,GPU之間的高效互聯(lián)對(duì)800G光模塊乃至更高速率光模塊產(chǎn)生了巨大的需求。可以說,人工智能的迅猛發(fā)展不僅推動(dòng)了高速互連技術(shù)的進(jìn)步(如400G/800G以太網(wǎng)、PCIe、DDR等高速總線技術(shù)),也極大地帶動(dòng)了整個(gè)光通信領(lǐng)域的發(fā)展,特別是在400G和800G光模塊方面。



在很多場(chǎng)合下,“比特率”≠“波特率”了!波特率和比特率有什么不同呢?



01

比特率是什么意思?

比特率(Bit Rate)是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù),也就是通信系統(tǒng)中信息傳輸?shù)乃俣龋浠締挝粸楸忍孛棵耄╞it/s)。換句話說,比特率表示每秒鐘能夠傳輸多少個(gè)二進(jìn)制位(0 或 1)。常見的單位包括千比特每秒(kbps)、兆比特每秒(Mbps)、吉比特每秒(Gbps)等,通常也被稱為信號(hào)速率。比特率越高,單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大,通信效率也就越高。在人工智能迅猛發(fā)展的當(dāng)下,數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出爆炸式增長,這對(duì)通信系統(tǒng)提出了更高的要求。為了避免未來通信鏈路出現(xiàn)瓶頸,提升比特率及其傳輸效率已成為亟需解決的關(guān)鍵問題。



02

波特率是什么意思?

波特率(Baud Rate)是指每秒鐘傳輸?shù)拇a元(Symbol)數(shù)量,是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的重要指標(biāo),單位為波特(Baud)。在特定編碼方式下,波特率與比特率之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)使用非歸零碼(NRZ)時(shí),每個(gè)碼元僅表示1個(gè)比特信息,此時(shí)比特率等于波特率。

例如,USB 3.0 的信號(hào)速率為 5 Gbps,這里所指的是其比特率為 5 Gbps。由于采用的是 NRZ 編碼,因此其波特率也為 5 GBaud。不過,在 NRZ 信號(hào)中,人們通常直接使用比特率進(jìn)行描述,較少提及波特率。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展,信號(hào)速率不斷提升,許多高速接口(如以太網(wǎng)和 PCIe)已逐步轉(zhuǎn)向更高階的調(diào)制方式,如 PAM4(四電平脈沖幅度調(diào)制)。正如我們?cè)谏掀谖恼隆蹲尭叨?a href="http://www.asorrir.com/v/tag/577/" target="_blank">示波器不再高不可攀》中所提到的,PAM4 已成為下一代高速通信技術(shù)的主要趨勢(shì)。

PAM4 使用四個(gè)不同的電平來表示四種符號(hào)狀態(tài)(00、01、10、11),每個(gè)符號(hào)承載 2 比特的數(shù)據(jù)。因此,若某系統(tǒng)的比特率為 64 Gbps,采用 PAM4 調(diào)制,則其波特率為 32 GBaud。

以此類推,若采用更高階的調(diào)制方式,如 PAM8 或 PAM16,每個(gè)符號(hào)可承載更多比特信息,相應(yīng)的波特率將進(jìn)一步降低,從而在有限帶寬下實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

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圖1:NRZ 和PAM4 脈沖幅度調(diào)制




總結(jié):

波特率與比特率之間存在密切的關(guān)系,但在不同調(diào)制或編碼方式下也有所不同。在理想情況下,當(dāng)每個(gè)碼元(即一個(gè)信號(hào)變化)僅表示一個(gè)比特的信息時(shí),波特率與比特率是相等的。然而,在采用高階調(diào)制或編碼技術(shù)(如 PAM4 或 QPSK)的系統(tǒng)中,一個(gè)碼元可以承載多個(gè)比特的數(shù)據(jù)。此時(shí),波特率將低于比特率。換句話說,比特率等于波特率乘以每個(gè)碼元所攜帶的比特?cái)?shù)。因此,在這些技術(shù)中,波特率與比特率不再一致,而是呈現(xiàn)出倍數(shù)關(guān)系。



在光通信系統(tǒng)中,我們通常會(huì)使用兩種不同的速率參數(shù)來描述信號(hào)的傳輸特性。

第一種是比特率
,也稱為“傳輸速率”,表示單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù),單位為比特每秒(bit/s)。

第二種是符號(hào)率,也稱為“波特率”(Baud Rate),用S表示,代表每秒傳輸?shù)姆?hào)(Symbol)數(shù)量,單位為波特(Baud)。其中,symbolsN
表示所使用的調(diào)制格式中不同符號(hào)的總數(shù)。符號(hào)率的計(jì)算公式如下:

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以 QPSK 調(diào)制為例,若信號(hào)還采用了偏振復(fù)用技術(shù)(Polarization Multiplexing),則在計(jì)算符號(hào)率時(shí)還需將偏振通道數(shù)納入考慮。例如,對(duì)于一個(gè)比特率為 100 Gbps 的 QPSK 信號(hào),由于每個(gè)符號(hào)可表示 2 比特信息,且信號(hào)在兩個(gè)偏振態(tài)上并行傳輸,因此其符號(hào)率S可通過如下公式計(jì)算:

通過這個(gè)例子,終于理清了高速數(shù)字通信中比特率與波特率之間的關(guān)系和區(qū)別。作為一家專業(yè)的電子測(cè)量儀器供應(yīng)商,我們深知客戶在面對(duì)這些高速信號(hào)測(cè)試時(shí)最關(guān)心的問題之一:如何選擇合適的儀器帶寬,以準(zhǔn)確捕獲和分析高速通信信號(hào)?

備注:

在數(shù)字通信領(lǐng)域,帶寬是一項(xiàng)至關(guān)重要的性能參數(shù),它直接反映了通信速度的快慢以及通信信道容量的大小。
在這一背景下,數(shù)字通信中的“帶寬”通常指的是數(shù)字信號(hào)的傳輸速率,也就是單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)量,簡稱位率比特率,其標(biāo)準(zhǔn)單位為比特每秒(bit/s 或 bps)




如果你希望進(jìn)一步區(qū)分“模擬帶寬”與“數(shù)字帶寬”的概念,或者結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景(如光通信、高速總線、無線傳輸?shù)龋┻M(jìn)行拓展,我也可以繼續(xù)完善內(nèi)容。


儀器帶寬選擇經(jīng)驗(yàn)法則

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——以上內(nèi)容截取自DesignCon 2024 論文《Are 1.0 mm Precision RF Connectors Really Required for 224 Gbps PAM4 Verification?》


總結(jié)一下的話就是:

在當(dāng)前高速通信的發(fā)展趨勢(shì)下,單通道 224 Gbps PAM4 調(diào)制技術(shù)正成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。由于 PAM4 每個(gè)符號(hào)傳輸 2 比特?cái)?shù)據(jù),因此其對(duì)應(yīng)的波特率為 112 GBaud

因此,建議選用具備 84 GHz 或更高帶寬的采樣示波器以確保信號(hào)完整性測(cè)試的準(zhǔn)確性。

在進(jìn)行 224 Gbps 鏈路驗(yàn)證時(shí),若需全面評(píng)估信道性能,推薦使用帶寬超過110 GHz 的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)。而如果僅需測(cè)量鏈路插損等基礎(chǔ)參數(shù),則選擇帶寬大于56 GHz 的 VNA即可滿足需求。

此外,還有一個(gè)實(shí)用的小技巧:若您在使用誤碼率測(cè)試儀(BERT),只需根據(jù)待測(cè)信號(hào)速率選擇支持相應(yīng)速率的誤碼儀即可。例如,是德科技的旗艦級(jí) BERT 解決方案——M8050A 系統(tǒng),其中的 Pattern Generator M8042A 可輸出高達(dá)120 GBaud的 PAM4 信號(hào),輕松應(yīng)對(duì)新一代高速接口測(cè)試挑戰(zhàn)。

相比其他測(cè)試設(shè)備,BERT 的選型更為直觀明確,也更容易滿足高比特率下的測(cè)試需求。

作為業(yè)內(nèi)少數(shù)幾家能夠提供完整 224 Gbps 及 1.6 Tbps 技術(shù)測(cè)試解決方案的廠商之一,是德科技憑借強(qiáng)大的高速測(cè)試平臺(tái),持續(xù)助力前沿通信技術(shù)的研發(fā)與驗(yàn)證。面對(duì)如此高的比特率要求,對(duì)測(cè)試儀器帶寬、精度和系統(tǒng)性能的挑戰(zhàn)確實(shí)非同一般,而我們已做好準(zhǔn)備!

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圖2:224Gbps/1.6T 技術(shù)測(cè)試解決方案


咳咳~論文中提到的那個(gè) 110 GHz VNA,不正是我們的N5290A嗎?小 k 又猝不及防地“軟植入”了一個(gè)產(chǎn)品廣告!

聽說目前很多從事高速線纜、連接器研發(fā)和生產(chǎn)的廠商,正在采用 PXI 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,或者搭配射頻開關(guān)使用的臺(tái)式矢網(wǎng)方案來進(jìn)行高頻測(cè)試。如果您對(duì)這些測(cè)試架構(gòu)感興趣,歡迎在評(píng)論區(qū)留言告訴小 k,我們一起交流探討!

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圖3:PNA 系列900Hz-110GHz 的2或4端口網(wǎng)分

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圖4:是德科技網(wǎng)分+射頻開關(guān)高速線纜測(cè)試方案



延伸科普

01

什么是數(shù)字調(diào)制?

數(shù)字調(diào)制是將原始數(shù)據(jù)比特流按照特定規(guī)則映射到IQ坐標(biāo)系的過程。完成映射后,生成的數(shù)字I和Q信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)轉(zhuǎn)換為模擬I和Q信號(hào),隨后經(jīng)由IQ調(diào)制器上變頻至射頻頻段。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,數(shù)字調(diào)制不僅實(shí)現(xiàn)了信息比特向頻帶信號(hào)的有效映射,還增強(qiáng)了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

數(shù)字調(diào)制的主要形式包括幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。載波具有三個(gè)可調(diào)整的特征參數(shù):幅度、相位和頻率。根據(jù)這三個(gè)參數(shù)的不同變化,分別對(duì)應(yīng)調(diào)幅(ASK)、調(diào)相(PSK)和調(diào)頻(FSK)。當(dāng)調(diào)制過程同時(shí)涉及多個(gè)參數(shù)(如幅度和相位)的變化時(shí),這種調(diào)制方式被稱為矢量調(diào)制。常見的矢量調(diào)制技術(shù)包括正交幅度調(diào)制(QAM)和多電平相移鍵控(如PAM4),它們通過同時(shí)改變載波的多個(gè)屬性來實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和效率。

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圖5:數(shù)字調(diào)制技術(shù)


02

香農(nóng)定理(Shannon Equation)

1948年,香農(nóng)(Shannon)提出了信息論,導(dǎo)出了香農(nóng)公式。

信道容量(信道支持的最大的比特率):

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其中,B表示信道帶寬(單位為 Hz),S表示接收端的信號(hào)平均功率(單位為 W),N表示信道中的平均噪聲功率(單位為 W)。根據(jù)香農(nóng)定理,信道容量可以通過增加帶寬或提升信噪比來實(shí)現(xiàn)增長。

其中C為信道容量(單位為 bps)。該公式揭示了一個(gè)關(guān)鍵事實(shí)——信道帶寬限制了比特率的增長上限,而信道容量不僅取決于帶寬,還與系統(tǒng)的信噪比以及所采用的編碼和調(diào)制技術(shù)密切相關(guān)。

需要強(qiáng)調(diào)的是,香農(nóng)定理給出的是一個(gè)理論極限值,它告訴我們系統(tǒng)在給定信噪比和帶寬條件下所能達(dá)到的最大信息傳輸速率,但并未指明應(yīng)采用哪種具體的調(diào)制或編碼方式才能逼近這一極限。現(xiàn)實(shí)中,無線信道無法無限制地提升信息傳輸速率,它受到其固有物理規(guī)律的制約,就像城市道路的通行能力受限于道路寬度和交通流量一樣。這個(gè)根本性的限制,正是香農(nóng)定理所揭示的核心內(nèi)容。


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