Keysight - 波特率和比特率有什么不同？仪器测试带宽又该如何选？

　　01
　　比特率是什么意思?
　　比特率(Bit Rate)是比特的传输速率，也就是通信系统时间内的信息传输速率，单位是比特／秒(bit/s)。比特率是指每秒传送的比特(bit)位数（即 0 或1）。常见的单位有kbps，Mbps，Gbps等等。通常也称之为信号速率。比特率越高，每秒传送数据就越多。
　　AI时代下，数据量的飞速增长已经变成了一个巨大的挑战。为了避免很快出现瓶颈，我们需要提高比特率效率。
　　02
　　波特率是什么意思？
　　波特率是指每秒钟传送码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标。单位为Baud。当信号是非归零码（NRZ）的时候，比特率就等于波特率了。（哈哈，小k 也是这么觉得！）比如说USB3.0的信号速率是5Gbps，那么，这里说的就是它的比特率是5Gbps，又因为它是NRZ编码信号，那么它的波特率也就是5GBaud。但是在NRZ信号中很少说波特率。
　　但是随着信号速率越来越高，比如Ethernet和PCIe都开始采用PAM4这类信号了。在上期的“让高端示波器不再高不可攀”的文章中，小k 也提到了下一代技术浪潮，主要都会采用PAM4 调制。PAM4 采用的是 4电平（00、01、10、11），在每一个符号中包含2 bit的数据。比如 PCIe 6.0的信号速率为 64 Gbps，那它的波特率就是 32 GBaud。这只是用PAM4来举例子，如果是PAM8、PAM16等等调制信号依此类推即可。

　　

　　图1：NRZ 和PAM4 脉冲幅度调制
　　哈哈，相信大家都和小k一样，从上面的文字中，发现了“比特率”≠“波特率”的原因！原来是信号数字调制的原因！
　　总结：
　　波特率和比特率之间存在一定的关系。在理想情况下，波特率等于比特率。也就是说，在每个波特（信号变化）中传输一个比特的情况下，波特率和比特率是相等的。但是，对于某些调制技术和编码技术（PAM4、QPSK 等），一个波特可能传输多个比特的信息，因此波特率不等于比特率。
　　上面举了5Gbps USB3.0 的例子，
　　现在光通信这么火，
　　小k再举个光通信的信号例子吧！
　　光通信中我们现在实际上使用两种不同的速度。
　　种是以每秒比特数为单位的比特率 ftx，也称 为“传输速率”。

　　第二种是符号率 S，表示每秒传输的符号数，单位为波特。它也因此通常被称为“波特率”。Nsymbols 是按字母顺序的符号数量，符号率的计算公式如下：

　　我们以QPSK 公式为例，如果信号也被偏振复用，那么这个结果要除以2。以一个 100Gbps QPSK 信号为例，符号率 S = (100 Gbps) / (2 比特/符号 ) / ( 2 偏振 ) = 25 GBaud。
　　小k 这下是终于搞清楚各路信号的比特率和波特率的关系和区别了。作为一家的电子测量仪器公司，小k也想起来了一个客户关心的问题，该如何选择合适的仪器带宽来测试这些数字通信的高速信号呢？
　　备注：在数字通信领域，带宽同样是重要的性能参数，它反映了通信速度的快慢或通信信道°容量的大小。数字通信中的“带宽'是指数字信号的传输速率，即每秒传送的比特数，简称位率或比特率，其单位是b/s或bps。
　　仪器带宽选择经验法则

　　小k 还在 DesignCon 2024 上，发现了一篇很好的论文，直接上结论吧！

　　——以上内容截取自DesignCon 2024 论文《Are 1.0 mm Precision RF Connectors Really Required for 224 Gbps PAM4 Verification?》
　　总结一下的话就是：
　　1. 目前比较热的单通道224Gbps，PAM4调制，单通道波特率为112GBd 。用户测试用的采样示波器需要的带宽为112GBd* ? =84GHz。
　　2. 224 Gbps验证时使用110G VNA，如果只测试链路的插损值，通常选用＞56GHz的VNA即可。
　　友情提醒：以上经验法则仅适用于高速以太网测试时采用的矢网和采样示波器。关于测试PCIe /USB /DDR 等高速信号的示波器带宽选择这块，请大家根据信号的上升时间的经验公式来选择合适的测试带宽，或者直接留言告诉我们来帮你选择！
　　再说一个小技巧， 譬如我们家的BERT, 你需要产生多少速率的信号，就选择支持对应速率的误码仪就行。目前我们性能的误码仪M8050A 中的PG M8042A 可以产生120GBaud 信号。还是BERT好选啊！

　　所以是德科技应该是目前业内为数不多具有完整的针对224 Gbps / 1.6T 技术的测试解决方案的测试商！毕竟如此高的比特率，对仪器的带宽要求真的不是一般高啊！

　　图2：224Gbps/1.6T 技术测试解决方案

　　咳咳，论文中提到的110GHz VNA， 不就是我们的N5290A吗？小k 猝不及防又插入了一个产品广告！听说现在很多做高速线缆、连接器的厂家在用PXI 矢网或者台式矢网+射频开关的测试方案，有兴趣了解的欢迎在评论区给小k留言！

　
　　图3：PNA 系列900Hz-110GHz 的2或4端口网分

　　图4：是德科技网分+射频开关高速线缆测试方案
　　延伸科普
　　01
　　什么是数字调制？
　　数字调制是将原始数据比特流按照一定规则映射至IQ坐标系的过程。映射完成后得到数字I和Q信号，再由DAC转换为模拟I和Q信号，经IQ调制器变频至射频频段1。在数字通信系统中，数字调制将信息比特映射到频带信号，承载数字信号，更加可靠2。数字调制的主要形式有ASK、FSK和PSK。

　　载波有三个特征参数可以改变，即幅度、相位和频率。分别针对这三个特征参数进行改变就称为调幅、调相和调频。数字调制称为矢量调制，因为同时改变两个以上的参数，如幅度和相位。

　
　　图5：数字调制技术
　　02
　　香农定理（Shannon Equation）
　　1948年，香农(Shannon)提出了信息论，导出了香农公式。

　　信道容量（信道支持的的比特率）：

　　其中 B 表示信道带宽 (Hz)，S 表示接收的信号平均功率 (W)，N 表示平均噪声功率 (W)。信道容量可以通过增加带宽或优化信噪比 (SNR = S/N) 来增加。实际上，该定理给出了理论上的值，但没有说明哪种信号概念可以让我们接近这一极限。
　　香农公式：公式表明，信道带宽限制了比特率的增加，信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。
　　无线信道并不是可以任意增加传送信息的速率，它受其固有规律的制约，就像城市道路上的交通状况，受到道路宽度、车辆数量等因素影响。这个规律就是香农定理。