为什么奈奎斯特数据速率低于香农数据速率?

电器工程 理论 采样
2022-01-24 16:24:59

在《计算机网络》一书中,作者谈到了通道的最大数据速率。他提出了奈奎斯特公式:

C = 2H 日志\$_2\$ V(位/秒)

并以电话线为例:

无噪声的 3-kHz 通道不能以超过 6000 bps 的速率传输二进制(即两级)信号。

然后他解释了香农方程:

C = H log\$_2\$ (1 + S/N) (比特/秒)

并(再次)给出电话线的一个例子:

具有 3000Hz 带宽和 30dB 信噪比(电话系统模拟部分的典型参数)的信道传输速率永远不会超过 30,000bps

我不明白为什么奈奎斯特率远低于香农率,因为香农率考虑了噪声。我猜它们不代表相同的数据速率,但书上没有解释。

3个回答

要理解这一点,您首先必须了解传输的比特不必是纯粹的二进制,如 Nyquist 容量示例中给出的那样。假设您有一个介于 0 和 1V 之间的信号。您可以将 0v 映射到 [00] .33v 到 [01] .66v 到 [10] 和 1v 到 [11]。因此,为了在 Nyquist 公式中考虑这一点,您可以将“V”从 2 个离散级别更改为 4 个离散级别,从而将您的容量从 6000 更改为 12000。然后可以对任意数量的离散值进行此操作。

不过奈奎斯特公式有问题。由于它不考虑噪声,因此无法知道有多少离散值是可能的。因此,Shannon 出现并提出了一种方法,可以将理论上的最大值放置在您可以无误读取的离散级别的数量上。

因此,在他们能够获得 30,000 bps 的示例中,您必须有 32 个离散值可以读取以表示不同的符号。

奈奎斯特数据速率(不是奈奎斯特频率)是二进制(2 个离散电平)信号的最大速率。

香农速率考虑了信号电平,因为最大数据速率不仅仅是带宽的函数——如果可以使用无限数量的信号电平,那么无论带宽如何,数据速率都可以是无限的。
由于可能的最小电平增量取决于信噪比,这就是它包含在香农速率中的原因。因此,对于上面的示例,显示的是 3000kHz 带宽和 30dB SNR,您可以传输代表 5 位信息的电平。

30dB = 1000 比 1 的功率比可以通过 sqrt(1000) = ~32 个可区分电平(5 位)转换回电压。如果我们将其应用于 Hartley 的更简单定理,我们得到 2B * log2(32) = 30kHz,B = 3Khz。因此 5 位信息乘以 2B 的奈奎斯特数据速率(在本例中 = 6000)等于 30,000 位/秒。

一个描述您采样的速度,另一个描述您可以传输多少数据。所需的最低采样率只是您要正确表示的最高频率的函数。这与通道上的噪声量无关。但是,通过更少的噪音,您可以为每个样本传输更多信息。换句话说,奈奎斯特说采样率需要是多少,而香农说每个采样得到多少比特。