中英对照 频谱效率.docx
《中英对照 频谱效率.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中英对照 频谱效率.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
中英对照频谱效率
中英对照频谱效率
频谱效率（Spectralefficiency、Spectrumefficiency）是指在数位通信系统中的带宽限制下，能够传送的资料总量。
在有限的波频谱下，物理层通信协议能够达到的使用效率有一定的限度。
链路频谱效率
数字通信系统的链路频谱效率（Linkspectralefficiency）的单位是bit/s/Hz，或（bit/s）/Hz（较少用，但更准确）。
其定义为净比特率（有用信息速率，不包括纠错码）或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽（单位：
赫兹）。
调制效率定义为净比特率（包括纠错码）除以带宽。
频谱效率通常被用于分析数字调制方式的效率，有时也考虑前向纠错码（forwarderrorcorrection,FEC）和其他物理层开销。
在后一种情形下，1个“比特”特指一个用户比特，FEC的开销总是不包括在内的。
例1：
1kHz带宽中能够传送毎秒1000bit的技术，其频谱效率或调制效率均为1bit/s/Hz。
例2：
电话网的V.92调制解调器在模拟电话网上以56,000bit/s的下行速率和48,000bit/s的上行速率传输。
经由电话交换机的滤波，频率限制在300Hz到3,400Hz之间，带宽相应为3400−300=3100Hz。
频谱效率或调制效率为56,000/3,100=18.1bit/s/Hz（下行）、48,000/3,100=15.5bit/s/Hz（上行）。
使用FEC的架空调变方式可达到最大的频谱效率能够利用标本化定理来求得，信号的字母表（运算机科学）利用符号数量M来组合、各符号使用N=log2Mbit来表示。
此情形下频谱效率若不使用编码间干涉的话，无法超过2Nbit/s/Hz的效率。
举例来讲，符号种类有8种、每个各有3bit的话，频谱效率最高不超过6bit/s/Hz。
在使用前向错误更正编码的情形时频谱效率会降低。
例如讲使用1/2编码率的FEC时，编码长度会变为1.5倍，频谱效率会降低50%。
频谱效率降低的同时FEC能够改善信号的SN比（并非一定会有改善）。
对某个SN比通信回来讲、在完全没有传输错误，且编码与调变方式皆处于理想的状况时，其频谱效率的上限可哈特利定理得出。
例如讲SN比1即分贝为0时，不管编码与调变方式如何变化，频谱效率可不能超过1bit/s/Hz。
Goodput（应用层情报使用的量）比一样在此运算的吞吐量还小，其缘故为有封包再次传送、超传输协议的架空造成的。
频谱效率那个用语，会产生数值越大的话能够使周波数频谱产生更有效的误解产生。
例如手机因为频谱扩散与使用FEC技术使得频谱效率低下，但SN比不行有时依旧能够正常通信。
因此能够使用到比周波带宽数还多的链结、以整体来看其成效能够补偿频谱效率低下的缺点还有过之。
如同后面会提到的，具有较为合适尺度代表”单位带宽利用率”单位的bit/s/Hz存在，这是属于分码多工（CDMA）的技术并已成为数位手机的差不多构成技术。
然而电话线路与有线电视网等由于没有频道相互干扰的咨询题，其使用的差不多上皆为其SN比下最大频谱效率。
系统频谱效率
无线网络是以系统频谱效率'在有限的无线周波数带宽下能够同时支援的客户数与服务进行量化。
其单位为bit/s/Hz/areaunit、bit/s/Hz/cell、bit/s/Hz/site等进行计量。
有能够把系统能同时支援使用者的吞吐量与goodput的总量以通信回路的带宽（Hz）来表示。
这并不单阻碍使用单一通信回路的技术，多元连接手法与无线资源治理技术也受到阻碍，专门是动态无线资源治理能够得到改善。
定义最大goodput时，会排除掉通信回路间的相互干渉与冲突，高阶通讯协定的架空也是忽略不计的。
手机网络的容量也是以1MHz周波数带宽上能够同时最大连接线数来表示，即Erlang/MHz/cell、Erlangs/MHz/sector、Erlangs/MHz/km²等单位。
那个数值也阻碍到讯息编码技术（数据压缩）、在类比电话网络也有使用。
例:
以频分多址（FDMA）与固定频道分配（FCA）为基础的手机系统在频率再利用系数是4的时候、各基地局能够利用的是所有频谱的1/4。
按照此推算、最大系统频谱效率（bit/s/Hz/site）是链结频谱效率的1/4。
各基地局使用3个扇形天线将讯号分为3扇区时，被称为4/12再利用模式。
各部份能够使用全频谱的1/12，因此系统的频谱效率（bit/s/Hz/cell或bit/s/Hz/sector）为链结频谱效率的1/12。
即使链结频谱效率（bit/s/Hz）偏低，以”系统频谱效率”的観点来看，并不一定代表编码效率不行。
例如、分码多工（CDMA）频谱扩散为单一通信回路（即只有依未使用者）时，频谱效率是不行的，然而由于在同一带宽中有复数的通信回路存在，因次系统频谱效率专门好。
例:
以W-CDMA3G手机系统来讲、打电话时最大压缩8,500bit/s时、会造成5MHz带宽的扩散，现在此连接的吞吐量为8,500/5,000,000=0.0017bit/s/Hz。
在这情形下同扇区内能够有同时容纳100通电话（有声音）的进行。
由于各基地局以3个方向的扇形天线区分为3个扇区，在频谱扩散后、频率再利用系数会变的比1还小。
现在的系统频谱效率为1·100·0.0017=0.17bit/s/Hz/site亦或0.17/3=0.06bit/s/Hz/cell（也可换算成bit/s/Hz/sector）。
频谱效率能够使用固定/动态频道分配、电力操纵、即被称为LinkAdaptatio的无线资源治理技术来进行改善。
比较表如下
表1：
一样通信系统的频谱效率数值
一样通信系统的频谱效率服务
规格
每秒频道的带宽R
（Mbit/s）
频道的带宽B
（MHz）
链结频谱效率R/B
（bit/s/Hz）
典型的频率再利用系数1/K
系统频谱效率
一样R/B/K数值（bit/s/Hz/site）
第二世代手机（2G）
GSM1993
0.013·8时隙=0.104
0.2
0.52
1/7
0.17
2.75G
GSM+EDGE
最大0.384通常0.20
0.2
最大1.92通常1.00
1/7
0.33
2.75G
IS-136HS+EDGE
最大0.384通常0.27
0.2
最大1.92通常1.35
1/7
0.45
第三世代手机（3G）
W-CDMAFDD1997
传到手机时最大0.384
5
传到手机时最大0.077
1/7
0.51
3.5G
HSDPA2007
传到手机时最大14.4
5
传到手机时最大2.88
1/7
0.71
3.5G
HSOPAOFDMA
传到手机时最大100
10
传到手机时最大5
1/7
0.71
第三世代携帯电话（3G）
CDMA20001x
传到手机时最大0.144
1.25
传到手机时最大0.115
1/7
0.51
Wi-Fi
IEEE802.11a/g2003
最大54
20
最大2.7
1/3
0.9
Wi-Fi
IEEE802.11nDraft2.02007
最大144.4
20
最大7.22
1/3
2.4
WiMAX
IEEE802.162004
96
20（1.75,3.5,7...）
4.8
1/4
1.2
数位广播
DAB
0.576～1.152
1.712
0.34～0.67
1/5
0.08～0.17
数位广播
DAB+SFN
0.576～1.152
1.712
0.34～0.67
数位电视
DVB-T
最大31.67通常22.0
8
最大4.0通常2.8
1/5
0.55
数位电视
DVB-T+SFN
最大31.67通常22.0
8
最大4.0通常2.8
数位电视
DVB-H
5.5～11
8
0.68～1.4
1/5
0.14～0.28
数位电视
DVB-H+SFN
5.5～11
8
0.68～1.4
光纤用数位电视TV
256-QAM
38
6
6.33
1
6.33
Spectralefficiency
Spectralefficiency,spectrumefficiencyorbandwidthefficiencyreferstotheinformationratethatcanbetransmittedoveragivenbandwidthinaspecificcommunicationsystem.Itisameasureofhowefficientlyalimitedfrequencyspectrumisutilizedbythephysicallayerprotocol,andsometimesbythemediaaccesscontrol（thechannelaccessprotocol）.
Linkspectralefficiency
Thelinkspectralefficiencyofadigitalcommunicationsystemismeasuredinbit/s/Hz,[1]or,lessfrequentlybutunambiguously,in（bit/s）/Hz.Itisthenetbitrate（usefulinformationrateexcludingerror-correctingcodes）ormaximumthroughputdividedbythebandwidthinhertzofacommunicationchanneloradatalink.Alternatively,thespectralefficiencymaybemeasuredininbit/symbol,whichisequivalenttobitsperchanneluse（bpcu）,implyingthatthenetbitrateisdividedbythesymbolrate（modulationrate）orlinecodepulserate.
Linkspectralefficiencyistypicallyusedtoanalysetheefficiencyofadigitalmodulationmethodorlinecode,sometimesincombinationwithaforwarderrorcorrection（FEC）codeandotherphysicallayeroverhead.Inthelattercase,a"bit"referstoauserdatabit;FECoverheadisalwaysexcluded.
Themodulationefficiencyinbit/sisthegrossbitrate（includinganyerror-correctingcode）dividedbythebandwidth.
Example1:
Atransmissiontechniqueusingonekilohertzofbandwidthtotransmit1,000bitspersecondhasamodulationefficiencyof1（bit/s）/Hz.
AnupperboundfortheattainablemodulationefficiencyisgivenbytheNyquistrateorHartley'slawasfollows:
ForasignalingalphabetwithMalternativesymbols,eachsymbolrepresentsN=log2Mbits.Nisthemodulationefficiencymeasuredinbit/symbolorbpcu.Inthecaseofbasebandtransmission（linecodingorpulse-amplitudemodulation）withabasebandbandwidth（oruppercut-offfrequency）B,thesymbolratecannotexceed2Bsymbols/sinviewtoavoidintersymbolinterference.Thus,thespectralefficiencycannotexceed2N（bit/s）/Hzinthebasebandtransmissioncase.Inthepassbandtransmissioncase,asignalwithpassbandbandwidthWcanbeconvertedtoanequivalentbasebandsignal（usingundersamplingorasuperheterodynereceiver）,withuppercut-offfrequencyW/2.Ifdouble-sidebandmodulationschemessuchasQAM,ASK,PSKorOFDMareused,thisresultsinamaximumsymbolrateofWsymbols/s,andinthatthemodulationefficiencycannotexceedN（bit/s）/Hz.Ifdigitalsingle-sidebandmodulationisused,thepassbandsignalwithbandwidthWcorrespondstoabasebandmessagesignalwithbasebandbandwidthW,resultinginamaximumsymbolrateof2Wandanattainablemodulationefficiencyof2N（bit/s）/Hz.
Example3:
An16QAMmodemhasanalphabetsizeofM=16alternativesymbols,withN=4bit/symbolorbpcu.SinceQAMisaformofdoublesidebandpassbandtransmission,thespectralefficiencycannotexceedN=4（bit/s）/Hz.
Example5:
ThedownlinkofaV.92modemusesapulse-amplitudemodulationwith128signallevels,resultinginN=7bit/symbol.Sincethetransmittedsignalbeforepassbandfilteringcanbeconsideredasbasebandtransmission,thespectralefficiencycannotexceed2N=14（bit/s）/Hzoverthefullbasebandchannel（0to4kHz）.Asseenabove,ahigherspectralefficiencyisachievedifweconsiderthesmallerpassbandbandwidth.
Ifaforwarderrorcorrectioncodeisused,thespectralefficiencyisreducedfromtheuncodedmodulationefficiencyfigure.
Example6:
Ifaforwarderrorcorrection（FEC）codewithcoderate1/2isadded,meaningthattheencoderinputbitrateisonehalftheencoderoutputrate,thespectralefficiencyis50%ofthemodulationefficiency.Inexchangeforthisreductioninspectralefficiency,FECusuallyreducesthebit-errorrate,andtypicallyenablesoperationatalowersignaltonoiseratio（SNR）.
AnupperboundforthespectralefficiencypossiblewithoutbiterrorsinachannelwithacertainSNR,ifidealerrorcodingandmodulationisassumed,isgivenbytheShannon-Hartleytheorem.
Example7:
IftheSNRis1timesexpressedasaratio,correspondingto0decibel,thelinkspectralefficiencycannotexceed1（bit/s）/Hzforerror-freedetection（assuminganidealerror-correctingcode）accordingtoShannon-Hartleyregardlessofthemodulationandcoding.
Systemspectralefficiencyorareaspectralefficiency
Indigitalwirelessnetworks,thesystemspectralefficiencyorareaspectralefficiencyistypicallymeasuredin（bit/s）/Hzperunitarea,（bit/s）/Hzpercell,or（bit/s）/Hzpersite.Itisameasureofthequantityofusersorservicesthatcanbesimultaneouslysupportedbyalimitedradiofrequencybandwidthinadefinedgeographicarea.Itmayforexamplebedefinedasthemaximumthroughputorgoodput,summedoverallusersinthesystem,dividedbythechannelbandwidth.Thismeasureisaffectednotonlybythesingleusertransmissiontechnique,butalsobymultipleaccessschemesandradioresourcemanagementtechniquesutilized.Itcanbesubstantiallyimprovedbydynamicradioresourcemanagement.Ifitisdefinedasameasureofthemaximumgoodput,retransmissionsduetoco-channelinterferenceandcollisionsareexcluded.Higher-layerprotocoloverhead（abovethemediaaccesscontrolsublayer）isnormallyneglected.
Example8:
Inacellularsystembasedonfrequency-divisionmultipleaccess（FDMA）withafixedchannelallocation（FCA）cellplanusingafrequencyreusefactorof4,eachbasestationhasaccessto1/4ofthetotalavailablefrequencyspectrum.Thus,themaximumpossiblesystemspectralefficiencyin（bit/s）/Hzpersiteis1/4ofthelinkspectralefficiency.Eachbasestationmaybedividedinto3cellsbymeansof3sectorantennas,alsoknownasa4/12reusepattern.Theneachcellhasaccessto1/12oftheavailablespectrum,andthesystemspectralefficiencyin（bit/s）/Hzpercellor（bit/s）/Hzpersectoris1/12ofthelinkspectralefficiency.
Thesystemspectralefficiencyofacellularnetworkmayalsobeexpressedasthemaximumnumberofsimultaneousphonecallsperareaunitover1MHzfrequencyspectruminE/MHzpercell,E/MHzpersector,E/MHzpersite,or（E/MHz）/m2.Thismeasureisalsoaffect
升级会员 