中英对照频谱效率.docx
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中英对照频谱效率
频谱效率
频谱效率（Spectralefficiency、Spectrumefficiency）是指在数位通信系统中的限制下，可以传送的资料总量。
在有限的波下，物理层通信协议可以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//，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（forwarderrorcorrection,FEC）和其他物理层开销。
在后一种情况下，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带宽中可以传送毎秒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=bit/s/Hz（下行）、48,000/3,100=bit/s/Hz（上行）。
使用FEC的架空调变方式可达到最大的频谱效率可以利用标本化定理来求得，信号的字母表（计算机科学）利用符号数量M来组合、各符号使用N=log2Mbit来表示。
此情况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。
举例来说，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。
比如说使用1/2编码率的FEC时，编码长度会变为倍，频谱效率会降低50%。
频谱效率降低的同时FEC可以改善信号的SN比（并非一定会有改善）。
对某个SN比通信回来说、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。
比如说SN比1即分贝为0时，无论编码与调变方式如何变化，频谱效率不会超过1bit/s/Hz。
Goodput（应用层情报使用的量）比一般在此计算的吞吐量还小，其原因为有封包再次传送、超传输协议的架空造成的。
频谱效率这个用语，会产生数值越大的话可以使周波数频谱产生更有效的误解产生。
比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比不好有时还是可以正常通信。
因此可以使用到比周波带宽数还多的链结、以整体来看其效果可以弥补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基本构成技术。
但是电话线路与有线电视网等由于没有频道相互干扰的问题，其使用的基本上皆为其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可以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。
有可以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。
这并不单影响使用单一通信回路的技术，多元连接手法与无线资源管理技术也受到影响，特别是动态无线资源管理可以得到改善。
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周波数带宽上可以同时最大连接线数来表示，即Erlang/MHz/cell、Erlangs/MHz/sector、Erlangs/MHz/km2等单位。
这个数值也影响到讯息编码技术（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、各基地局可以利用的是所有频谱的1/4。
根据此推算、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。
各部份可以使用全频谱的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好。
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，频谱效率是不好的，但是由于在同一带宽中有复数的通信回路存在，因次系统频谱效率非常好。
例:
以W-CDMA3G手机系统来说、打电话时最大压缩8,500bit/s时、会造成5MHz带宽的扩散，此时此连接的吞吐量为8,500/5,000,000=bit/s/Hz。
在这情形下同扇区内可以有同时容纳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。
此时的系统频谱效率为1·100·=bit/s/Hz/site亦或3=bit/s/Hz/cell（也可换算成bit/s/Hz/sector）。
频谱效率可以使用固定/动态频道分配、电力控制、即被称为LinkAdaptatio的无线资源管理技术来进行改善。
比较表如下
表1：
一般通信系统的频谱效率数值
一般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
一般R/B/K数值（bit/s/Hz/site）
（2G）
1993
·8时隙=
1/7
+
最大通常
最大通常
1/7
HS+
最大通常
最大通常
1/7
（3G）
FDD1997
传到手机时最大
5
传到手机时最大
1/7
2007
传到手机时最大
5
传到手机时最大
1/7
OFDMA
传到手机时最大100
10
传到手机时最大5
1/7
（3G）
1x
传到手机时最大
传到手机时最大
1/7
2003
最大54
20
最大
1/3
Draft2007
最大
20
最大
1/3
96
20,,7...）
1/4
～
～
1/5
～
+
～
～
最大通常
8
最大通常
1/5
+
最大通常
8
最大通常
～11
8
～
1/5
～
+
～11
8
～
光纤用数位电视TV
38
6
1
Spectralefficiency
Spectralefficiency,spectrumefficiencyorbandwidthefficiencyreferstothethatcanbetransmittedoveragiveninaspecificcommunicationsystem.Itisameasureofhowefficientlyalimitedfrequencyspectrumisutilizedbytheprotocol,andsometimesbythe（theprotocol）.
Linkspectralefficiency
Thelinkspectralefficiencyofadigitalcommunicationsystemismeasuredin//,or,lessfrequentlybutunambiguously,in（bit/s）/Hz.Itisthe（usefulinformationrateexcluding）ordividedbytheinhertzofaora.Alternatively,thespectralefficiencymaybemeasuredininbit/symbol,whichisequivalenttobitsper（bpcu）,implyingthatthenetbitrateisdividedbythe（modulationrate）orlinecodepulserate.
Linkspectralefficiencyistypicallyusedtoanalysetheefficiencyofamethodor,sometimesincombinationwitha（FEC）codeandotherphysicallayeroverhead.Inthelattercase,a"bit"referstoauserdatabit;FECoverheadisalwaysexcluded.
Themodulationefficiencyinbit/sisthe（includinganyerror-correctingcode）dividedbythebandwidth.
Example1:
Atransmissiontechniqueusingoneofbandwidthtotransmit1,000bitspersecondhasamodulationefficiencyof1（bit/s）/Hz.
Example2:
Amodemforthetelephonenetworkcantransfer56,000bit/sdownstreamand48,000bit/supstreamoverananalogtelephonenetwork.Duetofilteringinthetelephoneexchange,thefrequencyrangeislimitedtobetween300hertzand3,400hertz,correspondingtoabandwidthof3,400?
300=3,100hertz.Thespectralefficiencyormodulationefficiencyis56,000/3,100=（bit/s）/Hzdownstream,and48,000/3,100=（bit/s）/Hzupstream.
Anupperboundfortheattainablemodulationefficiencyisgivenbytheorasfollows:
ForasignalingalphabetwithMalternativesymbols,eachsymbolrepresentsN=log2Mbits.Nisthemodulationefficiencymeasuredinbit/symbolorbpcu.Inthecaseof（or）withabasebandbandwidth（oruppercut-offfrequency）B,thecannotexceed2Bsymbols/sinviewtoavoid.Thus,thespectralefficiencycannotexceed2N（bit/s）/Hzinthebasebandtransmissioncase.Inthepassbandtransmissioncase,asignalwithpassbandbandwidthWcanbeconvertedtoanequivalentbasebandsignal（usingora）,withuppercut-offfrequencyW/2.Ifdouble-sidebandmodulationschemessuchasQAM,ASK,PSKorOFDMareused,thisresultsinamaximumsymbolrateofWsymbols/s,andinthatthemodulationefficiencycannotexceedN（bit/s）/Hz.Ifdigitalisused,thepassbandsignalwithbandwidthWcorrespondstoabasebandmessagesignalwithbasebandbandwidthW,resultinginamaximumsymbolrateof2Wandanattainablemodulationefficiencyof2N（bit/s）/Hz.
Example3:
An16QAMmodemhasanalphabetsizeofM=16alternativesymbols,withN=4bit/symbolorbpcu.SinceQAMisaformofdoublesidebandpassbandtransmission,thespectralefficiencycannotexceedN=4（bit/s）/Hz.
Example4:
The（8-levelvestigialsideband）modulationschemeusedinthegivesN=3bit/symbolorbpcu.Sinceitcanbedescribedasnearlysingle-sideband,themodulationefficiencyiscloseto2N=6（bit/s）/Hz.Inpractice,ATSCtransfersagrossbitrateof32Mbit/sovera6MHzwidechannel,resultinginamodulationefficiencyof32/6=（bit/s）/Hz.
Example5:
Thedownlinkofamodemusesapulse-amplitudemodulationwith128signallevels,resultinginN=7bit/symbol.Sincethetransmittedsignalbeforepassbandfilteringcanbeconsideredasbasebandtransmission,thespectralefficiencycannotexceed2N=14（bit/s）/Hzoverthefullbasebandchannel（0to4kHz）.Asseenabove,ahigherspectralefficiencyisachievedifweconsiderthesmallerpassbandbandwidth.
Ifacodeisused,thespectralefficiencyisreducedfromtheuncodedmodulationefficiencyfigure.
Example6:
Ifaforwarderrorcorrection（FEC）codewith1/2isadded,meaningthattheencoderinputbitrateisonehalftheencoderoutputrate,thespectralefficiencyis50%ofthemodulationefficiency.Inexchangeforthisreductioninspectralefficiency,FECusuallyreducesthe,andtypicallyenablesoperationatalower（SNR）.
AnupperboundforthespectralefficiencypossiblewithoutinachannelwithacertainSNR,ifidealerrorcodingandmodulationisassumed,isgivenbythe.
Example7:
IftheSNRis1timesexpressedasaratio,correspondingto0,thelinkspectralefficiencycannotexceed1（bit/s）/Hzforerror-freedetection（assuminganidealerror-correctingcode）accordingtoShannon-Hartleyregardlessofthemodulationandcoding.
Notethatthe（theamountofapplicationlayerusefulinformation）isnormallylowerthantheusedintheabovecalculations,becauseofpacketretransmissions,higherprotocollayeroverhead,flowcontrol,congestionavoidance,etc.Ontheotherhand,adatacompressionscheme,suchastheorcompressionusedintelephonemodems,mayhowevergivehighergoodputifthetransferreddataisnotalreadyefficientlycompressed.
Thelinkspectralefficiencyofawirelesstelephonylinkmayalsobeexpressedasthemaximumnumberofsimultaneouscallsover1MHzfrequencyspectruminerlangspermegahertz,or/MHz.Thismeasureisalsoaffectedbythesourcecoding（datacompression）scheme.Itmaybeappliedtoanalogaswellasdigitaltransmission.
Inwirelessnetworks,thelinkspectralefficiencycanbesomewhatmisleading,aslargervaluesarenotnecessarilymoreefficientintheiroveralluseofradiospectrum.Inawirelessnetwork,highlinkspectralefficiencymayresultinhighsensitivitytoco-channelinterference（crosstalk）,whichaffectsthecapacity.Forexample,inanetworkwithfrequencyreuse,andreducethespectralefficiencyin（bit/s）/Hzbutsubstantiallylowertherequiredsignal-to-noiseratioincomparisontonon-spreadspectrumtechniques.Thiscanallowformuchdensergeographicalfrequencyreusethatcompensatesforthelowerlinkspectralefficiency,resultinginapproximatelythesamecapacity（thesamenumberofsimultaneousphonecalls）overthesamebandwidth,usingthesamenumberofbasestationtransmitters.Asdiscussedbelow,amorerelevantmeasureforwirelessnetworkswouldbesystemspectralefficiencyinbit/s/Hzperunitarea.However,inclosedcommunicationlinkssuchastelephonelinesandcableTVnetworks,andinnoise-limitedwirelesscommunicationsystemwhereco-channelinterferenceisnotafactor,thelargestlinkspectralefficiencythatcanbesupportedbytheavailableSNRisgenerallyused.
Systemspectralefficiencyorareaspectralefficiency
Indigital,thesystemspectralefficiencyorareaspectralefficiencyistypicallymeasuredin（bit/s）/Hzperunitarea,（bit/s）/Hzper,or（bit/s）/Hzpersite.Itisa
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