奈奎斯特定理 and 香農定理


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奈奎斯特定理(Nyquist's Theorem)和香農定理(Shannon's Theorem)是網絡傳輸中的兩個基本定理;要搞清楚這兩個定理,需要先弄懂一些定義:波特率(buad rate)、比特率(bit rate)、帶寬(bandwidth)、容量(capacity)。

波特率:是指信號每秒鍾電平變化的次數,單位是Hz,比如一個信號在一秒鍾內電平發生了365次變化,那么這個信號的波特率就是365Hz。

比特率:是指信號每秒鍾傳輸的數據的位數,比特率就是每秒鍾傳輸0和1的個數,單位是bps(bit per second)。

假設一個信號只有兩個電平,那么這個時候可以把低電平理解為“0”,高電平理解為“1”,這樣每秒鍾電平變化的次數也就是傳輸的0,1個數了,即比特率=波特率。

但是有些信號可能不止兩個電平,比如一個四電平的信號,那么每個電平就可以被理解為“00”,“01”,“10”,“11”,這樣每次電平變化就能傳輸兩位的數據了,即比特率=2*波特率。一般的,bit rate=baud rate*log2L(這里的L就是電平的個數)。

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帶寬和容量

帶寬

一般信道都有一個最高的信號頻率(注意:不是波特率,頻率是指每秒鍾的周期數,而每個周期都會有幾次電平變化)和最低的信號頻率,只有在這兩個頻率之間的信號才能通過這個信道,這兩個頻率的差值就叫做這個信道的帶寬,單位是Hz。

信道的容量

我們知道數據在信道中傳輸會有他們的速度——比特率,這里最高的比特率就叫做這個信道的容量,單位是bps。就好像每條公路都有他們的最高限速,那么所有在里面開的車都不會超過這個速度。口語中也會把信道容量叫做“帶寬”(比如帶寬10M的網絡,網絡帶寬是10M等等)。這兩個概念容易混淆:我們平常所說的“帶寬“不是帶寬,而是信道容量,這一點心里要清楚。

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那么,這兩個定理說的是什么呢?

奈奎斯特定理:Cmax = 2 * B * log2L

Cmax:指的是信道的最大容量

B:指的是信道的帶寬

L:還是信號電平的個數

奈奎斯特定理使用的情況是無噪聲信道,用來計算理論值。一根針掉在地上還有聲音呢?沒有噪聲的信道在顯示中是不存在的,那么有噪聲的信道該如何計算呢?

這下,香農定理出現了:

Cmax = B * log2(1+(S/N))

S/N:指的是信道的信噪比,但是我們一般測量出來的以db為單位的是經過10*log10(S/N)換算的,所以這里還要換算回來才行。


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