波特率和比特率有何不同？仪器测试带宽如何选择？

无论是否开源，像ChatGPT、文心一言、作业辅导等各类AI工具，其背后都离不开大规模AI模型的训练，而这一过程对算力的需求极为庞大。因此，一种新型的数据中心应运而生——我们称之为“算力中心”。与传统以数据存储为主要目标的数据中心不同，算力中心的核心任务是提供强大的计算能力。它依赖于GPU出色的并行计算性能，以及多块GPU的级联协作，从而实现计算能力的显著提升。

在这一过程中，GPU之间的高效互联对800G光模块乃至更高速率光模块产生了巨大的需求。可以说，人工智能的迅猛发展不仅推动了高速互连技术的进步（如400G/800G以太网、PCIe、DDR等高速总线技术），也极大地带动了整个光通信领域的发展，特别是在400G和800G光模块方面。

在很多场合下，“比特率”≠“波特率”了！波特率和比特率有什么不同呢？

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比特率是什么意思?

比特率（Bit Rate）是指单位时间内传输的比特数，也就是通信系统中信息传输的速度，其基本单位为比特每秒（bit/s）。换句话说，比特率表示每秒钟能够传输多少个二进制位（0 或 1）。常见的单位包括千比特每秒（kbps）、兆比特每秒（Mbps）、吉比特每秒（Gbps）等，通常也被称为信号速率。比特率越高，单位时间内可传输的数据量就越大，通信效率也就越高。在人工智能迅猛发展的当下，数据量呈现出爆炸式增长，这对通信系统提出了更高的要求。为了避免未来通信链路出现瓶颈，提升比特率及其传输效率已成为亟需解决的关键问题。

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波特率是什么意思？

波特率（Baud Rate）是指每秒钟传输的码元（Symbol）数量，是衡量数据传输速率的重要指标，单位为波特（Baud）。在特定编码方式下，波特率与比特率之间存在一定的对应关系。当使用非归零码（NRZ）时，每个码元仅表示1个比特信息，此时比特率等于波特率。

例如，USB 3.0 的信号速率为 5 Gbps，这里所指的是其比特率为 5 Gbps。由于采用的是 NRZ 编码，因此其波特率也为 5 GBaud。不过，在 NRZ 信号中，人们通常直接使用比特率进行描述，较少提及波特率。

随着通信技术的发展，信号速率不断提升，许多高速接口（如以太网和 PCIe）已逐步转向更高阶的调制方式，如 PAM4（四电平脉冲幅度调制）。正如我们在上期文章《让高端示波器不再高不可攀》中所提到的，PAM4 已成为下一代高速通信技术的主要趋势。

PAM4 使用四个不同的电平来表示四种符号状态（00、01、10、11），每个符号承载 2 比特的数据。因此，若某系统的比特率为 64 Gbps，采用 PAM4 调制，则其波特率为 32 GBaud。

以此类推，若采用更高阶的调制方式，如 PAM8 或 PAM16，每个符号可承载更多比特信息，相应的波特率将进一步降低，从而在有限带宽下实现更高的数据传输速率。

图1：NRZ 和PAM4 脉冲幅度调制

总结：

波特率与比特率之间存在密切的关系，但在不同调制或编码方式下也有所不同。在理想情况下，当每个码元（即一个信号变化）仅表示一个比特的信息时，波特率与比特率是相等的。然而，在采用高阶调制或编码技术（如 PAM4 或 QPSK）的系统中，一个码元可以承载多个比特的数据。此时，波特率将低于比特率。换句话说，比特率等于波特率乘以每个码元所携带的比特数。因此，在这些技术中，波特率与比特率不再一致，而是呈现出倍数关系。

在光通信系统中，我们通常会使用两种不同的速率参数来描述信号的传输特性。

第一种是比特率
，也称为“传输速率”，表示单位时间内传输的二进制比特数，单位为比特每秒（bit/s）。

第二种是符号率，也称为“波特率”（Baud Rate），用S表示，代表每秒传输的符号（Symbol）数量，单位为波特（Baud）。其中，symbolsN
表示所使用的调制格式中不同符号的总数。符号率的计算公式如下：

以 QPSK 调制为例，若信号还采用了偏振复用技术（Polarization Multiplexing），则在计算符号率时还需将偏振通道数纳入考虑。例如，对于一个比特率为 100 Gbps 的 QPSK 信号，由于每个符号可表示 2 比特信息，且信号在两个偏振态上并行传输，因此其符号率S可通过如下公式计算：

通过这个例子，终于理清了高速数字通信中比特率与波特率之间的关系和区别。作为一家专业的电子测量仪器供应商，我们深知客户在面对这些高速信号测试时最关心的问题之一：如何选择合适的仪器带宽，以准确捕获和分析高速通信信号？

备注：

在数字通信领域，带宽是一项至关重要的性能参数，它直接反映了通信速度的快慢以及通信信道容量的大小。
在这一背景下，数字通信中的“带宽”通常指的是数字信号的传输速率，也就是单位时间内传输的比特数量，简称位率或比特率，其标准单位为比特每秒（bit/s 或 bps）。

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如果你希望进一步区分“模拟带宽”与“数字带宽”的概念，或者结合具体应用场景（如光通信、高速总线、无线传输等）进行拓展，我也可以继续完善内容。

仪器带宽选择经验法则

——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：

在当前高速通信的发展趋势下，单通道 224 Gbps PAM4 调制技术正成为业界关注的焦点。由于 PAM4 每个符号传输 2 比特数据，因此其对应的波特率为 112 GBaud。

因此，建议选用具备 84 GHz 或更高带宽的采样示波器以确保信号完整性测试的准确性。

在进行 224 Gbps 链路验证时，若需全面评估信道性能，推荐使用带宽超过110 GHz 的矢量网络分析仪（VNA）。而如果仅需测量链路插损等基础参数，则选择带宽大于56 GHz 的 VNA即可满足需求。

此外，还有一个实用的小技巧：若您在使用误码率测试仪（BERT），只需根据待测信号速率选择支持相应速率的误码仪即可。例如，是德科技的旗舰级 BERT 解决方案——M8050A 系统，其中的 Pattern Generator M8042A 可输出高达120 GBaud的 PAM4 信号，轻松应对新一代高速接口测试挑战。

相比其他测试设备，BERT 的选型更为直观明确，也更容易满足高比特率下的测试需求。

作为业内少数几家能够提供完整 224 Gbps 及 1.6 Tbps 技术测试解决方案的厂商之一，是德科技凭借强大的高速测试平台，持续助力前沿通信技术的研发与验证。面对如此高的比特率要求，对测试仪器带宽、精度和系统性能的挑战确实非同一般，而我们已做好准备！

图2：224Gbps/1.6T 技术测试解决方案

咳咳～论文中提到的那个 110 GHz VNA，不正是我们的N5290A吗？小 k 又猝不及防地“软植入”了一个产品广告！

听说目前很多从事高速线缆、连接器研发和生产的厂商，正在采用 PXI 矢量网络分析仪，或者搭配射频开关使用的台式矢网方案来进行高频测试。如果您对这些测试架构感兴趣，欢迎在评论区留言告诉小 k，我们一起交流探讨！

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

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什么是数字调制？

数字调制是将原始数据比特流按照特定规则映射到IQ坐标系的过程。完成映射后，生成的数字I和Q信号通过数模转换器（DAC）转换为模拟I和Q信号，随后经由IQ调制器上变频至射频频段。在数字通信系统中，数字调制不仅实现了信息比特向频带信号的有效映射，还增强了信号传输的可靠性。

数字调制的主要形式包括幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。载波具有三个可调整的特征参数：幅度、相位和频率。根据这三个参数的不同变化，分别对应调幅（ASK）、调相（PSK）和调频（FSK）。当调制过程同时涉及多个参数（如幅度和相位）的变化时，这种调制方式被称为矢量调制。常见的矢量调制技术包括正交幅度调制（QAM）和多电平相移键控（如PAM4），它们通过同时改变载波的多个属性来实现更高的数据传输速率和效率。

图5：数字调制技术

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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（信道支持的最大的比特率）：

其中，B表示信道带宽（单位为 Hz），S表示接收端的信号平均功率（单位为 W），N表示信道中的平均噪声功率（单位为 W）。根据香农定理，信道容量可以通过增加带宽或提升信噪比来实现增长。

其中C为信道容量（单位为 bps）。该公式揭示了一个关键事实——信道带宽限制了比特率的增长上限，而信道容量不仅取决于带宽，还与系统的信噪比以及所采用的编码和调制技术密切相关。

需要强调的是，香农定理给出的是一个理论极限值，它告诉我们系统在给定信噪比和带宽条件下所能达到的最大信息传输速率，但并未指明应采用哪种具体的调制或编码方式才能逼近这一极限。现实中，无线信道无法无限制地提升信息传输速率，它受到其固有物理规律的制约，就像城市道路的通行能力受限于道路宽度和交通流量一样。这个根本性的限制，正是香农定理所揭示的核心内容。