奈奎斯特定理 and 夏農定理

2022-02-25 07:06:19 字數 1257 閱讀 1130

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奈奎斯特定理(nyquist's theorem)和夏農定理(shannon's theorem)是網路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)、位元率(bit rate)、頻寬(bandwidth)、容量(capacity)。

波特率:是指訊號每秒鐘電平變化的次數,單位是hz,比如乙個訊號在一秒鐘內電平發生了365次變化,那麼這個訊號的波特率就是365hz。

位元率:是指訊號每秒鐘傳輸的資料的位數,位元率就是每秒鐘傳輸0和1的個數,單位是bps(bit per second)。

假設乙個訊號只有兩個電平,那麼這個時候可以把低電平理解為「0」,高電平理解為「1」,這樣每秒鐘電平變化的次數也就是傳輸的0,1個數了,即位元率=波特率。

但是有些訊號可能不止兩個電平,比如乙個四電平的訊號,那麼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資料了,即位元率=2*波特率。一般的,bit rate=baud rate*log2l(這裡的l就是電平的個數)。

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頻寬和容量

頻寬一般通道都有乙個最高的訊號頻率(注意:不是波特率,頻率是指每秒鐘的週期數,而每個週期都會有幾次電平變化)和最低的訊號頻率,只有在這兩個頻率之間的訊號才能通過這個通道,這兩個頻率的差值就叫做這個通道的頻寬,單位是hz。

通道的容量

我們知道資料在通道中傳輸會有他們的速度——位元率,這裡最高的位元率就叫做這個通道的容量,單位是bps。就好像每條公路都有他們的最高限速,那麼所有在裡面開的車都不會超過這個速度。口語中也會把通道容量叫做「頻寬」(比如頻寬10m的網路,網路頻寬是10m等等)。這兩個概念容易混淆:我們平常所說的「頻寬「不是頻寬,而是通道容量,這一點心裡要清楚。

那麼,這兩個定理說的是什麼呢?

奈奎斯特定理:cmax = 2 * b * log2l

cmax:指的是通道的最大容量

b:指的是通道的頻寬

l:還是訊號電平的個數

奈奎斯特定理使用的情況是無雜訊通道,用來計算理論值。一根針掉在地上還有聲音呢?沒有雜訊的通道在顯示中是不存在的,那麼有雜訊的通道該如何計算呢?

這下,夏農定理出現了:

cmax = b * log2(1+(s/n))

s/n:指的是通道的訊雜比,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,所以這裡還要換算回來才行。

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