Войти
Спектральная эффективность, спектральная эффективность или эффективность использования полосы пропускания относится к скорости передачи информации, которая может передаваться по заданной полосе пропускания в конкретной системе связи. Это мера того, насколько эффективно ограниченный частотный спектр используется протоколом физического уровня, а иногда и управлением доступом к среде (протокол доступа к каналу ).
Спектральная эффективность линии связи в цифровой системе связи измеряется в бит /s /Hz или, реже, но однозначно, в (бит / с) / Гц. Это чистый битрейт (скорость полезной информации, исключая коды с исправлением ошибок ) или максимальная пропускная способность, деленная на полосу пропускания в герцах канал связи или канал передачи данных. В качестве альтернативы спектральная эффективность может быть измерена в битах / символах, что эквивалентно количеству битов на использование канала (bpcu), подразумевая, что чистая скорость передачи данных делится на скорость передачи символов ( частота модуляции) или частота импульсов линейного кода.
Спектральная эффективность линии связи обычно используется для анализа эффективности метода цифровой модуляции или линейного кода, иногда в сочетании с прямым исправлением ошибок (FEC) код и другие служебные данные физического уровня. В последнем случае «бит» относится к биту пользовательских данных; Накладные расходы FEC всегда исключаются.
эффективность модуляции в бит / с - это полная скорость передачи (включая любой код с исправлением ошибок), деленная на полосу пропускания.
Верхний предел достижимой эффективности модуляции определяется выражением коэффициент Найквиста или закон Хартли следующим образом: Для сигнального алфавита с M альтернативными символами каждый символ представляет N = log 2 M битов. N - эффективность модуляции, измеренная в битах / символах или битах / битах. В случае передачи основной полосы (линейное кодирование или амплитудно-импульсная модуляция ) с шириной полосы основной полосы частот (или верхней частотой среза) B, символьная скорость не может превышать 2B символов / с во избежание межсимвольных помех. Таким образом, спектральная эффективность не может превышать 2N (бит / с) / Гц в случае передачи основной полосы частот. В случае передачи в полосе пропускания сигнал с полосой пропускания W может быть преобразован в эквивалентный сигнал основной полосы частот (с использованием недостаточной дискретизации или супергетеродинного приемника ) с верхней частотой среза W / 2.. Если используются схемы двухполосной модуляции, такие как QAM, ASK, PSK или OFDM, это приводит к максимальной символьной скорости W символов / с, а эффективность модуляции не может превышать N (бит / с) / Гц. Если используется цифровая однополосная модуляция, сигнал полосы пропускания с шириной полосы W соответствует сигналу сообщения основной полосы с шириной полосы модулирующих частот W, что приводит к максимальной символьной скорости 2W и достижимой эффективности модуляции 2N (бит / с) / Гц.
Если используется код с прямым исправлением ошибок, спектральная эффективность снижается по сравнению с показателем эффективности некодированной модуляции.
Верхнее Граница спектральной эффективности, возможной без битовых ошибок в канале с определенным SNR, если предполагается идеальное кодирование ошибок и модуляция, дается теоремой Шеннона – Хартли.
Обратите внимание, что полезная пропускная способность (объем полезной информации прикладного уровня) обычно ниже, чем максимальная пропускная способность, использованная в приведенных выше расчетах из-за повторных передач пакетов, служебных данных более высокого уровня протокола, управления потоком, предотвращения перегрузки и т. д. С другой стороны, схема сжатия данных, такая как Сжатие V.44 или V.42bis, используемое в телефонных модемах, может, однако, дать более высокую производительность, если переданные данные еще не сжаты эффективно.
Спектральная эффективность канала беспроводной телефонной связи также может быть выражена как максимальное количество одновременных вызовов в диапазоне частот 1 МГц в эрлангах на мегагерц, или E / МГц. На эту меру также влияет схема исходного кодирования (сжатия данных). Его можно применять как для аналоговой, так и для цифровой передачи.
В беспроводных сетях спектральная эффективность линии связи может несколько вводить в заблуждение, поскольку большие значения не обязательно более эффективны при общем использовании радиочастотного спектра. В беспроводной сети высокая спектральная эффективность канала связи может привести к высокой чувствительности к межканальным помехам (перекрестным помехам), которые влияют на пропускную способность. Например, в сети сотового телефона с повторным использованием частоты, расширение спектра и прямая коррекция ошибок снижают спектральную эффективность в (бит / с) / Гц, но существенно снизить требуемое отношение сигнал / шум по сравнению с методами без расширения спектра. Это может обеспечить более плотное повторное использование географических частот, которое компенсирует спектральную эффективность более низкого канала, что приводит к примерно такой же пропускной способности (такое же количество одновременных телефонных звонков) в той же полосе пропускания с использованием того же количества передатчиков базовых станций. Как обсуждается ниже, более подходящей мерой для беспроводных сетей была бы спектральная эффективность системы в бит / с / Гц на единицу площади. Однако в закрытых линиях связи, таких как телефонные линии и сети кабельного телевидения, а также в системах беспроводной связи с ограниченным шумом, где помехи в совмещенном канале не являются фактором, обычно используется наибольшая спектральная эффективность линии связи, которая может поддерживаться доступным SNR.
В цифровых беспроводных сетях спектральная эффективность системы или зональная спектральная эффективность обычно измеряется в (бит / с) / Гц на единица площади, в (бит / с) / Гц на ячейку или в (бит / с) / Гц на сайт. Это мера количества пользователей или услуг, которые могут одновременно поддерживаться ограниченной полосой радиочастот в определенной географической области. Это может быть, например, определено как максимальная агрегированная пропускная способность или полезная пропускная способность, то есть суммированная по всем пользователям в системе, разделенная на полосу пропускания канала и на покрываемую зону или количество базовых станций. места. На эту меру влияет не только метод передачи одного пользователя, но также используемые схемы множественного доступа и методы управления радиоресурсами. Его можно существенно улучшить с помощью динамического управления радиоресурсами. Если он определен как мера максимальной полезной пропускной способности, повторные передачи из-за помех в совмещенном канале и конфликтов исключаются. Накладные расходы протокола более высокого уровня (выше подуровня управления доступом к среде передачи ) обычно не учитываются.
Низкая спектральная эффективность линии связи в (бит / с) / Гц не обязательно означает, что схема кодирования неэффективна с точки зрения спектральной эффективности системы. В качестве примера рассмотрим мультиплексированный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) с расширенным спектром, который не является особенно эффективной схемой кодирования с точки зрения спектра при рассмотрении одного канала или одного пользователя. Однако тот факт, что можно «наслоить» несколько каналов в одной и той же полосе частот, означает, что использование спектра системы для многоканальной системы CDMA может быть очень хорошим.
Спектральная эффективность может быть улучшено с помощью методов управления радиоресурсами, таких как эффективное фиксированное или динамическое выделение каналов, управление мощностью, адаптация канала и схемы разнесения.
Комбинированная мера справедливости и мера спектральной эффективности системы - это достаточно общая спектральная эффективность.
Примеры прогнозируемых числовых значений спектральной эффективности некоторых общих системы связи можно найти в таблице ниже. Эти результаты будут достигнуты не во всех системах. Те, кто находится дальше от передатчика, не получат эту производительность.
| Спектральная эффективность общих систем связи | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Н / Д означает, что не применимо.
