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带宽

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带宽(英语:Bandwidth)指信号所占据的频带宽度;在被用来描述波道时,带宽是指能够有效通过该波道的信号的最大频带宽度。对于模拟信号而言,带宽又称为频宽,以赫兹(Hz)为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为3100Hz(从300Hz到3400Hz),一个PAL-D电视频道的带宽为8MHz(含保护带宽)。对于数字信号而言,带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。例如ISDN的B波道带宽为64Kbps。由于数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的,为了与模拟带宽进行区分,数字波道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。

带宽在信息论无线电通信信号处理波谱学等领域都是一个核心概念。

解释

带宽在许多应用中都是一个关键的概念。例如在无线电通信中,带宽是调制载波占据的频率范围,然而在光学中带宽是单个谱线宽度或者整个频谱范围。

对于不同的应用领域有不同的精确定义。例如,其中一个带宽定义就是超出范围的频率函数为零的频率范围。这就对应于数学概念中的函数,例如函数不是零的所有值的“长度”。

另外一些定义可能没有那么严格,它们丢弃了频率函数“很小”的信号频率。很小可能是意味着它的值在最大值 3 dB 以下,也就是最大值的一半以下;也可能是小于某一个绝对值。由于函数的宽度有各种各样的定义,带宽的定义也就多种多样,分别用于不同的系统。

根据Shannon-Hartley 定理,可靠通信的数据速率直接与通信所用信号频率范围成比例。在这篇文章中,带宽一词有时用来表示数据速率,有时也表示通信系统的频率范围,有时同时表示两个概念。

在心理学上,带宽(bandwidth)就是心智的容量,包括两种能力,分别为认知能力和执行控制力。

模拟系统

对于在数学上可以看作时间函数的模拟信号来说,带宽是以赫兹为单位、信号的傅里叶变换不为0的频率范围。这个定义也可以不严格地定义为在频域内信号的傅里叶变换功率在一个特定门限之上、例如与最大值差在 3dB 的范围之内的频率范围。信号带宽是信号随着时间波动速度的一个度量,这样,带宽越大,信号的变化越快。上面是信号带宽的描述,带宽也可以用于系统。在表示系统带宽的时候,系统带宽是系统传递函数带宽的简称。

例如,函数的 3dB 带宽在图上表示是 ,但是其它的带宽定义就会得到另外不同的结果。一个常用的数量是分数带宽(fractional bandwidth,FBW),它是除以设备中心频率得到的带宽。例如,一个带宽 2MHz、中心频率 10MHz 的设备的分数带宽是 2/10 或者表示为 20%。

实数基带系统既有负频率又有正频率这样一种现实可能使带宽变得易于混淆,因为有时带宽仅仅用来表示正的一半,例如我们偶尔可以看到这样的表示 ,其中 是总的带宽, 是正的带宽,如果需要为这个信号设计一个低通滤波器,那么截止频率至少要保证 不受影响。

电子滤波器带宽是频率响应在峰值中心频率响应差在 3dB 范围内的频率部分。

信号处理控制理论中,带宽是闭环系统增益衰减到 −3dB 的频率。

在基础电路理论中带通和带阻滤波器的带宽表示频域中信号强度是最大信号强度 的两个频率之间的距离。

在光子学中,带宽有不同的含义:

  • 某些光源输出的带宽,例如 ASE 光源或者镭射;超短光脉冲的带宽可能非常宽广
  • 例如光纤等一些组件能够传输的频率范围宽度
  • 光学放大器的增益带宽
  • 其它现象的范围(例如,反射、非线性过程的相位匹配、或者谐振)
  • 光学调制器的最大调制频率或者调制频率范围
  • 一些测量仪器(例如功率计)能够工作的频率范围
  • 光学通信系统能够达到的数据速率(例如 Gbit/s)

数字系统

在数字通信系统中,带宽有两种含义。从技术意义上来说,它是波特率的俗称,波特率是系统传输数据符号的速度;口语中它也用来表示波道容量,波道容量是系统能够传输数据的速度(参见Shannon Limit)。这样,有32 条独立数据线的66MHz 数字总线可以恰当地说成是66MHz 带宽、2.1Gbit/s 的数据传输能力,但是对于总线“带宽2.1Gbit/s”这样一种说法这也不应感到奇怪。对于模拟的调制解调器来说也有同样的问题,对它来说,每个符号携带多位的消息所以通过带宽12kHz 的电话线 能够传输56kbit/s 的消息。

在离散时间系统和数字信号处理中,根据Nyquist-Shannon 采样定理带宽与采样率有关。

带宽也用于日常生活中用表示某些有限的或者花费金钱的东西。这样,通信消耗带宽,不合理地使用其它人的带宽可以称为bandwidth theft。

网络服务

一些主机服务商会给带宽以不同的含义。在这里,带宽几乎变成一个单位时间内的流量概念。意思是单位时间内的下行数据总量。意味着如果一个公司提供每月2GB的带宽,意思就是用户每月最多只能下载2GB的内容。

参见

外部链接

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