带宽

频宽(英语:Bandwidth)指讯号所占据的频带宽度;在被用来描述频道时,频宽是指能够有效通过该频道的讯号的最大频带宽度。对于类比讯号而言,带宽又称为频宽,以赫兹(Hz)为单位。例如类比语音电话的讯号频宽为3100Hz(从300Hz到3400Hz),一个PAL-D电视频道的频宽为8MHz(含保护频宽)。对于数位讯号而言,频宽是指单位时间内部连结路能够通过的资料量。例如ISDN的B频道频宽为64Kbps。由于数位讯号的传输是通过类比讯号的调变完成的,为了与类比频宽进行区分,数位频道的频宽一般直接用鲍率或符号率来描述。

频宽在资讯理论无线电通讯讯号处理波谱学等领域都是一个核心概念。

解释

频宽在许多应用中都是一个关键的概念。例如在无线电通讯中,频宽是调变载波占据的频率范围,然而在光学中频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,其中一个频宽定义就是超出范围的频率函式为零的频率范围。这就对应于数学概念中的函式,例如函式不是零的所有值的「长度」。

另外一些定义可能没有那么严格,它们丢弃了频率函式「很小」的讯号频率。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。由于函式的宽度有各种各样的定义,频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,可靠通讯的资料速率直接与通讯所用讯号频率范围成比例。在这篇文章中,频宽一词有时用来表示资料速率,有时也表示通讯系统的频率范围,有时同时表示两个概念。

在心理学上,频宽(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。

类比系统

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对于在数学上可以看作时间函式的类比讯号来说,频宽是以赫兹为单位、讯号的傅立叶变换不为0的频率范围。这个定义也可以不严格地定义为在频域内讯号的傅立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。讯号频宽是讯号随着时间波动速度的一个度量,这样,频宽越大,讯号的变化越快。上面是讯号频宽的描述,频宽也可以用于系统。在表示系统频宽的时候,系统频宽是系统传递函式频宽的简称。

例如,函式的 3dB 频宽在图上表示是 ,但是其它的频宽定义就会得到另外不同的结果。一个常用的数量是分数频宽(fractional bandwidth,FBW),它是除以装置中心频率得到的频宽。例如,一个频宽 2MHz、中心频率 10MHz 的装置的分数频宽是 2/10 或者表示为 20%。

实数基频系统既有负频率又有正频率这样一种现实可能使频宽变得易于混淆,因为有时频宽仅仅用来表示正的一半,例如偶尔可以看到这样的表示 ,其中 是总的频宽, 是正的频宽,如果需要为这个讯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。

电子滤波器频宽是频率回应在峰值中心频率回应差在 3dB 范围内的频率部分。

讯号处理控制理论中,频宽是闭环控制系统增益衰减到 −3dB 的频率。

在基础电路理论中带通和带阻滤波器的频宽表示频域中讯号强度是最大讯号强度 的两个频率之间的距离。

在光子学中,频宽有不同的含义:

  • 某些光源输出的频宽,例如 ASE 光源或者雷射;超短光脉波的频宽可能非常宽广
  • 例如光纤等一些元件能够传输的频率范围宽度
  • 光学放大器的增益频宽
  • 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)
  • 光学调变器的最大调变频率或者调变频率范围
  • 一些测量仪器(例如功率计)能够工作的频率范围
  • 光学通讯系统能够达到的资料速率(例如 Gbit/s)

数位系统

在数位通讯系统中,频宽有两种含义。从技术意义上来说,它是鲍率的俗称,鲍率是系统传输数据符号的速度;口语中它也用来表示频道容量,频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 数位汇流排可以恰当地说成是66MHz 频宽、2.1Gbit/s 的数据传输能力,但是对于汇流排「频宽2.1Gbit/s」这样一种说法这也不应感到奇怪。对于类比的数据机来说也有同样的问题,对它来说,每个符号携带多位的讯息所以通过频宽12kHz 的电话线 能够传输56kbit/s 的讯息。

在离散时间系统和数位讯号处理中,根据Nyquist-Shannon 采样定理频宽与采样率有关。

频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,通讯消耗频宽,不合理地使用其它人的频宽可以称为bandwidth theft。

网路服务

一些主机服务商会给频宽以不同的含义。在这里,频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资料总量。意味着如果一个公司提供每月2GB的频宽,意思就是使用者每月最多只能下载2GB的内容。

参见

外部连结