频谱效率

频谱效率，频谱效率或带宽效率是指在特定的通信系统中，在给定的带宽上可以传输的信息速率。它衡量物理层协议以及有时媒体访问控制（信道访问协议）使用有限频谱的效率。

数字通信系统的链路频谱效率以 bit/s/Hz 为单位进行测量，或者以（bit/s）/Hz 为单位（频率较低但明确）进行测量。

它是净比特率（不包括纠错码的有用信息率）或xxx吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽（以赫兹为单位）。或者，频谱效率可以用比特/符号来衡量，这相当于每信道使用的比特数 (bpcu)，这意味着净比特率除以符号率（调制率）或线路码脉冲率。

链路频谱效率通常用于分析数字调制方法或线路代码的效率，有时结合前向纠错 (FEC) 代码和其他物理层开销。在后一种情况下，一位指的是用户数据位；FEC 开销始终被排除在外。

以比特/秒为单位的调制效率是总比特率（包括任何纠错码）除以带宽。

示例 1：使用 1 kHz 带宽每秒传输 1,000 位的传输技术的调制效率为 1 (bit/s)/Hz。示例 2：用于电话网络的 V.92 调制解调器可以向下游传输 56,000 bit/s 和 48,000 bit/s 通过模拟电话网络上行。 由于电话交换机的过滤，频率范围被限制在 300 赫兹和 3,400 赫兹之间，对应的带宽为 3,400 − 300 = 3,100 赫兹。 下行频谱效率或调制效率为 56,000/3,100 = 18.1 (bit/s)/Hz，上行为 48,000/3,100 = 15.5 (bit/s)/Hz。

可达到的调制效率的上限由奈奎斯特速率或哈特利定律给出，如下所示：对于具有 M 个备选符号的信令字母表，每个符号表示 N = log2 M 位。

N 是以位/符号或 bpcu 为单位测量的调制效率。在基带带宽（或上截止频率）B的基带传输（线路编码或脉冲幅度调制）的情况下，符号率不能超过2B符号/秒，以避免符号间干扰。

因此，在基带传输情况下，频谱效率不能超过2N(bit/s)/Hz。在通带传输情况下，通带带宽为 W 的信号可以转换为等效的基带信号（使用欠采样或超外差接收器），截止频率上限为 W/2。

如果使用诸如 QAM、ASK、PSK 或 OFDM 之类的双边带调制方案，这将导致xxx符号率为 W 符号/秒，并且调制效率不能超过 N（比特/秒）/赫兹。如果使用数字单边带调制，带宽为W的通带信号对应于基带带宽为W的基带消息信号，导致最 大符号率为2W，可达到的调制效率为2N(bit/s)/Hz。

示例 3：16QAM 调制解调器的字母表大小为 M = 16 个替代符号，其中 N = 4 位/符号或 bpcu。由于QAM是双边带通带传输的一种形式，频谱效率不能超过N = 4 (bit/s)/Hz。

例4：ATSC数字电视标准中使用的8VSB（8-level vestigial sideband）调制方案给出N =3 位/符号或 bpcu。由于它可以被描述为接近单边带，调制效率接近 2N = 6 (bit/s)/Hz。实际上，ATSC 在 6 MHz 宽的信道上传输 32 Mbit/s 的总比特率，导致调制效率为 32/6 = 5.3 (bit/s)/Hz。

示例 5：V.92 的下行链路 调制解调器使用具有 128 个信号电平的脉冲幅度调制，导致 N = 7 位/符号。由于通带滤波之前的传输信号可视为基带传输，因此在整个基带信道（0 至 4 kHz）上的频谱效率不能超过 2N = 14 (bit/s)/Hz。如上所示，如果我们考虑更小的通带带宽，则可以获得更高的频谱效率。

如果使用前向纠错码，则频谱效率会从未编码的调制效率数字中降低。

示例 6：如果添加码率为 1/2 的前向纠错 (FEC) 码，意味着编码器输入比特率为编码器输出速率的一半，则频谱效率为调制效率的 50%。作为频谱效率降低的交换，FEC 通常会降低误码率，并且通常能够在较低的信噪比 (SNR) 下运行。

如果假定理想的错误编码和调制，香农-哈特利定理给出了在具有特定 SNR 的信道中没有误码的可能的频谱效率上限。