频谱效率（英语：Spectral efficiency）是指在数字通信系统中的带宽限制下，可以传送的资料总量。它是在有限的频谱下，物理层通信协议（有时是介质访问控制，信道接入协议）可以达到的使用效率的量度。[1]
链路频谱效率
数字通信系统的链路频谱效率（Link spectral efficiency）的单位是 bit/s/Hz，[2]或(bit/s)/Hz（较少用，但更准确）。其定义为净比特率（有用信息速率，不包括纠错码）或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽（单位：赫兹）。调制效率定义为总比特率（包括纠错码）除以带宽。
频谱效率通常被用于分析数字调制方式的效率，有时也考虑前向纠错码（forward error correction, FEC）和其他物理层开销。在后一种情况下，1个“比特”特指一个用户比特，FEC的开销总是不包括在内的。
- 例1：1kHz带宽中可以传送每秒1000bit的技术，其频谱效率或调制效率均为1 bit/s/Hz。
- 例2：电话网的V.92调制解调器在模拟电话网上以56,000 bit/s的下行速率和48,000 bit/s的上行速率传输。经由电话交换机的滤波，频率限制在300Hz到3,400Hz之间，带宽相应为 3400 − 300 = 3100 Hz 。频谱效率或调制效率为 56,000/3,100 = 18.1 bit/s/Hz（下行）、48,000/3,100 = 15.5 bit/s/Hz（上行）。
使用FEC 的架空调制方式可达到最大的频谱效率可以利用标本化定理来求得，信号的字母表(计算机科学)利用符号数量M来组合、各符号使用 N = log2 M bit来表示。此情况下频谱效率若不使用编码间干涉的话，无法超过2N bit/s/Hz的效率。举例来说，符号种类有8种、每个各有3bit 的话，频谱效率最高不超过6 bit/s/Hz。
在使用前向纠错编码的情形时频谱效率会降低。比如说使用1/2编码率的FEC时，编码长度会变为1.5倍，频谱效率会降低50%。频谱效率降低的同时FEC可以改善信号的信噪比(并非一定会有改善)。
对某个信噪比通信回来说、在完全没有传输错误，且编码与调制方式皆处于理想的状况时，其频谱效率的上限可由哈特利定理得出。比如说信噪比1即分贝为0时，无论编码与调制方式如何变化，频谱效率不会超过1 bit/s/Hz。
Goodput（应用层情报使用的量）比一般在此计算的吞吐量还小，其原因为有分组再次传送、超传输协议的架空造成的。
频谱效率这个用语，会产生数值越大的话可以使周波数频谱产生更有效的误解产生。比如手机因为频谱扩散与使用FEC技术使得频谱效率低下，但信噪比不好有时还是可以正常通信。因此可以使用到比周波带宽数还多的链接、以整体来看其效果可以弥补频谱效率低下的缺点还有过之。如同后面会提到的，具有较为合适尺度代表”单位带宽利用率”单位的bit/s/Hz存在，这是属于码分多工(CDMA)的技术并已成为数字手机的基本构成技术。但是电话线路与有线电视网等由于没有信道相互干扰的问题，其使用的基本上皆为其信噪比下最大频谱效率。
系统频谱效率
无线网络是以系统频谱效率'在有限的无线周波数带宽下可以同时支援的客户数与服务进行量化。其单位为bit/s/Hz/area unit、bit/s/Hz/cell、bit/s/Hz/site 等进行计量。有可以把系统能同时支援使用者的吞吐量与goodput的总量以通信回路的带宽(Hz)来表示。这并不单影响使用单一通信回路的技术，多元连接手法与无线资源管理技术也受到影响，特别是动态无线资源管理可以得到改善。定义最大goodput时，会排除掉通信回路间的相互干涉与冲突，高阶通信协定的架空也是忽略不计的。
手机网络的容量也是以1 MHz 周波数带宽上可以同时最大连接线数来表示，即Erlang/MHz/cell、Erlangs/MHz/sector、Erlangs/MHz/km² 等单位。这个数值也影响到讯息编码技术（数据压缩）、在模拟电话网络也有使用。
- 例: 以频分多址 (FDMA)与固定信道分配(FCA)为基础的手机系统在频率再利用系数是 4的时候、各基地局可以利用的是所有频谱的1/4。根据此推算、最大系统频谱效率（bit/s/Hz/site）是链接频谱效率的 1/4。各基地局使用3个扇形天线将信号分为3扇区时，被称为4/12再利用模式。各部分可以使用全频谱的1/12，因此系统的频谱效率（bit/s/Hz/cell 或 bit/s/Hz/sector）为链接频谱效率的1/12。
即使链接频谱效率（bit/s/Hz）偏低，以 “系统频谱效率”的观点来看，并不一定代表编码效率不好。例如、码分多工(CDMA) 频谱扩散为单一通信回路(即只有一位使用者)时，频谱效率是不好的，但是由于在同一带宽中有复数的通信回路存在，因此系统频谱效率非常好。
- 例: 以W-CDMA 3G 手机系统来说、打电话时最大压缩8,500 bit/s时、会造成 5 MHz 带宽的扩散，此时此连接的吞吐量为8,500/5,000,000 = 0.0017 bit/s/Hz。在这情形下同扇区内可以有同时容纳100通电话(有声音)的进行。由于各基地局以3个方向的扇形天线区分为3个扇区，在频谱扩散后、频率再利用系数会变的比1还小。此时的系统频谱效率为 1 · 100 · 0.0017 = 0.17 bit/s/Hz/site亦或 0.17/3 = 0.06 bit/s/Hz/cell（也可换算成 bit/s/Hz/sector）。
频谱效率可以使用固定/动态信道分配、电力控制、 即被称为Link Adaptatio的无线资源管理技术来进行改善。
比较表
以下为一般通信系统的频谱效率数值。
| 服务 | 规格 | 每秒信道的带宽R
(Mbit/s) |
信道的带宽B
(MHz) |
链接频谱效率 R/B
(bit/s/Hz) |
典型的频率再利用系数 1/K | 系统频谱效率
一般 R/B/K 数值 (bit/s/Hz/site) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 第二世代手机 (2G) | GSM 1993 | 0.013·8 时隙 = 0.104 | 0.2 | 0.52 | 1/7 | 0.17 |
| 2.75G | GSM + EDGE | 最大 0.384 通常 0.20 | 0.2 | 最大 1.92 通常 1.00 | 1/7 | 0.33 |
| 2.75G | IS-136HS + EDGE | 最大 0.384 通常 0.27 | 0.2 | 最大 1.92 通常 1.35 | 1/7 | 0.45 |
| 第三世代手机 (3G) | W-CDMA FDD 1997 | 传到手机时最大 0.384 | 5 | 传到手机时最大 0.077 | 1/7 | 0.51 |
| 3.5G | HSDPA 2007 | 传到手机时最大 14.4 | 5 | 传到手机时最大 2.88 | 1/7 | 0.71 |
| 3.5G | HSOPA OFDMA | 传到手机时最大 100 | 10 | 传到手机时最大 5 | 1/7 | 0.71 |
| 第三世代携带电话 (3G) | CDMA2000 1x | 传到手机时最大 0.144 | 1.25 | 传到手机时最大 0.115 | 1/7 | 0.51 |
| Wi-Fi | IEEE 802.11a/g 2003 | 最大 54 | 20 | 最大 2.7 | 1/3 | 0.9 |
| Wi-Fi | IEEE 802.11n Draft 2.0 2007 | 最大 144.4 | 20 | 最大 7.22 | 1/3 | 2.4 |
| WiMAX | IEEE 802.16 2004 | 96 | 20 (1.75, 3.5, 7...) | 4.8 | 1/4 | 1.2 |
| 数字广播 | DAB | 0.576 ～ 1.152 | 1.712 | 0.34 ～ 0.67 | 1/5 | 0.08 ～ 0.17 |
| 数字广播 | DAB + SFN | 0.576 ～ 1.152 | 1.712 | 0.34 ～ 0.67 | ||
| 数字电视 | DVB-T | 最大 31.67 通常 22.0 | 8 | 最大 4.0 通常 2.8 | 1/5 | 0.55 |
| 数字电视 | DVB-T + SFN | 最大 31.67 通常 22.0 | 8 | 最大 4.0 通常 2.8 | ||
| 数字电视 | DVB-H | 5.5 ～ 11 | 8 | 0.68 ～ 1.4 | 1/5 | 0.14 ～ 0.28 |
| 数字电视 | DVB-H + SFN | 5.5 ～ 11 | 8 | 0.68 ～ 1.4 | ||
| 光纤用数字电视TV | 256-QAM | 38 | 6 | 6.33 | 1 | 6.33 |
参见
参考文献
- ↑ G. Miao, J. Zander, K-W Sung, and B. Slimane, Fundamentals of Mobile Data Networks, Cambridge University Press, ISBN 1107143217, 2016.
- ↑ Sergio Benedetto and Ezio Biglieri. Principles of Digital Transmission: With Wireless Applications. Springer. 1999. ISBN 0-306-45753-9.