Bandbreite vs. Datenrate: Was ist der Unterschied?

Bandbreite und Datenrate werden manchmal synonym verwendet, was vor allem Werbeagenturen und den Medien zu verdanken ist, die einen wichtigen Fachbegriff aus der analogen Schaltungstechnik zu einem Modewort gemacht haben. Das Wort „Bandbreite“ wird inzwischen so häufig missbraucht, dass es ungewollt eine zwar verwandte, aber doch andere Bedeutung aus dem ADC-Design übernommen hat. Im Leiterplatten- und Schaltungsdesign hat Bandbreite manchmal nichts mit der Datenrate zu tun, und manchmal bezieht es sich auch auf eine bestimmte Signalqualität und deren Interaktion mit einem Empfänger.

Da die Unterscheidung zwischen Datenrate und Bandbreite schwammig ist, stellt sich die Frage, welche Bedeutung das für das PCB-Design hat. Wir werden uns das in diesem Artikel genauer ansehen, um herauszufinden, wie man Parameter für die Signalintegrität von Ultra-High-Speed-Kanälen definiert. Die gleichen Ideen rund um die Kennzahlen der Signalintegrität spiegeln sich im aktuellen USB-4.0-Standard wider und werden in neueren High-Speed-Signalübertragungsstandards noch an Bedeutung gewinnen.

Unterschied zwischen Datenrate und Bandbreite

Datenrate ist die Anzahl an Bits, die pro Zeiteinheit durch einen Kanal oder einer Komponente übertragen werden. Also genau das, wonach es klingt. Die Datenrate lässt sich auch als Baudrate ausdrücken (z. B. die Anzahl der Signaleinheiten pro Sekunde), was uns erlaubt, zwischen binären und mehrstufigen Übertragungsverfahren zu unterscheiden. Dies ist denkbar einfach: Bei einem 2-Pegel-Signal (z. B. Non-Return-to-Zero, NRZ) ist die Baudrate gleich der Bitrate. Bei 4-Pegel-Signalen (z. B. vierstufige Pulsamplitudenmodulation, PAM-4) ist die Baudrate die halbe Bitrate, da zwei Bits pro Unit Interval (UI) übertragen werden.

Der Begriff Bandbreite wird von Elektronikentwicklern aller Fachrichtungen verwendet, um sich auf einen oder mehrere der folgenden Punkte zu beziehen:

• -3dB-Punkt. Wenn Sie ein Filter entwerfen, bezeichnet dieser Wert normalerweise die Frequenz, bei der die Übertragungsfunktion (Betrag) des Filters um 3 dB abfällt. 
• Betriebsfrequenzbereich einer Komponente. Üblicherweise wird dieser von Technikern verwendet, die an der Systemintegration arbeiten, wenn eine Komponente/ein System in einem bestimmten Frequenzbereich empfangen/übertragen soll. 
• Frequenzspektrum eines Signals. Bei einem Breitbandsignal kann der Frequenzgehalt über einen breiten Frequenzspektrum verteilt sein, wobei die Bandbreite die Breite dieses Spektrums definiert. 
• Kanalbandbreite als Kapazität bzgl. der übertragbaren Datenrate. Diese Definition ergibt sich, weil die Datenrate (eigentlich die Baudrate) und der Frequenzgehalt zusammenhängen, wird aber normalerweise zur Beschreibung von Glasfaser- oder drahtlosen Verbindungen verwendet, jedoch nicht für Leiterbahnen auf einer Platine.

Der letzte der beiden Punkte ist für Digital-Entwickler wichtiger, da hier das Verhältnis zwischen Bandbreite und Datenrate für PCB-Konstrukteure klar sein muss. Die Bandbreite von Analogsignalen ist unerheblich, es sei denn, es wird eine Modulation mit einem Trägersignal verwendet (z. B. Ethernet) oder mit Impulsen (wie bei Lidar) oder gechirpten Wellenformen (wie bei FMCW-Radar) gearbeitet. Die Bandbreite analoge Signal ist i. A. recht klein und lässt sich unmittelbar auf der Messkurve eines Spektrumanalysators ablesen. Sie können die Bandbreite im Allgemeinen als den Frequenzbereich definieren, der vom Grundrauschen in Ihrer Oszilloskopkurve begrenzt wird. Bei digitalen Signalen ist die Situation nicht ganz so einfach.

Bandbreiten und digitale Signale

Wenn ich hier von Bandbreite spreche, beziehe ich mich auf den Frequenzinhalt, aus dem ein digitales Signal besteht. Die Bandbreite eines digitalen Signals ist nicht so klar umrissen, da sie sich theoretisch bis ins Unendliche erstreckt. Um eine brauchbare Bandbreitendefinition für den Entwurf von Übertragungsleitungen für Hochgeschwindigkeitsstrecken zu erhalten, müssen wir daher die relevante Bandbreitenobergrenze eines digitalen Signals festlegen.

2-Pegel-Signale

Für ein 2-Pegel-Signal (etwa NRZ) gelten die folgenden allgemeinen Bandbreitendefinitionen:

• 5. Harmonische. Dies ist eine übliche, aber willkürliche Grenze für digitale Signalbandbreiten. Ich behaupte das, weil Sie jede andere ungerade Harmonische größer als 5 wählen können. Gemäß dieser Definition beträgt die Bandbreite das 2,5-fache der Datenrate. 
• Die Kniefrequenz. Diese spezifische Frequenz wird normalerweise mit 0,35/t_rise approximiert. Das heißt, dass die Bandbreite im Allgemeinen nicht mit der Datenrate zusammenhängt, obwohl eine höhere binäre Datenrate natürlich eine kürzere Anstiegszeit bedingt.
• Nyquist-Frequenz. Angenommen, ein Empfänger tastet ein binäres Signal mit einer Abtastrate ab, die gleich der Datenrate ist, dann wäre die Nyquist-Frequenz gleich der halben Datenrate. Dies ist eine weitere gängige Bandbreitenangabe für binäre Digitalsignale.

Wir haben hier zwei Definitionen, die die Bandbreite mit der Datenrate verbinden: die 5. Harmonische und die Nyquist-Frequenz; Letztere ist am besten auf mehrstufige Bitströme verallgemeinerbar.

Mehrstufige Signale

Für ein Signal mit mehreren Pegeln, wie z. B. einen Datenstrom mit Pulsamplitudenmodulation (PAM), ist die Nyquist-Frequenz die beste Bandbreitendefinition, da sie für eine beliebige Anzahl von Signalpegeln anwendbar ist. Hier kann die Bandbreite (gleich der Nyquist-Frequenz) definiert werden als:

Darin ist N die Anzahl der Signalpegel pro UI und D die Bitrate. Dies passt gut in das Nyquist-Kriterium, wie es für ein ADC definiert ist, bei dem die Abtastrate gleich der Datenrate ist.

Schlussfolgerung: Nur weil wir sagen, dass die Bandbreite eines Kanals x GHz beträgt, bedeutet das nicht, dass die Datenrate auf 2x GHz begrenzt ist, denn der Übertragungsstandard spielt ebenfalls eine Rolle. Vielmehr sollte die Bandbreite in Bezug auf ihren Frequenzgehalt von Fall zu Fall definiert werden – eine einheitliche Gleichung gibt es dafür nicht.

Wenn ich mir die relevante Bandbreite für einen bestimmten Bitstream ansehe, wähle ich stets die jeweils größere der beiden Frequenzen Kniefrequenz oder Nyquist-Frequenz (für 2-Pegel-Signale). Bei mehrstufigen Signalen halte ich mich an die Nyquist-Frequenz als Maß für die Bandbreite. Bei der Betrachtung von S-Parametern oder der Übertragungsfunktion eines Kanals können Sie sich auf Frequenzen bei und unterhalb der Bandbreite konzentrieren, da der Empfänger die relevante Kanalbandbreite begrenzt. Über Verluste und Impedanzanpassung müssen Sie sich nur bei Frequenzen innerhalb der Bandbreite Gedanken machen.

Sobald Sie den Unterschied zwischen Datenrate und Bandbreite verstanden haben, können Sie die PCB-Design- und Layout-Tools in Altium Designer® verwenden, um die passenden Verbindungsleitungen zu entwerfen. Sie verfügen damit über ein komplettes Set an Routing- und Layout-Funktionen für impedanzkontrollierte High-Speed-Designs.

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