Was ist der Unterschied zwischen Datenrate und Bandbreite?

Zachariah Peterson
|  October 22, 2020
Was ist der Unterschied zwischen Datenrate und Bandbreite?

Zwei Hände halten ein Smartphone

Datenrate und Bandbreite 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 missbraucht, dass es ungewollt eine irgendwie verwandte Bedeutung aus dem ADC-Design übernommen hat. Im Leiterplatten- und Schaltungsdesign bedeutet Bandbreite manchmal etwas, das nichts mit der Datenrate zu tun hat, und manchmal bezieht es sich auf eine bestimmte Signalqualität und deren Interaktion mit einem Empfänger.

Da die Unterscheidung zwischen Datenrate und Bandbreite schwammig ist, stellt sich die Frage, wie sie mit dem PCB-Design zusammenhängt. 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 genau das, wonach es klingt: die Anzahl der Bits, die pro Zeiteinheit durch einen Kanal oder einer Komponente übertragen werden. Die Datenrate lässt sich auch in 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, wird dieser Wert normalerweise verwendet, um die Frequenz zu bezeichnen, bei der die Übertragungsfunktion (Betrag) des Filters um 3 dB abfällt. 
  • Betriebsfrequenzbereich einer Komponente. Üblicherweise wird dies 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 den Digital-Entwickler wichtiger, da hier das Verhältnis zwischen Bandbreite und Datenrate für den PCB-Konstrukteur 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.

Difference between data rate and bandwidth analog signal
Bildschirm während einer Spektrumanalyse

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/trise 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:

Difference between data rate and bandwidth analog signal
Analoge Bandbreiten lassen sich mittels einer Spektrumanalyse messen.

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 jedoch 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.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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