带宽是多少?

本文探讨了与一个我们经常使用但可能并不完全理解的单词相关的令人惊讶的复杂细节。

术语“带宽”出现在各种各样的工程讨论中。模拟电路、测试和测量、射频系统、数字通信、计算——带宽的概念是现代电子技术不可或缺的一部分。

所以…这是什么意思?

我真想知道，我们中有多少人能够立即对“带宽”一词做出一致的定义或解释。这个词有好几个意思，这是造成困难的主要原因。另一个困惑的来源，或者至少是不确定性，是在我们有时可以忽略的微妙细节中发现的。

带宽的定义:带宽的宽度

只要有可能，我喜欢从一个基于术语组成词的定义开始，或者当组成词不容易识别时，从词源开始。这个术语显然是由“波段”和“宽度”组成的。这个“频带”指的是频率的频带或范围，而“宽度”指的是这个频带的外观频域。

由两个单频正弦波组成的信号的频域表示。

窄带和宽带

这个简要的分析已经揭示了一个问题。假设我们在树林里散步，我指了指一条小溪。“那条小溪宽吗?”我问。当然，这个问题没有答案。当然，对于试图游过它的蝌蚪来说，这是很宽的，但对于大象来说就不太宽了。

同样地，如果我们把带宽描述为宽或窄，我们实际上是在把带宽与其他东西进行比较。如果每个人都理解比较的意义，就不应该有任何混淆，但最好记住，“宽带”和“窄带”可能意味着非常不同的东西，例如，一名研究超宽带系统的研究人员和一名习惯于低噪声运放电路的模拟设计师，这些电路不需要处理大于几十千赫兹的频率。

在许多情况下，实际指定带宽更有意义。这当然消除了描述带宽为“宽”或“窄”的模糊性，但它绝不是一个完美的解决方案。

如何选择乐队

如果有人递给你一个放大器模块说它的带宽是200khz，这意味着什么?据推测，放大器频率响应的某些突出方面涉及覆盖200 kHz范围的频率。不过，这种模糊的信息与工程项目无关，所以让我们更仔细地看看。

放大器或滤波器的带宽没有规定电路正常工作的频率范围，如果“正常工作”是指“能够产生某种输出信号”的话。相反，它规定了电路满足某些性能标准的频率范围。最常见的标准是基于-3dB频率。3 dB的幅度减少相当于50%的功率减少，这是确定带宽的一种方便的方法。

带通滤波器带宽?

对于低通滤波器，200khz带宽表示200khz是电路抑制一半信号功率的频率，所有低于200khz的频率都小于50%的功率抑制。

重要的是要理解带宽在这种情况下可能有其他含义。也许当输入信号的功率降低80%时，设备仍能提供足够的性能。在这种情况下，将带宽定义为从0hz扩展到滤波器抑制80%功率的频率是可行的。

那么高通滤波器的带宽是多少?

如果有人告诉你一个高通滤波器有200khz的带宽，你可以用茫然的眼神回答。如果我们将低通滤波器逻辑应用于高通响应，频带将从-3dB频率扩展到无穷大。我认为高通滤波器的带宽可以是所经历的频带的宽度超过50%的权力抑制，但我不认为人们这样使用这个词。

这里的底线是，带宽是一个相当模糊的术语，即使在放大器和过滤器的有限背景下。当有疑问时，要求澄清。

射频应用中的带宽

的射频系统设计涉及到对信号频率如何变化和相互作用的广泛分析，而对带宽的引用也绝非罕见。不幸的是，“带宽”在射频领域并不是一个特别简单的术语。

3 db带宽

首先，我们有-3dB版本的带宽。如果要描述一个基带信号，我会假设带宽表示的频率范围从0hz到信号的频域表示的幅度比最大幅度低3 dB的频率。

调制信号和信道间隔

接下来，我们在调制信号和信道间隔的背景下讨论带宽。这里的问题是对可能相互干扰的调制信号进行必要的频率分离。

如果某个无线标准使用1兆赫带宽的信道，这是否意味着一个调制信号的整个频谱包含在1兆赫频带内?不，因为少量的能量不可避免地会远远超出频谱的中心频率。

我的一本课本上说，射频工程师通常使用“99%带宽”，也就是说，一个频率范围包含99%的频谱功率。这里的要点是，如果信道的间隔是只有1%的信号功率干扰相邻信道，则性能不会显著下降。这张图传达了大致的想法:

负频率

最后，还有负频率的问题。有时，带宽包括负频率;其他时候则不然。

例如，如果我们谈论基带信号，则带宽可以指从0 Hz延伸到与基带频谱相关的一些（正）频率延伸的频率范围。但是，如果基带信号被移位到较高的频率（例如）调幅，负频率也被移位，现在调制信号的带宽比上一句所讨论的带宽宽。

其他场景带宽

如果这篇文章让您更清楚与带宽概念相关的并发症，我希望它还帮助您了解这些并发症以及如何处理它们。在下一篇文章中，我们将通过在数字信号，通信系统和处理器的上下文中探索带宽来继续讨论。