比特率 vs 波特率：一篇让小白也能看懂的超详细指南

比特率与波特率详解

原创于 2025-11-04 16:57:57 发布 · 1.1k 阅读

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很多人把比特率（bit rate）和波特率（baud rate）混为一谈，尤其在串口、以太网、无线调制（QAM/FSK/PSK）、曼彻斯特编码、UART“9600”这些场景里更容易糊涂。
这篇文章从概念 → 公式 → 编码/调制影响 → 典型案例 → 易错点 → 练习题一步步讲清楚，读完你就能精准判断“9600 到底是指啥”。

1. 两个核心定义

1.1 比特率（bit rate）

定义：单位时间内传输的比特数（二进制位），单位 bit/s（b/s）。
直觉：数据吞吐量；每秒“01”有多少个。

1.2 波特率（baud rate）

定义：单位时间内传输的符号数（symbol），单位 baud（即 symbols/s）。
直觉：载波上每秒变换“一个符号”的次数。一个“符号”可能承载 1 bit，也可能承载多 bit（取决于调制/编码）。

✅ 关键差异：

比特率度量“信息量”；
波特率度量“信号变化速度（最小符号单元的切换频率）”。

在这里插入图片描述

2. 公式与速查关系

设：

( R_b ) = 比特率（bit/s）
( R_s ) = 波特率（baud，symbols/s）
( M ) = 每个符号可区分的状态数（M 元制：2、4、8、16…）
( \eta_{\text{coding}} ) = 编码/FEC效率（0–1）
( \eta_{\text{proto}} ) = 协议开销效率（0–1）

理想情况（不计编码/协议开销）：
[
R_b = R_s \cdot \log_2(M)
]

更贴近真实传输（考虑开销）：
[
R_b = R_s \cdot \log_2(M) \cdot \eta_{\text{coding}} \cdot \eta_{\text{proto}}
]

二电平 NRZ：(M = 2)，因此 (R_b = R_s)（一符号只承载 1 bit）。
QAM-16：(M = 16)，每符号 4 bit，(R_b = 4 R_s)。

3. 编码与调制对两者的影响

3.1 二电平 NRZ（最常见的“简单串口电平”）

( M = 2 ) → 1 符号 = 1 bit
结论：比特率 = 波特率。

3.2 多进制调制（QAM/PSK/FSK 等）

例如 QAM-16：每个符号 4 bit。
结论：在相同波特率下，比特率提高（每符号承载更多 bit）。

3.3 曼彻斯特编码（以太网早期、某些总线）

每 1 bit 用两段半位宽表示（中间必有跳变）。
常见约定下，有效最小“符号单元”是半比特 → 波特率 ≈ 2 × 比特率。

举例：10 Mbit/s 的曼彻斯特链路，信号跳变频率可达 20 Mbaud 的量级。

⚠️ 曼彻斯特“符号”的定义在不同文献中略有差异（有的把一个完整的比特视为一个“码元”）。本文按最短独立定时单元来度量波特率，因此通常得到 波特率=2×比特率 的经验结论。

3.4 UART 串口帧（8N1 等）与“有效比特率”

串口标称“9600”，行业中通常把它当作比特时钟（每秒 9600 个“位间隔”）。
但 8N1 帧格式为：1 起始位 + 8 数据位 + 1 停止位 → 10 个“位间隔”只装了8 个有效数据 bit。
有效数据吞吐：(R_{b,\text{有效}} = 9600 \times \frac{8}{10} = 7680 \text{ bit/s})。
若从“波特率=符号/码元”角度：一个“位间隔”就是一个码元（两电平），(R_s = 9600 \text{ baud})。

结论：UART“9600”常口语化地被叫“9600 波特”，但更严谨说是“每秒 9600 个位间隔”，有效吞吐要扣掉起止位。

4. 典型场景一览

场景	M（状态数）	每符号承载	波特率 (R_s)	比特率 (R_b)（理论）	备注
简单串口 NRZ	2	1 bit	=	(R_b = R_s)	9600“位间隔”≈9600 baud；但有效吞吐受帧开销影响
QAM-16 调制	16	4 bit	给定	(R_b = 4 R_s)	相同带宽下提升比特率
曼彻斯特	2（两半位）	1 bit/bit	(R_s \approx 2R_b)	(R_b \approx \frac{R_s}{2})	强时钟恢复、抗直流，带宽占用翻倍
QPSK	4	2 bit	给定	(R_b = 2 R_s)	无线常见
8-PSK	8	3 bit	给定	(R_b = 3 R_s)	频谱效率更高，对信噪比更敏感

注：真实链路中还会乘上 (\eta_{\text{coding}})、(\eta_{\text{proto}}) 才是净负载吞吐。

5. 一看就会的判断法

先问：物理信号是几电平/几元制？

2 电平（NRZ/UART）：通常 1 bit/符号 → bit rate ≈ baud rate（再扣协议开销）。
M 元制（QAM-16、8-PSK…）：bit rate = baud × log₂(M)。

再看：有没有线路编码（如曼彻斯特）？

有的话，波特率通常会大于比特率（因为一个 bit 可能映射为多“跳变/符号”）。

最后：别忘了协议开销（起止位、帧头、CRC、FEC）。

串口 8N1：有效吞吐只有名义“位率”的 80%。
以太网/IP/TCP：链路比特率很高，但净载荷要扣三层甚至四层开销。

6. 10 个例子，越算越明白

例 1：UART 9600，8N1

名义位速：9600 bit/s
有效数据（只算 8 数据位）：(9600 \times \frac{8}{10} = 7680) bit/s
若把“位间隔”视为“码元”：(R_s \approx 9600) baud

例 2：QAM-16，符号率 1 Msps

(M=16) → 每符号 4 bit
比特率：(R_b = 1,\text{Msps} \times 4 = 4,\text{Mbit/s})

例 3：曼彻斯特编码，链路 10 Mbit/s

近似：( R_s \approx 2 \times 10 = 20,\text{Mbaud} )

例 4：QPSK，符号率 250 kbaud

(M=4) → 每符号 2 bit
(R_b = 250,\text{kbaud} \times 2 = 500,\text{kbit/s})

例 5：8-PSK，符号率 100 kbaud

(M=8) → 每符号 3 bit
(R_b = 100,\text{kbaud} \times 3 = 300,\text{kbit/s})

例 6：FSK（二进制），符号率 50 kbaud

2 元制 → 1 bit/符号
(R_b = 50,\text{kbit/s})

例 7：QAM-64，符号率 5 Msps

(M=64) → 6 bit/符号
理论 (R_b = 30,\text{Mbit/s})（再乘编码/协议效率）

例 8：串口 115200，8E1（奇偶校验）

每帧：1 起始 + 8 数据 + 1 校验 + 1 停止 = 11 位间隔
有效吞吐：(115200 \times \frac{8}{11} \approx 83,636) bit/s

例 9：CAN 总线（NRZ + 位填充）

物理上近似 1 bit/符号，但由于位填充与帧开销，净负载比特率 < 物理比特率。

例 10：以太网 100BASE-TX（MLT-3 + 4B/5B 编码）

物理信令与线路编码会引入编码冗余（如 4B/5B），使线路符号率高于净比特率。
但对应用层可见的“比特率”通常就是100 Mbit/s（再扣以太网帧开销）。

7. 常见误区与避坑清单

“9600 波特=9600 bit/s”吗？
- 在两电平 NRZ、且把“位间隔=码元”理解时近似成立；
- 但有效吞吐必须扣除起止位/校验等帧开销。
为什么多进制（QAM-16）比特率更高？
- 因为每个符号携带的 bit 数变多，同样的“每秒符号数”承载更多信息。
曼彻斯特为什么“带宽翻倍”？
- 一个比特被编码成两个半位的跳变单元 → 每秒的最小跳变次数加倍 → 波特率更高。
“线速率”和“应用层吞吐”不是一回事
- 线速率是物理/链路层速率，应用层要扣协议开销（帧头、重传、握手、FEC…）。