我們平時(shí)在網(wǎng)絡(luò)通訊中所說的帶寬與速率,帶寬與速率究竟是怎么回事,帶寬與速率之間又有著什么樣的關(guān)系呢?尤其是我們?cè)?a href='http://m.myfishling.com/' target='_blank'>綜合布線時(shí),常常會(huì)聽到超五類非屏蔽雙絞線(相關(guān)產(chǎn)品推薦閱讀:4對(duì)超五類非屏蔽工程線)也能提供高達(dá)1000Mbps的傳輸速率,但是非屏蔽超五類帶寬卻只有100MHz。帶寬達(dá)250MHz的六類線(相關(guān)產(chǎn)品推薦:4對(duì)六類阻燃非屏蔽工程線)也能支持1000Mbps的傳輸速率,帶寬達(dá)500MHz的6A類,帶寬達(dá)600MHz的7類或更高的7A類等等.他們能支持1000Mbp,10000Mbps甚至是更高的傳輸速率,那我們又是怎樣知道他們?cè)诒舜说膸捇A(chǔ)上能傳輸不同的速率的呢,帶寬與速率彼此又都是使用了什么技術(shù)呢? 帶著這些疑問,筆者最近查閱了大量相關(guān)的資料,在此與大家作一個(gè)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率之間關(guān)系的簡(jiǎn)單探討。
首先我們來了解通信信道傳送信息能力背后的一些原理以及數(shù)據(jù)編碼技術(shù)。由于此處將會(huì)談及一些理論與數(shù)學(xué)計(jì)算,因此我將盡可能地避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題,但也不可能完全忽略。
一、編碼技術(shù)應(yīng)用
事實(shí)上,香農(nóng)公式早已概括出帶寬B和速率C 之間的關(guān)系:C=B*Log(1+SNR)
式中B為信道帶寬,所謂帶寬是指能夠以適當(dāng)保真度傳輸信號(hào)的頻率范圍,其單位是Hz,它是信道本身固有的,與所載信號(hào)無關(guān)。SNR為信噪比,它由系統(tǒng)的發(fā)收設(shè)備以及傳輸系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境共同決定。而速率C是一個(gè)計(jì)算結(jié)果,它由B和SNR共同決定,其單位為bps,在概念上表征為每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)。
可見,給定信道,則帶寬B也隨之給定,改變信噪比SNR可得到不同的傳輸速率C 。MHz與Mbps有著一對(duì)多的關(guān)系,即同樣帶寬可以傳輸不同的位流速率。同時(shí),Mbps是依賴于應(yīng)用的;而MHz則與應(yīng)用無關(guān)。
如果要給它打一個(gè)形象的比喻,那么汽車時(shí)速與引擎轉(zhuǎn)速恰到好處。當(dāng)給定旋轉(zhuǎn)速度,在齒輪已知的情況下可以計(jì)算出汽車的速度。在這個(gè)類比當(dāng)中,齒輪起了一個(gè)橋梁的作用。事實(shí)上,齒輪之于汽車和引擎就如編碼系統(tǒng)之于速率和帶寬。
編碼是為計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳輸而被采用的。通過對(duì)信息進(jìn)行編碼,許多技術(shù)上的問題,比如同步、帶寬受限等都可以得到解決。編碼對(duì)于信息的可靠傳輸是至關(guān)重要的。
目前有兩種基本的編碼系列。第一種是每N位添加一個(gè)同步位,以使同步成為可能(如當(dāng)N=1時(shí),為Manchester(曼徹斯特)編碼;當(dāng)N=4時(shí) ,為4B5B編碼),但這需要一個(gè)比原來更大的帶寬。而且同步位越多,帶寬需要越大。為了減小帶寬,采用每7位添加一個(gè)同步位(即 7B8B編碼)的編碼系統(tǒng)是可能的,但隨之而來的是,當(dāng)傳輸較長(zhǎng)一串相同類型的位流時(shí),同步就變得非常困難了。
另一種編碼系列是通過增加電平個(gè)數(shù)以減小帶寬,電平數(shù)越多,帶寬需要越少。然而,當(dāng)傳輸一長(zhǎng)串由0 編碼后得到的連續(xù)信號(hào)時(shí),同步就變得幾乎不可能了。如,當(dāng)我們采用5個(gè)電平數(shù)的時(shí)候就需要4個(gè)比較器,而且每個(gè)比較器都應(yīng)該有其合適的公差范圍。這就是說,當(dāng)我們選擇電平總數(shù)的時(shí)候,我們還應(yīng)該把信噪比(SNR)考慮進(jìn)去,以便能識(shí)別這幾種不同的電平。
Manchester(曼徹斯特)、NRZ1(不歸零編碼)以及MLT-3(三電平雙極性)編碼是目前主要采用的三種編碼系統(tǒng),。它們的傳輸因子分別為1、0.5和0.25。這些轉(zhuǎn)變因子可以被定義為MHz對(duì)的比率。由此看來,任何一種編碼系統(tǒng)都有其技術(shù)上的限制。此外,還有一些參數(shù)比如直流元件也對(duì)編碼提出某些限制,在實(shí)際應(yīng)用 中,當(dāng)前主要幾種編碼系統(tǒng)都是兼而使用以便對(duì)帶寬與同步作出折衷,或者有所偏重,比如,一個(gè)對(duì)同步要求比較高的應(yīng)用可以選擇Manchester編碼系統(tǒng)或者其他能夠產(chǎn)生時(shí)序的編碼方式。又如,采用MLT-3編碼的100 Mbps應(yīng)用,需要25 MHz的帶寬;當(dāng)聯(lián)合使 用4B5B編碼方式時(shí),系統(tǒng)就需增加額外的25 Mbps 開銷,整個(gè)系統(tǒng)需要31.25 MHz的帶寬,其好處是系統(tǒng)在同步方面變得更容易了。 另外,值得一提的是,100快速以太網(wǎng)使用的是5B6B編碼系統(tǒng)(IEEE802.13),這可以說是對(duì)帶寬與同步折衷的典型范例。
二、 基本原理
簡(jiǎn)單地說,局域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)通信是通過從發(fā)射器發(fā)出一系列“1 和“0”碼到接收器來實(shí)現(xiàn)的。二進(jìn)制數(shù)據(jù)通常以方波來表示。
然而雙絞線上傳輸?shù)牟⒉皇且粋(gè)純正的方波。二進(jìn)制數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上是一種重復(fù)形式(在某一點(diǎn)上)。重復(fù)形式101010表示最壞情況的模型。傅里葉變換表明[注:傅里葉變換在物理學(xué)、數(shù)論、組合數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、密碼學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、海洋學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用(例如在信號(hào)處理中,傅里葉變換的典型用途是將信號(hào)分解成幅值分量和頻率分量)。],這種最壞情況的重復(fù)形式確實(shí)由有限的一系列正弦頻率組件(正弦波)組成,它們可以分為基頻和大量的諧波(若干個(gè)基頻)。這就有點(diǎn)像圓是由有限個(gè)很短的直線組成的。基頻是正弦波,其周期等于比特時(shí)間的兩倍。這些聽起來非常復(fù)雜,我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)化的例子更好地進(jìn)行解釋:比特時(shí)間= 1/比特率
因此,如果101010 形式是10Mbps 數(shù)據(jù)流的部分,我們每秒鐘就有10,000,000 比特。每個(gè)比特占有千萬分之一秒;l的周期是比特時(shí)間的兩倍,即千萬分之二秒;l= 1/周期= 5,000,000 Hz = 5 MHz (Hz = 周/秒)。
為了得到合理的方波,必須由諧波(僅在上述方波情況下為奇諧波)來對(duì)基頻進(jìn)行補(bǔ)充。為了得到完美的方波,還必須有有限數(shù)量的這種諧波。由于有源設(shè)備處理方波的近似值很合理,因此基頻加上第三諧波和第五諧波(或是在某些情況下基頻加上第三諧波)就足夠了。
基頻加上諧波得到方波的近似值
中所能看到的波形總和,是“0”“1”序列比較相近的表示。串?dāng)_和衰減的影響往往也會(huì)影響波形。這就開始解釋為什么每秒10Mbps的10Base-T需要三類布線16MHz的帶寬,5MHz基頻加上15 MHz第三諧波。
三、實(shí)際應(yīng)用
通信系統(tǒng)的帶寬表示了其傳輸這些不同頻率組件的能力。在結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)中帶寬的單位通常以MHz 表示。超五類布線的帶寬名義上有1 0 0MHz。假設(shè)應(yīng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制傳輸“碼”,那么在理論上,可以由Nyquist(奈奎斯特)等式來計(jì)算最大的信息傳輸率:C= 2 W Log 2 M
其中,W 為帶寬(單位:H z ),M 為信令單元的數(shù)量,當(dāng)M=2時(shí), C= 2 W。
這就得出理論信息容量為每秒2x108 比特,即200Mbps。實(shí)際上,由于串?dāng)_和衰減的影響這個(gè)值會(huì)有所減少。
那么,超五類信息道支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸達(dá)到千兆位以太網(wǎng)(1 0 0 0Mbps),如何讓帶寬適合于它呢?那就得增加數(shù)據(jù)傳輸率,增加數(shù)據(jù)吞吐量的關(guān)鍵,是對(duì)每個(gè)信令單元引入多于1 比特。商業(yè)運(yùn)用中大部分公共協(xié)議都在某種程度上用到了這種技術(shù),我們稱之為數(shù)據(jù)編碼。
大部分?jǐn)?shù)據(jù)編碼類型都利用mBnL編碼來實(shí)現(xiàn),也就是由L個(gè)電平每個(gè)電平n個(gè)脈沖來表示m比特的序列。使用實(shí)例如ISDN 和快速以太網(wǎng)。以100Base-T4 為例。100 Mbps信號(hào)分成三線對(duì)進(jìn)行傳輸。每線對(duì)的比特率為33.33 Mbps。為了減少該比特流的頻率容量以及布線系統(tǒng)的帶寬需求,就要運(yùn)用三重代碼。在傳輸各組8 比特?cái)?shù)據(jù)之前,轉(zhuǎn)換為6 個(gè)三重符號(hào)。
這就把發(fā)送信號(hào)系統(tǒng)的有效時(shí)鐘速率減少至2 5 M H z,這樣(在我們所述的第一個(gè)例子中)基頻減少至12.5 MHz。這允許三類布線系統(tǒng)中提供的帶寬內(nèi)傳輸率為100 Mbps。
千兆位以太網(wǎng)采用了一種不同的方案,它把各組8 比特(8 B)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為穿過四根雙絞線的四個(gè)五重符號(hào)(1 Q 4)的傳輸, 每個(gè)符號(hào)代表兩個(gè)二進(jìn)制比特或零。即使用PAM-5編碼,它使用-2,-1,0,1,2五種電平,其中四個(gè)電平用戶信號(hào)編碼,一個(gè)電平用于向前糾錯(cuò)編碼。五級(jí)PAM編碼相對(duì)于二進(jìn)制編碼將信道利用率提高了一倍,這樣每線對(duì)的信號(hào)波特率下降為125MB/s,則基帶將為62.5MHz,再一次降低了信號(hào)所占用的帶寬.這樣確保超五類系統(tǒng)滿足帶寬需求。
四、結(jié)論
各個(gè)應(yīng)用的比特率與其基頻有關(guān)。最高的頻率容量是基頻的諧波。不應(yīng)把它與時(shí)鐘頻率相混淆(比特流以時(shí)鐘頻率取樣)。例如,10Base-T 的比特率為10Mbps,采樣時(shí)鐘為10MHz,但是基頻僅為5 MHz。通過以MHz 表示系統(tǒng)性能需求,標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)藍(lán)圖,有源網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)計(jì)人員都可以根據(jù)它來設(shè)計(jì)他們的設(shè)備。提供的布線系統(tǒng)和有源設(shè)備都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的性能需求,那么所有的一切都正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來!作為用戶,最感興趣的是通信速率。速率是從應(yīng)用層次對(duì)通信作出描述的。為提高通信速率,有兩個(gè)途徑可以考慮:一個(gè)是提 高線纜系統(tǒng)的傳輸性能,由此決定了帶寬;另一個(gè)是選擇合適的編碼系統(tǒng),從而決定了轉(zhuǎn)換因子。 盡管帶寬在物理上受到限制,但是通過合適的編碼系統(tǒng)可以獲得更高的通信速率。尤其需要指出的是,編碼系統(tǒng)是依賴于應(yīng)用的,這意味著一個(gè)具有相同位流速率但采用不同編碼方式的新應(yīng)用,并不一定能得到原系統(tǒng)的支持,所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候,如果僅僅考慮那些支持目前已有應(yīng)用系統(tǒng)的布線組件,并且選擇位流速率MHz來描述的話,那么這將導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤的決策。從這個(gè)角度來說,任何一個(gè)開放系統(tǒng)都應(yīng)該獨(dú)立于應(yīng)用。而且只有使用MHz來描述通信速率,我們才能從當(dāng)前以及未來廣闊應(yīng)用領(lǐng)域之中作出充分的選擇。對(duì)于綜合布線系統(tǒng)的性能定級(jí)問題,我們只能用帶寬而不能用速率進(jìn)行衡量
附:
奈氏準(zhǔn)則
1924年,奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式:
理想低通信道下的最高碼元傳輸速率=2W Baud
其中W是理想低通信道的帶寬,單位為赫茲;Baud是波特,即碼元傳輸速率的單位,1波特為每秒傳送1個(gè)碼元。奈氏準(zhǔn)則的另一種表達(dá)方法是:每赫茲帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個(gè)碼元。若碼元的傳輸速率超過了奈氏準(zhǔn)則所給出的數(shù)值,則將出現(xiàn)碼元之間的互相干擾,以致在接收端就無法正確判定碼元是1還是0。
對(duì)于具有理想帶通矩形特性的信道(帶寬為W),奈氏準(zhǔn)則就變?yōu)椋豪硐霂ㄐ诺赖淖罡叽a元傳輸速率=1W Baud,即每赫寬帶的帶通信道的最高碼元傳輸速率為每秒1個(gè)碼元。
奈氏準(zhǔn)則是在理想條件下推導(dǎo)出的。在實(shí)際條件下,最高碼元傳輸速率要比理想條件下得出的數(shù)值還要小些。電信技術(shù)人員的任務(wù)就是要在實(shí)際條件下,尋找出較好的傳輸碼元波形,將比特轉(zhuǎn)換為較為合適的傳輸信號(hào)。需要注意的是,奈氏準(zhǔn)則并沒有對(duì)信息傳輸速率(b/s)給出限制。要提高信息傳輸速率就必須使每一個(gè)傳輸?shù)拇a元能夠代表許多個(gè)比特的信息。這就需要有很好的編碼技術(shù)。
香農(nóng)公式
1948年,香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率。當(dāng)用次速率進(jìn)行傳輸時(shí),可以做到不出差錯(cuò)。用公式表示,則信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為C=B log2(1+S/N) 信噪比SNR = S(信號(hào)功率) / N (噪聲功率)
其中B為信道的寬度,S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率,N為信道內(nèi)部的噪聲功率。
香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪比越大,則信息的極限傳輸速率就越高。它給出了信息傳輸速率的極限,即對(duì)于一定的傳輸帶寬(以赫茲為單位)和一定的信噪比,信息傳輸速率的上限就確定了。這個(gè)極限是不能夠突破的。要想提高信息的傳輸速率,或者必須設(shè)法提高傳輸線路的帶寬,或者必須設(shè)法提高所傳信號(hào)的信噪比,此外沒有其他任何辦法。至少到現(xiàn)在為止,還沒有聽說有誰能夠突破香農(nóng)公式給出的信息傳輸速率的極限。香農(nóng)公式告訴我們,若要得到無限大的信息傳輸速率,只有兩個(gè)辦法:要么使用無限大的傳輸帶寬(這顯然不可能),要么使信號(hào)的信噪比為無限大,即采用沒有噪聲的傳輸信道或使用無限大的發(fā)送功率。
以上是筆者淺談帶寬與速率的關(guān)系,希望對(duì)讀者有所幫助!
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