綜合布線中的兩個概念問題

筆者曾經(jīng)一直從事計算機網(wǎng)絡與通訊的工作,最近由于工作的變動,有機會近距離了解與參與綜合布線.但是經(jīng)過一段時間的接觸,發(fā)現(xiàn)一個長期模糊而又時常在使用的概念.而且我相信很大一部分人(包括筆者本人與相當一部分從事通訊和綜合布線行業(yè)的人) 都對該概念都講不清說不明.那就是,我們平時在網(wǎng)絡通訊中所說的帶寬與速率，它們究竟是怎么回事,他們之間又有著什么樣的關系呢?尤其是我們在綜合布線時,常常會聽到超五類非屏蔽雙絞線也能提供高達1000Mbps的傳輸速率，但是非屏蔽超五類帶寬卻只有100MHz。帶寬達250MHz的6類線也能支持1000Mbps的傳輸速率,帶寬達500MHz的6A類,帶寬達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在彼此的帶寬基礎上能傳輸不同的速率的呢，它們彼此又都是使用了什么技術呢？ 帶著這些疑問,筆者最近查閱了大量相關的資料,在此與大家作一個帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率之間關系的簡單探討。

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。由于此處將會談及一些理論與數(shù)學計算，因此我將盡可能地避免復雜的數(shù)學問題，但也不可能完全忽略。

一、編碼技術應用

事實上，香農(nóng)公式早已概括出帶寬B和速率C 之間的關系：C=B*Log(1+SNR)

式中B為信道帶寬，所謂帶寬是指能夠以適當保真度傳輸信號的頻率范圍，其單位是Hz，它是信道本身固有的，與所載信號無關。SNR為信噪比，它由系統(tǒng)的發(fā)收設備以及傳輸系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境共同決定。而速率C是一個計算結果，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有著一對多的關系，即同樣帶寬可以傳輸不同的位流速率。同時，Mbps是依賴于應用的；而MHz則與應用無關。

如果要給它打一個形象的比喻，那么汽車時速與引擎轉(zhuǎn)速恰到好處。當給定旋轉(zhuǎn)速度，在齒輪已知的情況下可以計算出汽車的速度。在這個類比當中，齒輪起了一個橋梁的作用。事實上，齒輪之于汽車和引擎就如編碼系統(tǒng)之于速率和帶寬。

編碼是為計算機進行信息傳輸而被采用的。通過對信息進行編碼，許多技術上的問題，比如同步、帶寬受限等都可以得到解決。編碼對于信息的可靠傳輸是至關重要的。

目前有兩種基本的編碼系列。第一種是每N位添加一個同步位，以使同步成為可能(如當N=1時，為Manchester(曼徹斯特)編碼；當N=4時 ，為4B5B編碼)，但這需要一個比原來更大的帶寬。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，當傳輸較長一串相同類型的位流時，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數(shù)以減小帶寬，電平數(shù)越多，帶寬需要越少。然而，當傳輸一長串由0 編碼后得到的連續(xù)信號時，同步就變得幾乎不可能了。如，當我們采用5個電平數(shù)的時候就需要4個比較器，而且每個比較器都應該有其合適的公差范圍。這就是說，當我們選擇電平總數(shù)的時候，我們還應該把信噪比(SNR)考慮進去，以便能識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對的比率。由此看來，任何一種編碼系統(tǒng)都有其技術上的限制。此外，還有一些參數(shù)比如直流元件也對編碼提出某些限制，在實際應用 中，當前主要幾種編碼系統(tǒng)都是兼而使用以便對帶寬與同步作出折衷，或者有所偏重，比如，一個對同步要求比較高的應用可以選擇Manchester編碼系統(tǒng)或者其他能夠產(chǎn)生時序的編碼方式。又如，采用MLT-3編碼的100 Mbps應用，需要25 MHz的帶寬；當聯(lián)合使 用4B5B編碼方式時，系統(tǒng)就需增加額外的25 Mbps 開銷，整個系統(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)，這可以說是對帶寬與同步折衷的典型范例。

二、 基本原理

簡單地說，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”碼到接收器來實現(xiàn)的。二進制數(shù)據(jù)通常以方波來表示（圖1）。

然而雙絞線上傳輸?shù)牟⒉皇且粋€純正的方波。二進制數(shù)據(jù)實質(zhì)上是一種重復形式（在某一點上）。重復形式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、數(shù)論、組合數(shù)學、信號處理、概率論、統(tǒng)計學、密碼學、聲學、光學、海洋學、結構動力學等領域都有著廣泛的應用（例如在信號處理中，傅里葉變換的典型用途是將信號分解成幅值分量和頻率分量）。]，這種最壞情況的重復形式確實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（若干個基頻）。這就有點像圓是由有限個很短的直線組成的?；l是正弦波，其周期等于比特時間的兩倍。這些聽起來非常復雜，我們可以用一個簡化的例子更好地進行解釋：比特時間＝ 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。每個比特占有千萬分之一秒?；l的周期是比特時間的兩倍（見圖1），即千萬分之二秒。基頻＝ 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）來對基頻進行補充。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。

圖2 中所能看到的波形總和，是“0”“1”序列比較相近的表示。串擾和衰減的影響往往也會影響波形。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。