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(luò)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(luò)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(guān)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(chǔ)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(shù)呢？ 帶著這些疑問,筆者最近查閱了大量相關(guān)的資料,在此與大家作一個帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率之間關(guān)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(shù)。由于此處將會談及一些理論與數(shù)學(xué)計算，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(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是一個計算結(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(guān)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(yīng)用的；而MHz則與應(yīng)用無關(guān)。

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(shù)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(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(yīng)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(yīng)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)形式（在某一點上）。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)、信號處理、概率論、統(tǒng)計學(xué)、密碼學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、海洋學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)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(fù)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。基頻是正弦波，其周期等于比特時間的兩倍。這些聽起來非常復(fù)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?；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(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。

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。