综合布线中的两个概念问题

笔者曾经一直从事计算机网络与通讯的工作,最近由于工作的变动,有机会近距离了解与参与综合布线.但是经过一段时间的接触,发现一个长期模糊而又时常在使用的概念.而且我相信很大一部分人(包括笔者本人与相当一部分从事通讯和综合布线行业的人) 都对该概念都讲不清说不明.那就是,我们平时在网络通讯中所说的带宽与速率，它们究竟是怎么回事,他们之间又有着什么样的关系呢?尤其是我们在综合布线时,常常会听到超五类非屏蔽双绞线也能提供高达1000Mbps的传输速率，但是非屏蔽超五类带宽却只有100MHz。带宽达250MHz的6类线也能支持1000Mbps的传输速率,带宽达500MHz的6A类,带宽达600MHz的7类或更高的7A类等等.他们能支持1000Mbp,10000Mbps甚至是更高的传输速率，那我们又是怎样知道他们在彼此的带宽基础上能传输不同的速率的呢，它们彼此又都是使用了什么技术呢？ 带着这些疑问,笔者最近查阅了大量相关的资料,在此与大家作一个带宽和数据传输速率之间关系的简单探讨。

首先我们来了解通信信道传送信息能力背后的一些原理以及数据编码技术。由于此处将会谈及一些理论与数学计算，因此我将尽可能地避免复杂的数学问题，但也不可能完全忽略。

一、编码技术应用

事实上，香农公式早已概括出带宽B和速率C 之间的关系：C=B*Log(1+SNR)

式中B为信道带宽，所谓带宽是指能够以适当保真度传输信号的频率范围，其单位是Hz，它是信道本身固有的，与所载信号无关。SNR为信噪比，它由系统的发收设备以及传输系统所处的电磁环境共同决定。而速率C是一个计算结果，它由B和SNR共同决定，其单位为bps，在概念上表征为每秒传输的二进制位数。

可见，给定信道，则带宽B也随之给定，改变信噪比SNR可得到不同的传输速率C 。MHz与Mbps有着一对多的关系，即同样带宽可以传输不同的位流速率。同时，Mbps是依赖于应用的；而MHz则与应用无关。

如果要给它打一个形象的比喻，那么汽车时速与引擎转速恰到好处。当给定旋转速度，在齿轮已知的情况下可以计算出汽车的速度。在这个类比当中，齿轮起了一个桥梁的作用。事实上，齿轮之于汽车和引擎就如编码系统之于速率和带宽。

编码是为计算机进行信息传输而被采用的。通过对信息进行编码，许多技术上的问题，比如同步、带宽受限等都可以得到解决。编码对于信息的可靠传输是至关重要的。

目前有两种基本的编码系列。第一种是每N位添加一个同步位，以使同步成为可能(如当N=1时，为Manchester(曼彻斯特)编码；当N=4时 ，为4B5B编码)，但这需要一个比原来更大的带宽。而且同步位越多，带宽需要越大。为了减小带宽，采用每7位添加一个同步位(即 7B8B编码)的编码系统是可能的，但随之而来的是，当传输较长一串相同类型的位流时，同步就变得非常困难了。

另一种编码系列是通过增加电平个数以减小带宽，电平数越多，带宽需要越少。然而，当传输一长串由0 编码后得到的连续信号时，同步就变得几乎不可能了。如，当我们采用5个电平数的时候就需要4个比较器，而且每个比较器都应该有其合适的公差范围。这就是说，当我们选择电平总数的时候，我们还应该把信噪比(SNR)考虑进去，以便能识别这几种不同的电平。

Manchester(曼彻斯特)、NRZ1(不归零编码)以及MLT-3(三电平双极性)编码是目前主要采用的三种编码系统，。它们的传输因子分别为1、0.5和0.25。这些转变因子可以被定义为MHz对的比率。由此看来，任何一种编码系统都有其技术上的限制。此外，还有一些参数比如直流元件也对编码提出某些限制，在实际应用 中，当前主要几种编码系统都是兼而使用以便对带宽与同步作出折衷，或者有所偏重，比如，一个对同步要求比较高的应用可以选择Manchester编码系统或者其他能够产生时序的编码方式。又如，采用MLT-3编码的100 Mbps应用，需要25 MHz的带宽；当联合使 用4B5B编码方式时，系统就需增加额外的25 Mbps 开销，整个系统需要31.25 MHz的带宽，其好处是系统在同步方面变得更容易了。 另外，值得一提的是，100快速以太网使用的是5B6B编码系统(IEEE802.13)，这可以说是对带宽与同步折衷的典型范例。

二、 基本原理

简单地说，局域网上的数据通信是通过从发射器发出一系列“1 和“0”码到接收器来实现的。二进制数据通常以方波来表示（图1）。

然而双绞线上传输的并不是一个纯正的方波。二进制数据实质上是一种重复形式（在某一点上）。重复形式101010表示最坏情况的模型。傅里叶变换表明[注：傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用（例如在信号处理中，傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量）。]，这种最坏情况的重复形式确实由有限的一系列正弦频率组件（正弦波）组成，它们可以分为基频和大量的谐波（若干个基频）。这就有点像圆是由有限个很短的直线组成的。基频是正弦波，其周期等于比特时间的两倍。这些听起来非常复杂，我们可以用一个简化的例子更好地进行解释：比特时间＝ 1／比特率

因此，如果101010 形式是10Mbps 数据流的部分，我们每秒钟就有10,000,000 比特。每个比特占有千万分之一秒。基频的周期是比特时间的两倍（见图1），即千万分之二秒。基频＝ 1／周期＝ 5,000,000 Hz ＝ 5 MHz （Hz ＝ 周／秒）。

为了得到合理的方波，必须由谐波（仅在上述方波情况下为奇谐波）来对基频进行补充。为了得到完美的方波，还必须有有限数量的这种谐波。由于有源设备处理方波的近似值很合理,因此基频加上第三谐波和第五谐波(或是在某些情况下基频加上第三谐波)就足够了。

图2 中所能看到的波形总和，是“0”“1”序列比较相近的表示。串扰和衰减的影响往往也会影响波形。这就开始解释为什么每秒10Mbps的10Base-T需要三类布线16MHz的带宽，5MHz基频加上15 MHz第三谐波。