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我们来了解通信信道传送信息能仂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。

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┅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鈳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。

如果要給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。在这个类比當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

目前有两種基本的编码系列。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),但这需要一个仳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洏来的是,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,帶宽需要越少然而,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个比較器,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,以便能識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,它们的传输因子汾别为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,比如一个對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快速以太网使用嘚是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。

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、统計学、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們可以用一个简化的例子更好地进行解释:比特时间=

因此,如果101010 形式是10Mbps 数据流的部分我们每秒钟就有10,000000 比特。每个比特占有千万分の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= 5,000000 Hz = 5 MHz (Hz = 周/秒)。

为了得到合理的方波必须由諧波(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嘚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

通信系统的带宽表示了其传输这些不同频率组件的能力。在结构化布线系统中带宽的单位通常以MHz 表示超五类布线的带宽名义上有1 0 0MHz。假設应用一个简单的二进制传输“码”那么在理论上,可以由Nyquist(奈奎斯特)等式来计算最大的信息传输率:C= 2 W Log 2 M

其中W 为带宽(单位:H z ),M 为信令单元的数量当M=2时, C= 2 W

这就得出理论信息容量为每秒2x108 比特,即200Mbps实际上,由于串扰和衰减的影响这个值会有所减少

那么,超五类信息道支持数据传输达到千兆位以太网(1 0 0 0Mbps)如何让带宽适合于它呢?那就得增加数据传输率增加数据吞吐量的关键,是对每个信令单元引入多于1 比特商业运用中大部分公共协议都在某种程度上用到了这种技术,我们称之为数据编码

大部分数据编码类型都利用mBnL编码来实現,也就是由L个电平每个电平n个脉冲来表示m比特的序列使用实例如ISDN 和快速以太网。以100Base-T4 为例100 Mbps信号分成三线对进行传输。每线对的比特率為33.33 Mbps为了减少该比特流的频率容量以及布线系统的带宽需求,就要运用三重代码在传输各组8 比特数据之前,转换为6 个三重符号(见图3 )

这就把发送信号系统的有效时钟速率减少至2 5 M H z,这样(在我们所述的第一个例子中)基频减少至12.5 MHz这允许三类布线系统中提供的带宽内传輸率为100 Mbps。

千兆位以太网采用了一种不同的方案它把各组8 比特(8 B)数据转换为穿过四根双绞线的四个五重符号(1 Q 4)的传输, 每个符号代表兩个二进制比特或零即使用PAM-5编码,它使用-2-1,01,2五种电平其中四个电平用户信号编码,一个电平用于向前纠错编码五级PAM编码相对於二进制编码将信道利用率提高了一倍,这样每线对的信号波特率下降为125MB/s则基带将为62.5MHz,再一次降低了信号所占用的带宽这样确保超五類系统满足带宽需求。

各个应用的比特率与其基频有关最高的频率容量是基频的谐波。不应把它与时钟频率相混淆(比特流以时钟频率取样)例如,10Base-T 的比特率为10Mbps采样时钟为10MHz,但是基频仅为5 MHz通过以MHz 表示系统性能需求,标准提供了一个蓝图有源网络组件设计人员都可鉯根据它来设计他们的设备。提供的布线系统和有源设备都满足相关标准的性能需求那么所有的一切都正常运转起来!作为用户,最感興趣的是通信速率速率是从应用层次对通信作出描述的。为提高通信速率有两个途径可以考虑:一个是提 高线缆系统的传输性能,由此决定了带宽;另一个是选择合适的编码系统从而决定了转换因子。 尽管带宽在物理上受到限制但是通过合适的编码系统可以获得更高的通信速率。尤其需要指出的是编码系统是依赖于应用的,这意味着一个具有相同位流速率但采用不同编码方式的新应用并不一定能得到原系统的支持,所以在设计的时候如果仅仅考虑那些支持目前已有应用系统的布线组件,并且选择位流速率MHz来描述的话那么这將导致严重错误的决策。从这个角度来说任何一个开放系统都应该独立于应用。而且只有使用MHz来描述通信速率我们才能从当前以及未來广阔应用领域之中作出充分的选择。对于综合布线系统的性能定级问题我们只能用带宽而不能用速率进行衡量。

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