理解频率与带宽

理解频率与带宽


转自:http://www.cabling-system.com/html/2014-07/04_233769.html


[导读]超五类信道100MHz带宽能够支持100Mbps、155Mbps及1000Mbps数据速率,这一点经常会引起我们很大的疑问。在此我们来说明一下带宽与数据速率之间的关系。首先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,因此我们将尽可能地避免复杂的数学问题,但也不可能完全忽略。

  超五类信道100MHz带宽能够支持100Mbps、155Mbps及1000Mbps数据速率,这一点经常会引起我们很大的疑问。在此我们来说明一下带宽与数据速率之间的关系。首先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,因此我们将尽可能地避免复杂的数学问题,但也不可能完全忽略。

  一、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。解释这个二进制流的方法与我们现在的讨论无关。二进制数据通常以方波来表示(图1)。

理解频率与带宽_第1张图片

  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。

理解频率与带宽_第2张图片

  图2 基频加上谐波得到方波的近似值

  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。


二、带宽

  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。假设应用一个简单的二进制传输“码”,那么在理论上,可以由Nyquist 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。

  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。


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