计算机网络原理 信道的主要性能参数

计算机网络原理 信道的主要性能参数

信道的性能可以从信道带宽、信道容量、吞吐量、出错率等几个方面来衡量。

1．带宽

带宽（Bandwidth ）本意指的是电子电路中存在一个固有通频带。它所指的其实是数据传输率，譬如网络带宽等等，都是以“字节/秒”为单位。

衰减和延迟变形与信号中所含傅立叶分量频率大小相关，并由信道的质量决定。任何信道都不是理想的，每一个信道都对能通过的信号频率范围有一个限制。信道允许通过的信号频率范围，即可传送的信号的最高频率与最低频率之差，被称为信道的通频带宽，亦即信道带宽，单位为Hz 。例如，一条传输线可以接受500Hz~3500Hz 的频率，则在这条传输线上传送频率的带宽就是3000Hz 。只有信号带宽在信道范围内时，传输才是安全的。

在传输过程中，无线电、微波和双绞线都具有不同的带宽。如图1-8所示为不同通信介质之间的对应关系。

f(Hz)01234567

89101112f(Hz)

波段

图1-8 不同通信介质的传输带宽 宽带（broadband ）信道是指带宽很宽的信道，并可以在同一传输介质上进行多重（并行）传输的高速（一般大于2.5Gbps ）数据传输通道。如图1-9为ADSL 上的三个信息频道：POTS （话音）频道（4kHz ）、上行频道（10kHz~50kHz ）和下行频道（1MHz 以上），或者说，ADSL 技术就是在一条铜线上，分出这样三个信息频道的技术，从而在一条铜线上既可以打电话，也可以上网。

高速下行通道

中速双工通道

POTS (a)ADSL 信道结构 (b)ADSL 频率结构

图1-9 ADSL 上的三个信息频道

信道带

宽

W=f 2-f 1，其中f 1是信道能通过的最低频率，f 2是信道能通过的最高频率，两者都是由信道 提 示 所说的“高速”，目前还没有国际标准定义。一般将速度在1.54Mmps

以上的数据传输都可以由做宽带。从运营商的角度，一般把速度超过2Mbps 的数据传输才称为宽带传输。 注 意

使用拉入速率为2Mbps 的宽带网，并不等于每秒钟最高可以下载2MB

的数据。应当是2Mbps=2048kbps=256kB/s ，再减去数据传输所需要的

校验位，实际最高传输率约为200kB/s 左右。

的物理特性决定的。当组成信道的电路制成了，信道的带宽就决定了。为了使信号传输中的失真小些，信道要有足够的带宽。

数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号。信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。一个数字脉冲称为一个码元个数。若信号码元宽度为T 秒，则码元速率B=1/T 。码元速率的单位叫波特（Baud ），所以码元速率也叫波特率。早在1924年，贝尔实验室的研究亨利尼奎斯特（Harry Nyquist ）就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为尼奎斯特定理。若信道带宽为W ，则尼奎斯特定理指出最大码元速率为

B=2W （Baud ）

尼奎斯特定理指定的信道容量也叫做尼奎斯特极限，这是由信道的物理特性决定的。超过尼奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的，所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。

码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。若码元取两个离散值，则一个码元携带1比特（bit ）信息。若码元可取4种离散值，则一个码元携带2比特信息。总之一个码元携带的信息量n （比特）与码元的种类数N 有如下关系：

n=log 2N

单位时间内在信道上传送的信息量（比特数）称为数据速率。在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。如果把两比特编码为一个码元，则数据速率可成倍提高。我们有公式

R=Blog 2N=2Wlog 2N(b/s)

其中R 表示数据速率，单位是每秒比特（bits per second ），简写为bps 或b/s 。

2．信道容量

在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记为C 。

从信息论的观点来看，各种信道可概括为两大类：离散信道和连续信道。所谓离散信道就是输入与输出信号都是取值离散的时间函数；而连续信道是指输入和输出信号都是取值连续的。可以看出，前者就是广义信道中的编码信道，后者则是调制信道。

表1-1为一些常用数据传输速率与基本周期、一次谐波频率和最高次谐波次数之间的关系。例如，在一条话音级线路上以9600bps 的速率传输数据，最高次的谐波次数仅为2。 表 1-1 数据传输速率与谐波数之间的关系

早在1924年，奈奎斯特就意识到信道对于数据传输率的限制，并推导出一个被称为奈奎特准则的有限带宽无噪声信道的最大数据传输率表达式

L W S 2max log 2 (bps)

式中：W 是有限带宽无噪声信道的带宽；L 为信道上所传输信号的可取离散值的个数。例如，在带宽为3kHz 的信道上传输二进制码，则信道的最大数据传输率为6kbps 。如果在该信道上传输八进制信号，则信道的最大数据传输率为18kbps 。

奈奎斯特准则考虑的是一个理想低通信道。如果考虑噪声，问题就复杂多了。在奈奎斯

特准则基础上，1948年，香农(Shannon)进一步研究了有限带宽的随机（服从高斯分贝）噪声干扰信道的极限数据传输率：

)1(log 2N

S W C += 式中：W 是有限带宽无噪声信道的带宽；S 为信道上数据信号的平均功率；N 为信道内部的噪声功率；S/N 为信噪比。讪侬公式表明，信道的带宽越宽，信噪比越大，信道的极限数据传输率就越高。例如，信道的带宽为3kHz ，信噪比为1000（即30dB ），则其中极限数据传输率为：3000Log 2(1+1000)≈30kbps 。

由于噪声功率与信道带宽有关，故若噪声单边功率谱密度为n 0（W/Hz ），则噪声功率N=n 0W 。因此，香农公式的另一种形式为

)1(log 02W

n S W C += 由上式可见，一个连续信道的信道容量受W 、n 0、S 三个要素限制，只要这三个要素确定，则信道容量也就随之确定。

香农公式告诉我们如下重要结论：

● 在给定W 、S/N 的情况下，信道的极限传输能力为C ，而且此时能够做到无差错传输（即

差错率为零）。这就是说，如果信道的实际传输速率大于C 值，则无差错传输在理论上就已不可能。因此，实际传输速率R 。一般不能大于信道容量C ，除非允许存在一定的差错率。

● 提高信噪比S/N （通过减小n0或增大S ），可提高信道容量C 。特别是，若00→n ，则∞→C ，

这意味着无干扰信道容量为无穷大；

● 增加信道带宽W ，也可增加信道容量C ，但做不到无限制地增加。这是因为，如果S 、

n0一定，有

2044.1log lim n S e n S C W ≈=∞→ ● 维持同样大小的信道容量，可以通过调整信道的W 及S/N 来达到，即信道容量可以通

过系统带宽与信噪比的互换而保持不变。例如，如果S/N=7，W=4000Hz ，则可得C=l2×103b/s ；但是，如果S/N=l5，W=3000Hz ，则可得同样数值C 值。这就提示我们，为达到某个实际传输速率，在系统设计时可以利用山农公式中的互换原理，确定合适的系统带宽和信噪比。

3．吞吐量

吞吐量是指信道在单位时间内成功传输的总信息量，单位为bps 。也就是说吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。其测试方法是：在测试中以一定速率发送一定数量的帧，并计算待测设备传输的帧，如果发送的帧与接收的帧数量相等，那么就将发送速率提高并重新测试；如果接收帧少于发送帧则降低发送速率重新测试，直至得出最终结果。吞吐量测试结果以比特/秒或字节/秒表示。

4．信道的误码率

误码率是指信道传输信号的出错率，是数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性指标，用下面的公式表示

N N P E /=