带宽、比特率、波特率、网络速度的各种概念

什么是带宽？

作者：PCDIY

在各类电子设备和元器件中，我们都可以接触到带宽的概念，例如我们熟知的显示

器的带宽、内存的带宽、总线的带宽和网络的带宽等等；对这些设备而言，带宽是一个

非常重要的指标。不过容易让人迷惑的是，在显示器中它的单位是MHz，这是一个频率

的概念；而在总线和内存中的单位则是GB/s，相当于数据传输率的概念；而在通讯领域，

带宽的描述单位又变成了MHz、GHz??这两种不同单位的带宽表达的是同一个内涵么？

二者存在哪些方面的联系呢？本文就带你走入精彩的带宽世界。

一、 带宽的两种概念

如果从电子电路角度出发，带宽（Bandwidth）本意指的是电子电路中存在一个固

有通频带，这个概念或许比较抽象，我们有必要作进一步解释。大家都知道，各类复杂

的电子电路无一例外都存在电感、电容或相当功能的储能元件，即使没有采用现成的电

感线圈或电容，导线自身就是一个电感，而导线与导线之间、导线与地之间便可以组成

电容——这就是通常所说的杂散电容或分布电容；不管是哪种类型的电容、电感，都会

对信号起着阻滞作用从而消耗信号能量，严重的话会影响信号品质。这种效应与交流电

信号的频率成正比关系，当频率高到一定程度、令信号难以保持稳定时，整个电子电路

自然就无法正常工作。为此，电子学上就提出了“带宽”的概念，它指的是电路可以保

持稳定工作的频率范围。而属于该体系的有显示器带宽、通讯/网络中的带宽等等。

而第二种带宽的概念大家也许会更熟悉，它所指的其实是数据传输率，譬如内存带

宽、总线带宽、网络带宽等等，都是以“字节/秒”为单位。我们不清楚从什么时候起

这些数据传输率的概念被称为“带宽”，但因业界与公众都接受了这种说法，代表数据

传输率的带宽概念非常流行，尽管它与电子电路中“带宽”的本意相差很远。

对于电子电路中的带宽，决定因素在于电路设计。它主要是由高频放大部分元件的

特性决定，而高频电路的设计是比较困难的部分，成本也比普通电路要高很多。这部分

内容涉及到电路设计的知识，对此我们就不做深入的分析。而对于总线、内存中的带宽，

决定其数值的主要因素在于工作频率和位宽，在这两个领域，带宽等于工作频率与位宽

的乘积，因此带宽和工作频率、位宽两个指标成正比。不过工作频率或位宽并不能无限

制提高，它们受到很多因素的制约，我们会在接下来的总线、内存部分对其作专门论述。

二、 总线中的带宽

在计算机系统中，总线的作用就好比是人体中的神经系统，它承担的是所有数据传

输的职责，而各个子系统间都必须籍由总线才能通讯，例如，CPU 和北桥间有前端总线、

北桥与显卡间为AGP 总线、芯片组间有南北桥总线，各类扩展设备通过PCI、PCI-X 总

线与系统连接；主机与外部设备的连接也是通过总线进行，如目前流行的USB 2.0、

IEEE1394 总线等等，一句话，在一部计算机系统内，所有数据交换的需求都必须通过总

线来实现！

按照工作模式不同，总线可分为两种类型，一种是并行总线，它在同一时刻可以传

输多位数据，好比是一条允许多辆车并排开的宽敞道路，而且它还有双向单向之分；另

一种为串行总线，它在同一时刻只能传输一个数据，好比只容许一辆车行走的狭窄道路，

数据必须一个接一个传输、看起来仿佛一个长长的数据串，故称为“串行”。

并行总线和串行总线的描述参数存在一定差别。对并行总线来说，描述的性能参数

有以下三个：总线宽度、时钟频率、数据传输频率。其中，总线宽度就是该总线可同时

传输数据的位数，好比是车道容许并排行走的车辆的数量；例如，16 位总线在同一时刻

传输的数据为16 位，也就是2 个字节；而32 位总线可同时传输4 个字节，64 位总线可

以同时传输8 个字节......显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数

据。不过总线的位宽无法无限制增加。时钟频率和数据传输频率的概念在上一期的文章

中有过详细介绍，我们就不作赘述。

总线的带宽指的是这条总线在单位时间内可以传输的数据总量，它等于总线位宽与

工作频率的乘积。例如，对于64 位、800MHz 的前端总线，它的数据传输率就等于

64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s；32 位、33MHz PCI 总线的数据传输率就是

32bit×33MHz÷8=133MB/s，等等，这项法则可以用于所有并行总线上面——看到这里，

读者应该明白我们所说的总线带宽指的就是它的数据传输率，其实“总线带宽”的概念

同“电路带宽”的原始概念已经风马牛不相及。

对串行总线来说，带宽和工作频率的概念与并行总线完全相同，只是它改变了传统
意义上的总线位宽的概念。在频率相同的情况下，并行总线比串行总线快得多，那么，
为什么现在各类并行总线反而要被串行总线接替呢？原因在于并行总线虽然一次可以
传输多位数据，但它存在并行传输信号间的干扰现象，频率越高、位宽越大，干扰就越
严重，因此要大幅提高现有并行总线的带宽是非常困难的；而串行总线不存在这个问题，
总线频率可以大幅向上提升，这样串行总线就可以凭借高频率的优势获得高带宽。而为
了弥补一次只能传送一位数据的不足，串行总线常常采用多条管线（或通道）的做法实
现更高的速度——管线之间各自独立，多条管线组成一条总线系统，从表面看来它和并
行总线很类似，但在内部它是以串行原理运作的。对这类总线，带宽的计算公式就等于
“总线频率×管线数”，这方面的例子有PCI Express 和HyperTransport，前者有×1、
×2、×4、×8、×16 和×32 多个版本，在第一代PCI Express 技术当中，单通道的单
向信号频率可达2.5GHz，我们以×16 举例，这里的16 就代表16 对双向总线，一共64
条线路，每4 条线路组成一个通道，二条接收，二条发送。这样我们可以换算出其总线
的带宽为2.5GHz×16/10=4GB/s（单向）。除10 是因为每字节采用10 位编码。

三、 内存中的带宽
六、 通讯中的带宽
在通讯和网络领域，带宽的含义又与上述定义存在差异，它指的是网络信号可使用
的最高频率与最低频率之差、或者说是“频带的宽度”，也就是所谓的“Bandwidth”、
“信道带宽”——这也是最严谨的技术定义。
在100M 以太网之类的铜介质布线系统中，双绞线的信道带宽通常用MHz 为单位，
它指的是信噪比恒定的情况下允许的信道频率范围，不过，网络的信道带宽与它的数据
传输能力（单位Byte/s）存在一个稳定的基本关系。我们也可以用高速公路来作比喻：
在高速路上，它所能承受的最大交通流量就相当于网络的数据运输能力，而这条高速路
允许形成的宽度就相当于网络的带宽。显然，带宽越高、数据传输可利用的资源就越多，
因而能达到越高的速度；除此之外，我们还可以通过改善信号质量和消除瓶颈效应实现
更高的传输速度。
网络带宽与数据传输能力的正比关系最早是由贝尔实验室的工程师Claude
Shannon 所发现，因此这一规律也被称为Shannon 定律。而通俗起见普遍也将网络的数
据传输能力与“网络带宽”完全等同起来，这样“网络带宽”表面上看与“总线带宽”
形成概念上的统一，但这两者本质上就不是一个意思、相差甚远。

------------------------------------------------
数据传输速率的定义
数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。数据传输速率在数值上等于每秒种传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒(bit/second)，记作bps。对于二进制数据，数据传输速率为：

S=1/T(bps)

其中，T为发送每一比特所需要的时间。例如，如果在通信信道上发送一比特0、1信号所需要的时间是0.001ms，那么信道的数据传输速率为1 000bps。

在实际应用中，常用的数据传输速率单位有：kbps、Mbps和Gbps。其中：

1kbps＝10^3bps 1Mbps＝10^6kbps 1Gbps＝10^9bps

带宽与数据传输速率
在现代网络技术中，人们总是以“带宽”来表示信道的数据传输速率，“带宽”与“速率”几乎成了同义词。信道带宽与数据传输速率的关系可以奈奎斯特(Nyquist)准则与香农(Shanon)定律描述。

奈奎斯特准则指出：如果间隔为π/ω(ω=2πf),通过理想通信信道传输窄脉冲信号，则前后码元之间不产生相互窜扰。因此，对于二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f,单位Hz)的关系可以写为：

Rmax＝2.f(bps)

对于二进制数据若信道带宽B=f=3000Hz，则最大数据传输速率为6000bps。

奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。

香农定理指出：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为：

Rmax＝B.log2(1+S/N)

式中，Rmax单位为bps,带宽B单位为Hz，信噪比S/N通常以dB（分贝）数表示。若S/N=30(dB),那么信噪比根据公式：

S/N(dB)=10.lg(S/N)

可得，S/N＝1000。若带宽B=3000Hz，则Rmax≈30kbps。香农定律给出了一个有限带宽、有热噪声信道的最大数据传输速率的极限值。它 表示对于带宽只有3000Hz的通信信道，信噪比在30db时，无论数据采用二进制或更多的离散电平值表示，都不能用越过0kbps的速率传输数据。

因此通信信道最大传输速率与信道带宽之间存在着明确的关系，所以人们可以用“带宽”去取代“速率”。例如，人们常把网络的“高数据传输速率”用网络的“高带宽”去表述。因此“带宽”与“速率”在网络技术的讨论中几乎成了同义词。
------------------------------------------------------
比特率？波特率？

以下解释文字来自于网络资料：
    ①波特率指信号每秒的变化次数。比特率指每秒可传输的二进制位数。在无调制的情况下，波特率精确等于比特率。采用调相技术时，波特率不等于比特率。
    ②数字信道传送数字信号的速率称为数据传输速率或比特率。
    ③传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。
    ④波特率是指线路状态更改的次数。只有每个信号符合所传输数据的一位时，才等于每秒位数。
    ⑤波特率是模拟线路信号的速率，也称调制速率，以波形每秒的振荡数来衡量。如果数据不压缩，波特率等于每秒钟传输的数据位数，如果数据进行了压缩，那么每秒钟传输的数据位数通常大于调制速率，使得交换使用波特和比特/秒偶尔会产生错误。
    ……

以下文字来自于Wikipedia：
    在电子通信领域，波特率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数，即单位时间内载波参数变化的次数。它是对符号传输速率的一种度量，通常以“波特每秒”（Bd/s）为单位，1波特每秒即指每秒传输1个符号。
    波特率有时候会同比特率混淆，实际上后者是对信息传输速率（传信率）的度量。波特率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数（传符号率），通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息。因此信息传输速率即比特率在数值上和波特率有这样的关系：
                            I = S·log₂N                （Ⅰ）
其中，I为传信率，S为波特率，N为每个符号负载的信息量，以比特为单位。因此只有在每个符号只代表一个比特信息的情况下，例如基带二进制信号，波特率与比特率才在数值上相等，但是它们的意义并不相同。
----------------------------------------------------------------
    在电信和计算领域，比特率（Bit rate，变量R_bit） 是单位时间内传输送或处理的比特的数量。比特率经常在电信领域用作连接速度、传输速度、信道容量、最大吞吐量和数字带宽容量的同义词。比特率规定使用“比 特每秒”（bit/s 或 bps）为单位，经常和国际单位制词头关联在一起，如“千”(kbit/s或kbps)，“兆”(Mbit/s或Mbps)，“吉”(Gbit/s或 Gbps) 和“太”(Tbit/s或Tbps)。

   类似解释举不胜举，但是，波特率和比特率到底有什么区别呢？

   个人比较倾向于维基的解释，但是仍存在一个疑惑：波特率是符号传输速率的度量，比特率是信息传输速率的度量。两者之间仅传输对象不同，那么符号和信息之间真的有区别么？

    个人认为：通常在通信和计算机领域内，采用的是二进制传输信号，即使是符号也是转化成二进制信息来传送的（比如字符采用ASCII码描述）。那么，如果我 们采用三进制传输信号呢（比如用高电平，0，低电平三种状态）？那么此时传输同等信息量时的比特率是不是采用二进制时的1.5倍呢？假如我们采用八进制或 者十六进制传输信号呢？其实，从上面的公式Ⅰ就可以看出来，比特率（传信率）和波特率之间就差了一个实系数log₂N，这是一个无量纲的量，也就是一个跟采用的调制方法（进制）相关的量。那么，从这个意义上讲，比特率只是波特率在采用二进制时的一个特例。

------------------------------------------------------------

在电子通信领域，波特率即调制速率，指的是信号被调制以后在单位时间内的波特数，即单位时间内载波参数变化的次数。它是对信号传输速率的一种度量，通常以“波特每秒”（Bps）为单位。
波特率有时候会同比特率混淆，实际上后者是对信息传输速率（传信率）的度量。波特率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数（传符号率），通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息。

严谨定义：
.比特率
在数字信道中，比特率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒 千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示(此处K和M分别为1000和1000000，而不是涉及计算机存储器容量时的1024和 1048576)。

.波特率
波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，其单位为波特(Baud)。 波特率与比特率的关系为：比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数。

如何区分两者？
显然，两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍；依次类推。