頻寬

頻寬

頻寬通常指信號所佔據的頻頻寬度;在被用來描述信道時,頻寬是指能夠有效通過該信道的信號的最大頻頻寬度。對于模擬信號而言,頻寬又稱為頻寬,以赫茲(Hz)為單位。例如模擬語音電話的信號頻寬為3400Hz,一個PAL-D電影片道的頻寬為8MHz(含保護頻寬)。對于數位信號而言,頻寬是指單位時間內鏈路能夠通過的資料量。例如ISDN的B信道頻寬為64Kbps。由于數位信號的傳輸是通過模擬信號的調製完成的,為了與模擬頻寬進行區分,數位信道的頻寬一般直接用波特率或符號率來描述。頻寬在資訊理論、無線電、通信、信號處理和波譜學等領域都是一個核心概念。
  • 中文名稱
    頻寬
  • 外文名稱
    band width
  • 又稱
    頻寬
  • 表示
    bps、bit或Hz

基本簡介

頻寬(band width)又叫頻寬,是指在固定的時間可傳輸的資料數量,亦即在傳輸通路中可以傳遞資料的能力。在數位設備中,頻寬通常以bps表示,即每秒可傳輸之位數。在模擬設備中,頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲 (Hz)來表示。

主要特點

表示頻頻寬度  

信號的頻寬是指該信號所包含的各種不同頻率成分所佔據的頻率範圍。頻寬對基本輸出入系統 (BIOS ) 設備尤其重要,如快速磁碟驅動器會受低頻寬的匯流排所阻礙。

表示通信線路所能傳送資料的能力  

在單位時間內從網路中的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”。對于頻寬的概念,比較形象的一個比喻是高速公路。單位時間內能夠線上路上載送的資料量,常用的單位是bps(bit per second)。電腦網路的頻寬是指網路可通過的最高資料率,即每秒多少比特。

頻寬

嚴格來說,數位網路的頻寬應使用波特率來表示(baud),表示每秒的脈沖數。而比特是信息單位,由于數位設備使用二進位,則每位電平所承載的信息量是1(以2為底2的對數,如果是四進位,則是以2為底的4的對數,每位電平所承載的信息量為2)。因此,在數值上,波特與比特是相同的。由于人們對這兩個概念分的並不是很清楚,因此常使用比特率來表示速率,也正是用比特的人太多,所以比特率也就成了一個頻寬事實的標準叫法了。

1000bit/s=1Kbit/s

1000Kbit/s=1Mbit/s

1000Mbit/s=1Gbit/s

描述頻寬時常常把“比特/秒”省略。例如,頻寬是1M,實際上是1Mb/s,這裏的Mb是指1000*1000位,轉換成位元組就是(1000*1000)/8=125000位元組(Byte)=125KB/s。

在網路中有兩種不同的速率:

1、信號(即電磁波)在傳輸媒體上的傳播速率(米/秒,或公裏/秒)

2、電腦向網路傳送比特的速率(比特/秒)

這兩種速率的意義和單位完全不同。

在理解頻寬這個概念之前,我們首先來看一個公式:頻寬=時鍾頻率x匯流排位數/8,從公式中我們可以看到,頻寬和時鍾頻率、匯流排位數是有著非常密切的關系的。其實在一個電腦系統中,不僅顯示器、記憶體有頻寬的概念,在一塊板卡上,頻寬的概念就更多了,完全可以說是頻寬無處不在。

那到底什麽是頻寬呢?頻寬的意義又是什麽?簡單的說,頻寬就是傳輸速率,是指每秒鍾傳輸的最大位元組數(B/S),即每秒處理多少位元組,高頻寬則意味著系統的高處理能力。為了更形象地理解頻寬、位寬、時鍾頻率的關系,我們舉個比較形象的例子,工人加工零件,如果一個人幹,在大家單個加工速度相同的情況下,肯定不如兩個人幹的多,頻寬就像是加工零件的總數量,位寬仿佛工人數量,時鍾工作頻率相當于加工單個零件的速度,位寬越寬,時鍾頻率越高則匯流排頻寬越大,其好處也是顯而易見的。

主機板上通常會有兩塊比較大的晶片,一般將靠近CPU的那塊稱為北橋,遠離CPU的稱為南橋。北橋的作用是在CPU與記憶體、顯示卡之間建立通信接口,它們與北橋連線的頻寬大小很大程度上決定著記憶體與顯示卡效能的大小。南橋是負責電腦的I/O設備、PCI設備和硬碟,對頻寬的要求,相比較北橋而言,是要小一些的。而南北橋之間的連線頻寬一般就稱為南北橋頻寬。隨著電腦越來越向多媒體方向發展,南橋的功能也日益強大,對于南北橋間的連線匯流排頻寬也是提出了新的要求,在INTEL的9X5系列主機板上,南北橋的頻寬將從以前一直為人所詬病的266MB/S發展到空前的2GB/S,一舉解決了南北橋間的頻寬瓶頸。

頻寬

頻寬是顯示器非常重要的一個參數,能夠決定顯示器性能的好壞。所謂頻寬是顯示器影片放大器通頻頻寬度的簡稱,一個電路的頻寬實際上是反映該電路對輸入信號的回響速度。頻寬越寬,慣性越小,回響速度越快,允許通過的信號頻率越高,信號失真越小,它反映了顯示器的解像能力。該數位越大越好。

頻寬是代表顯示器顯示能力的一個綜合指標,指每秒鍾所掃描的圖素個數,即單位時間內每條掃描線上顯示的頻點數總和,以MHz為單位。頻寬越大表明顯示控製能力越強,顯示效果越佳。

頻寬的詳細計算公式如下:理論上頻寬 B=r(x) ×r(y) ×V

r(x)表示每條水準掃描線上的圖素個數

r(y)表示每幀畫面的水準掃描線數

V 表示每秒畫面重新整理率(即場頻)

B 表示頻寬

再來說說顯示卡,玩遊戲的朋友都曉得,當玩一些大製作遊戲的時候,畫面有時候會卡的比較厲害。其實這就是顯示卡頻寬不足的問題,再具體點說,這是顯存頻寬不足。眾所周知,目前當道的AGP接口是AGP 8X,而AGP匯流排的頻率是PCI匯流排的兩倍,也就是66MHz,很容易就可以換算出它的頻寬是2.1GB/S,在目前的環境下,這樣的頻寬就顯得很微不足道了,因為連最普通的ATI R9000的顯存頻寬都要達到400MHZ X 128Bit/8=6.4GB/s,其餘的高端顯示卡更是不用說了。正因為如此,INTEL在最新的9X5晶片組中,採用了PCI-Express匯流排來替代老態龍鍾的AGP匯流排,與傳統PCI以及更早期的電腦匯流排的共享並行架構相比,PCI Express最大的特點是在設備間採用點對點串列連線,如此一來即允許每個設備都有自己的專用連線,不需要向整個匯流排請求頻寬,同時利用串列的連線特點將能輕松將資料傳輸速度提到一個很高的頻率。在傳輸速度上,由于PCI Express支持雙向傳輸模式,因此連線的每個裝置都可以使用最大頻寬。AGP所遇到的頻寬瓶頸也迎刃而解。

頻寬

基本術語

匯流排中的頻寬

在電腦系統中,匯流排的作用就好比是人體中的神經系統,它承擔的是所有資料傳輸的職責,而各個子系統間都必須籍由匯流排才能通訊,例如,CPU和北橋間有前端匯流排、北橋與顯示卡間為AGP匯流排、晶片組間有南北橋匯流排,各類擴展設備通過PCI、PCI-X匯流排與系統連線;主機與外部設備的連線也是通過匯流排進行,如目前流行的USB2.0、IEEE1394匯流排等等,一句話,在一部電腦系統內,所有資料交換的需求都必須通過匯流排來實現!

按照工作模式不同,匯流排可分為兩種類型,一種是並行匯流排,它在同一時刻可以傳輸多位資料,好比是一條允許多輛車並排開的寬敞道路,而且它還有雙向單向之分;另一種為串列匯流排,它在同一時刻隻能傳輸一個資料,好比隻容許一輛車行走的狹窄道路,資料必須一個接一個傳輸、看起來仿佛一個長長的資料串,故稱為“串列”。

並行匯流排和串列匯流排的描述參數存在一定差別。對並行匯流排來說,描述的性能參數有以下三個:匯流排寬度、時鍾頻率、資料傳輸頻率。其中,匯流排寬度就是該匯流排可同時傳輸資料的位數,好比是車道容許並排行走的車輛的數量;例如,16位匯流排在同一時刻傳輸的資料為16位,也就是2個位元組;而32位匯流排可同時傳輸4個位元組,64位匯流排可以同時傳輸8個位元組......顯然,匯流排的寬度越大,它在同一時刻就能夠傳輸更多的資料。不過匯流排的位寬無法無限製增加。

匯流排的頻寬指的是這條匯流排在單位時間內可以傳輸的資料總量,它等于匯流排位寬與工作頻率的乘積。例如,對于64位、800MHz的前端匯流排,它的資料傳輸率就等于64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s;32位、33MHzPCI匯流排的資料傳輸率就是32bit×33MHz÷8=133MB/s,等等,這項法則可以用于所有並行匯流排上面——看到這裏,讀者應該明白我們所說的匯流排頻寬指的就是它的資料傳輸率,其實“匯流排頻寬”的概念同“電路頻寬”的原始概念已經風馬牛不相及。

頻寬

對串列匯流排來說,頻寬和工作頻率的概念與並行匯流排完全相同,隻是它改變了傳統意義上的匯流排位寬的概念。在頻率相同的情況下,並行匯流排比串列匯流排快得多,那麽,為什麽現在各類並行匯流排反而要被串列匯流排接替呢?原因在于並行匯流排雖然一次可以傳輸多位資料,但它存在並行傳輸信號間的幹擾現象,頻率越高、位寬越大,幹擾就越嚴重,因此要大幅提高現有並行匯流排的頻寬是非常困難的;而串列匯流排不存在這個問題,匯流排頻率可以大幅向上提升,這樣串列匯流排就可以憑借高頻率的優勢獲得高頻寬。而為了彌補一次隻能傳送一位資料的不足,串列匯流排常常採用多條管線(或通道)的做法實現更高的速度——管線之間各自獨立,多條管線組成一條匯流排系統,從表面看來它和並行匯流排很類似,但在內部它是以串列原理運作的。對這類匯流排,頻寬的計算公式就等于“匯流排頻率×管線數”,這方面的例子有PCIExpress和HyperTransport,前者有×1、×2、×4、×8、×16和×32多個版本,在第一代PCIExpress技術當中,單通道的單向信號頻率可達2.5GHz,我們以×16舉例,這裏的16就代表16對雙向匯流排,一共64條線路,每4條線路組成一個通道,二條接收,二條傳送。這樣我們可以換算出其匯流排的頻寬為2.5GHz×16/10=4GB/s(單向)。除10是因為每位元組採用10位編碼。

記憶體中的頻寬

除匯流排之外,記憶體也存在類似的頻寬概念。其實所謂的記憶體頻寬,指的也就是記憶體匯流排所能提供的資料傳輸能力,但它決定于記憶體晶片和記憶體模組而非純粹的匯流排設計,加上地位重要,往往作為單獨的對象討論。

頻寬

SDRAM、DDR和DDRⅡ的匯流排位寬為64位,RDRAM的位寬為16位。而這兩者在結構上有很大區別:SDRAM、DDR和DDRⅡ的64位匯流排必須由多枚晶片共同實現,計算方法如下:記憶體模組位寬=記憶體晶片位寬×單面晶片數量(假定為單面單物理BANK);如果記憶體晶片的位寬為8位,那麽模組中必須、也隻能有8顆晶片,多一枚、少一枚都是不允許的;如果晶片的位寬為4位,模組就必須有16顆晶片才行,顯然,為實現更高的模組容量,採用高位寬的晶片是一個好辦法。而對RDRAM來說就不是如此,它的記憶體匯流排為串聯架構,匯流排位寬就等于記憶體晶片的位寬。

和並行匯流排一樣,記憶體的頻寬等于位寬與資料傳輸頻率的乘積,例如,DDR400記憶體的資料傳輸頻率為400MHz,那麽單條模組就擁有64bit×400MHz÷8(Byte)=3.2GB/s的頻寬;PC800標準RDRAM的頻率達到800MHz,單條模組頻寬為16bit×800MHz÷8=1.6GB/s。為了實現更高的頻寬,在記憶體控製器中使用雙通道技術是一個理想的辦法,所謂雙通道就是讓兩組記憶體並行運作,記憶體的總位寬提高一倍,頻寬也隨之提高了一倍!頻寬可以說是記憶體性能最主要的標志,業界也以記憶體頻寬作為主要的分類標準,但它並非決定性能的唯一要素,在實際套用,記憶體延遲的影響並不亞于頻寬。如果延遲時間太長的話相當不利,此時即便頻寬再高也無濟于事。

頻寬匹配的問題

電腦系統中存在形形色色的匯流排,這不可避免帶來匯流排速度匹配問題,其中最常出問題的地方在于前端匯流排和記憶體、南北橋匯流排和PCI匯流排。

前端匯流排與記憶體匹配與否對整套系統影響最大,最理想的情況是前端匯流排頻寬與記憶體頻寬相,而且記憶體延遲要盡可能低。在Pentium4剛推出的時候,Intel採用RDRAM記憶體以達到同前端匯流排匹配,但RDRAM成本昂貴,嚴重影響推廣工作,Intel曾推出搭配PC133SDRAM的845晶片組,但SDRAM僅能提供1.06GB/s的頻寬,僅相當于400MHz前端匯流排頻寬的1/3,嚴重不匹配導致系統性能大幅度下降;後來,Intel推出支持DDR266的845D才勉強好轉,但仍未實現與前端匯流排匹配;接著,Intel將P4前端匯流排提升到533MHz、頻寬成長至5.4GB/s,雖然配套晶片組可支持DDR333記憶體,可也僅能滿足1/2而已;現在,P4的前端匯流排提升到800MHz,而配套的865/875P晶片組可支持雙通道DDR400——這個時候才實現匹配的理想狀態,當然,這個時候繼續提高記憶體頻寬意義就不是特別大,因為它超出了前端匯流排的接收能力。

南北橋匯流排頻寬曾是一個尖銳的問題,早期的晶片組都是通過PCI匯流排來連線南北橋,而它所能提供的頻寬僅僅隻有133MB/s,若南橋連線兩個ATA-100硬碟、100M網路、IEEE1394接口......區區133MB/s頻寬勢必形成嚴重的瓶頸,為此,各晶片組廠商都發展出不同的南北橋匯流排方案,如Intel的Hub-Link、VIA的V-Link、SiS的MuTIOL,還有AMD的HyperTransport等等,目前它們的頻寬都大大超過了133MB/s,最高紀錄已超過1GB/s,瓶頸效應已不復存在。

PCI匯流排頻寬不足還是比較大的矛盾,目前PC上使用的PCI匯流排均為32位、33MHz類型,頻寬133MB/s,而這區區133MB/s必須滿足網路、硬碟控製卡(如果有的話)之類的擴展需要,一旦使用千兆網路,瓶頸馬上出現,業界打算自2004年開始以PCIExpress匯流排來全面取代PCI匯流排,屆時PCI頻寬不足的問題將成為歷史。

其他資料

波特率的俗稱

在數位通信系統中,頻寬有兩種含義。從技術意義上來說,它是波特率的俗稱,波特率是系統傳輸資料符號的速度;口語中它也用來表示信道容量,信道容量是系統能夠傳輸資料位的速度(參見Shannon Limit)。這樣,有32 條獨立資料線的66MHz 數位匯流排可以恰當地說成是66MHz 頻寬、2.1Gbit/s 的資料傳輸能力,但是對于匯流排“頻寬 2.1Gbit/s”這樣一種說法這也不應感到奇怪。對于模擬的數據機來說也有同樣的問題,對它來說,每個符號攜帶多位的信息所以通過頻寬12kHz 的電話線 能夠傳輸56kbit/s 的信息。

在離散時間系統和數位信號處理中,根據Nyquist-Shannon 採樣定理頻寬與採樣率有關。

頻寬也用于日常生活中用表示某些有限的或者花費金錢的東西。這樣,通信消耗頻寬,不合理地使用其它人的頻寬可以稱為 bandwidth theft。

Web Hosting

一些虛擬主機服務商會給頻寬以不同的含義。再這裏,頻寬幾乎變成了一個流量概念。意思是指定時間內的下行資料總量。意味著如果一個Web Hosting公司給你2GB每月的頻寬,那麽意味著你的使用者每月隻能最多下載2GB的內容。在網站托管,頻寬是大量的信息下載,從網路伺服器超過訂明的一段時間。在本質上講,它是率[資料/時間] ,但時間,在這種情況下,是不是秒,而是一個月或一個星期。因此,這個比率是不喜歡的56 K或寬頻等,這亦是頻寬,但衡量每秒。網路托管公司經常引用的每月頻寬限製的網站,例如2gb/month 。如果遊客到網站下載一個總大于2 GB的在一個月,頻寬的限製將被超出。

天線的頻寬

每個天線都有其中心工作頻率,在偏離中心工作頻率時,天線的某些電性能將會下降,電性能下降到容許值的頻率範圍,就是天線的頻寬。

得到更多匯流排頻寬的方法

根據頻寬的計算公式,一般會採取兩種辦法,一是增加匯流排速度,比如INTEL的P4 CPU和賽揚CPU就是最好的例子,一個是400匯流排,一個是533/800匯流排,在實際套用的效能就有了很大的區別(當然,二級快取也是一個重要的因素)。另外一個常用的方法是增加匯流排的寬度,如果當它的時鍾速度一樣時,匯流排的寬度增加一倍,那麽盡管時鍾下降沿同未改變之前是相同而此時每次下降沿所傳輸的資料量卻是以前的兩倍,這一點在相同核心,但是顯存位寬卻不一樣的顯示卡上表現特別明顯。

人力資源管理中的頻寬

所謂“頻寬”就是指各等級薪資的最大值與最小值之差,又將其成為薪值的分布區間。一般而言,由于職位高低不同,職位或職層所涉及技能與職責的復雜性程度也會有所不同,因此,各職等級的薪資頻寬也就應該有所不同(薪資頻寬應當能反應一個職位或職層的任職者由一個初入者到能力與業績十分突出者所需要的難度大小)。如果職位或職層所涉及的技能與職責能在較短時間內得以掌握,則此等級薪資的頻寬較窄;而如果職位或職層所涉及的技能和職責需要學習的時間較長,繼續提升的機會也較小,則其相應的頻寬較大。根據這個理論,變革者在設計職等頻寬時應當堅持的原則是:職等越高,其頻寬就應越大,因為職等越高,任職者勝任的速度就越慢。

感測器中的頻寬

在採用正弦輸入研究感測器頻率動態特徵時,常用頻率特徵和相頻特徵來描述感測器的動態特徵,其重要指標是頻頻寬度,簡稱頻寬。

通訊中的頻寬

在通訊和網路領域,頻寬的含義又與上述定義存在差異,它指的是網路信號可使用的最高頻率與最低頻率之差、或者說是“頻帶的寬度”,也就是所謂的“Bandwidth”、“信道頻寬”——這也是最嚴謹的技術定義。

在100M乙太網之類的銅介質布線系統中,雙絞線的信道頻寬通常用MHz為單位,它指的是信噪比恆定的情況下允許的信道頻率範圍,不過,網路的信道頻寬與它的資料傳輸能力(單位Byte/s)存在一個穩定的基本關系。我們也可以用高速公路來作比喻:在高速路上,它所能承受的最大交通流量就相當于網路的資料運輸能力,而這條高速路允許形成的寬度就相當于網路的頻寬。顯然,頻寬越高、資料傳輸可利用的資源就越多,因而能達到越高的速度;除此之外,我們還可以通過改善信號質量和消除瓶頸效應實現更高的傳輸速度。

網路頻寬與資料傳輸能力的正比關系最早是由貝爾實驗室的工程師ClaudeShannon所發現,因此這一規律也被稱為Shannon定律。而通俗起見普遍也將網路的資料傳輸能力與“網路頻寬”完全等同起來,這樣“網路頻寬”表面上看與“匯流排頻寬”形成概念上的統一,但這兩者本質上就不是一個意思、相差甚遠。

其他術語

顯示器中的頻寬

頻寬(Bandwidth)是顯示器的一個重要指標。它是指電子槍在一秒鍾內掃描過像素(Pixel)的總個數,即單位時間內所有水準掃描線上顯示出的像素個數之總和,單位是MHz。頻寬頻率越高圖像清晰度更好。許多廠商對“頻寬”指標多為回避態度,這是因為頻寬指標的提高非常困難,既有成本上製約,也有技術上製約。    

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