傳輸速率和頻寬介紹

前言
在現代網路技術中，人們經常用「頻寬」來表示通道的資料傳輸速率。「頻寬」和「速率」幾乎成了同義詞，因為通訊通道的最大傳輸速率與通道頻寬之間有著明確的關係。因此，人們可以用「頻寬」來替代「速率」。例如，人們常用網路的「高頻寬」來表達「高資料傳輸速率」。因此，在網路科技的討論中，「頻寬」和「速率」幾乎是同義詞。今天，我們來了解它們之間的關係。
什麼是頻道
頻道（Channel）是對一個特定頻段的進一步細分。它就像是頻段這條高速公路上的車道，用於在特定頻率上發送和接收無線信號。為了避免不同設備之間的信號干擾，頻段被劃分成多個頻道。每個頻道代表一個特定的頻率範圍。

舉例：

2.4GHz頻段：通常包含14個頻道（如1-13，依不同地區規定有所不同），但實際上只有少數幾個非重疊頻道（通常是1、6、11）能有效避免鄰近網路間的干擾

5GHz頻段：提供更多頻道選擇，因此更不容易發生頻道重疊和干擾問題。5GHz頻段的頻道劃分因地區法規而異，但通常提供的頻道數量遠超過2.4GHz頻段，並支援更高的頻寬模式，如80MHz或160MHz

頻道頻寬： “車道上的車輛通行能力”

頻道頻寬（Channel Bandwidth）指的是通訊頻道能夠有效傳輸訊號的頻率範圍，單位通常是赫茲（Hz）。更寬的頻寬意味著通道能夠承載更多的頻率成分，這在理論上允許更高的資料傳輸速率。頻寬限制了訊號的傳遞能力，就像一條道路的寬度限制了車輛的通行能力。

常見的頻道頻寬有20MHz、40MHz、80MHz甚至160MHz等。較寬的頻道頻寬可以提供更高的資料傳輸速度，但也可能帶來更多的干擾，導致更短的傳輸距離。

在Wi-Fi通訊中，每個頻道的頻寬是22MHz，但實際有效的頻寬是20MHz，其中有2MHz是隔離頻帶，主要起保護作用。

就像在高速公路上開車，車速受多種因素影響，主要取決於車道設計是否合理。即使是設計時速300公里的瑪莎拉蒂跑車，在鄉下的狹窄道路上也無法發揮其性能。同樣，車輛本身的品質也至關重要，線材的導體和特性設計等都會直接影響性能。可以參考之前的高頻課程，高頻數據線與製造過程參數控制的關係課件。

專業書籍在介紹時通常這樣寫：信道在單位時間內可以傳輸的最大比特數，信道容量和通道頻寬具有正比關係：頻寬越大，容量越大。理論上，4M寬頻的計算公式是：4*1024/8 = 512K/s，也就是說，理論情況下4M寬頻網路的下載速度最高可以達到512K/s
通道容量：指通道在單位時間內可以傳輸的最大訊號量，表示通道的傳輸能力。通道容量有時也表示為單位時間內可傳輸的二進位位元數（稱為通道的資料傳輸速率或位元速率），以位元/秒（b/s）形式表示，簡記為bps。

傳輸速率與頻寬的關係

傳輸速率（Data Transfer Rate或Bit Rate）是指單位時間內透過通道傳輸的資訊量，通常以位元每秒（bps）為單位來衡量。例如，通常所說的2M是指2兆位元每秒（即2Mbit/s）。傳輸速率關乎實際能夠傳遞的數據量，是評估通訊系統效率的關鍵指標。傳輸速率主要受通道頻寬和頻率影響。頻寬越大，傳輸速率越大；頻率越高，傳輸速率越大。

頻率：視訊訊號傳輸一般採用直接調變技術，以基頻頻率（約8MHz頻寬）的形式進行。最常用的傳輸介質是同軸電纜，同軸電纜專門設計用來傳輸視訊訊號，其頻率損失、影像失真和影像衰減的幅度都比較小，能很好地完成視訊訊號的傳輸任務。然而，現在採用對絞線版本也可以解決音視頻傳輸問題，因此在很多場合會考慮對絞線版本以降低成本。

對於差分對的傳輸線，傳輸速率或頻寬（Mbps）=時脈頻率（MHz）位寬通道數每時脈傳輸資料組數（cycle）。例如，480Mbps=240MHz112，每個時脈週期傳送2次資料（這與編碼方式有關，USB為NRZI）。

也就是說，當傳輸速率為480Mbps時，對應的時脈頻率為240MHz，而這個240MHz的時脈頻率是USB晶片內部晶振經過倍頻得到的，實際USB晶振有12MHz、24MHz、48MHz等。

頻道可以不失真地傳輸訊號的頻率範圍，為不同應用而設計的傳輸媒體具有不同的通道質量，所支援的頻寬也有所不同。

簡單來說，這就像我們修建的高速公路。如果一條車道代表一個頻寬，那麼多條車道的頻寬就是各車道頻寬的總和。對於USB數據線來說，每個通道有兩個差分對，一個用於發送，另一個用於接收。PCIe也是全雙工通信，能同時發送和接收數據，通道的定義也符合這一點。

下圖為USB Type-C母座，共有兩個通道，即高速通道0和高速通道1，我們稱之為Lane 0 Adapter和Lane 1 Adapter。這裡的適配器可以理解為訊號轉換器。USB是全雙工通信，每個通道有兩個差分對，一個用於發送，另一個用於接收。即差分對TX1+和TX1-用於發送數據，差分對RX2+和RX2-用於接收數據，兩個差分對組成高速通道0，即Lane 0 Adapter。同理，差分對RX2+和RX2-用於接收數據，差分對TX2+和TX2-用於發送數據，兩個差分對組成高速通道1，即Lane 1 Adapter。與Lane 0 Adapter和Lane 1 Adapter連接的通道稱為Lane 0和Lane 1。

單通道模式下，只有Lane 0和Lane 1其中一個用於傳輸USB數據，另一個用作其他用途。例如，USB 3.2 Gen 1和USB 3.2 Gen 2都是透過單一通道來傳輸資料的。USB 3.2 Gen 1的傳輸速度為5Gbps，因為單通道是發送和接收同時進行，所以傳輸速度指的是發送或接收中的一個速度。以Lane 0為例，TX1+、TX1-和RX2+、RX2-這兩個差分對，Lane 0的傳輸速度指的是TX1+、TX1-差分通道的速度為5Gbps，或者RX2+、RX2-差分通道的速度為5Gbps。用Lane 1傳輸資料時，速度同理。

USB 3.2 Gen 2的傳輸速度為10Gbps，相較於USB 3.2 Gen 1翻倍。這意味著USB 3.2 Gen 2通過Lane 0的發送或接收的差分通道傳輸速度翻倍為10Gbps，同理，用Lane 1傳輸資料時，發送或接收的差分通道傳輸速度也是10Gbps。

 

雙通道模式是指同時使用Lane 0和Lane 1來傳輸USB資料。例如，USB 3.2的USB 3.2 Gen 1x2和USB 3.2 Gen 2x2，以及USB4的USB4 Gen2x2和USB4 Gen3x2，都是透過雙通道來傳輸資料的。如何判斷是單通道模式還是雙通道模式？「Gen」後面的數字如果帶有「x2」字樣，就表示雙通道模式；如果沒有「x2」字樣或寫的是"x1"字樣，就表示單通道模式。

同一個USB版本規範中，雙通道模式的傳輸速度是單通道模式的兩倍。例如，USB 3.2 Gen 1x2的傳輸速度是USB 3.2 Gen 1的兩倍，因為USB 3.2 Gen 1只使用了一個5Gbps的通道來傳輸資料，而USB 3.2 Gen 1x2使用了兩個5Gbps的通道，所以傳輸速度達到了10Gbps。單通道傳輸的USB 3.2 Gen 2的傳輸速度是在USB 3.2 Gen 1（5Gbps）基礎上翻倍，達到10Gbps。同理，雙通道傳輸的USB 3.2 Gen 2x2的傳輸速度自然是USB 3.2 Gen 2的兩倍，即20Gbps。

USB4的USB4 Gen2x2是雙通道傳輸，維持了USB 3.2 Gen 2x2相同的傳輸速度20Gbps。USB4的USB4 Gen3x2也是雙通道傳輸，在USB4 Gen2x2基礎上翻倍，達到40Gbps。

從USB 3.2開始，只支援USB Type-C接口，不再支援Type-A和Type-B接口。這是因為USB 3.2開始定義了USB資料傳輸的雙通道模式，即兩組差分對用來發送，兩組差分對用來接收，需要4組差分對，而只有USB Type-C接口能提供4組差分線。單通道模式是一組差分對用來傳送，一組差分對用來接收。Type-A和Type-B接口只能提供2對差分線，只適用於單通道模式。因此，因為引入了雙通道傳輸USB資料的模式，USB 3.2及之後的USB4都只能支援USB Type-C接口。

傳輸速率和頻寬的關係可以總結如下：

定義與單位：

頻寬：指網路中資料傳輸能力的最大值，通常以位元每秒（bps）為單位。例如，100 Mbps的頻寬表示網路每秒最多可傳輸100兆位元的資料。

傳輸速率：指裝置在單位時間內傳輸資料的能力，通常以位元每秒（bps）或兆位元組每秒（MB/s）為單位。例如，100 Mbps的傳輸速率表示裝置每秒可以傳輸100兆位元的數據。
 

實際應用中的關係：

頻寬與速率：頻寬是理論上的最大傳輸能力，而傳輸速率是實際應用中的表現。實際傳輸速率通常受到多種因素的限制，如網路擁塞、協定開銷、實體距離和設備效能等。

計算實際傳輸速度：實際傳輸速度可以透過公式「實際速度 = 頻寬 * 利用率」來估算，其中利用率受到網路環境、協定和設備限制的影響。一般情況下，利用率在50%-80%之間波動。例如，在100 Mbps的頻寬下，實際速度可能為50-80 Mbps。以USB 3.1為例，其標稱的介面理論速率是10Gbps，但部分頻寬用以支援其他功能，因此實際的有效頻寬大約為7.2Gbps，理論傳輸速度應該可以達到900MB/s。目前業界普遍認為，USB 3.1介面還有很大的提升空間，至少應該達到800MB/s的水平。

頻寬越大網路速度越快：雖然頻寬越大，理論上的最大傳輸能力越高，但實際傳輸速度還受到其他多種因素的影響，因此頻寬並不是唯一決定因素。

頻寬和傳輸速率是衡量網路效能的兩個重要指標，它們之間存在理論上的關係，但在實際應用中，實際傳輸速度還會受到多種因素的影響。