Какова связь между полосой на проводе и частотой?

Я пытаюсь научиться работать в сети (в настоящее время Link - Physical Layer); это самообучение.

Я очень смущен одной конкретной вещью:

Предположим, я хочу отправить данные по проводам примерно так:

01010101, где это будет выглядеть как сигнал:

__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾

Хорошо, данные, которые должны быть отправлены, должны быть представлены сигналом, и сигналом в этой ситуации является «изменение напряжения» на линии связи / проводе (предположим, что мы используем кабели, а не беспроводную связь).

Итак, Фурье доказал, что при достаточном количестве частот сигнал может быть представлен довольно хорошо.

Подобно:

Я до сих пор не понимаю отношения между сигналом на проводе и частотами.

Определение частоты: количество повторений события за единицу времени. Так что же повторяется в проводе за единицу времени?

Также, например, для линии DSL, для мультиплексирования с частотным разделением, поскольку нескольким пользователям будет выделена меньшая частота, будет меньше пропускной способности на пользователя на данном канале / проводе. Что значит выделить меньшую частоту на проводе? Меньше повторения чего?

Много ли частот доступно на проводе? Если есть (скажем, от 0 до 1 мегагерц), могу ли я представить вышеупомянутое, используя диапазон от 0 до 100 ИЛИ от 100 до 200 ИЛИ от 500 до 1000? Почему у меня больше пропускной способности, если я использую больше частот?

Модуляция и символ s

количество повторений события за единицу времени. Так что же повторяется в проводе за единицу времени?

Образцы напряжения на проводе повторяются.

В очень простых системах связи, вы могли бы цикл напряжения постоянного тока линии по выше или ниже порогового значения, как показано в вашем ASCII-арт ... __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾. Предположим, ваши пороги + 5 В и -5 В постоянного тока; модулирование двоичных данных через два напряжения постоянного тока будет давать только один бит на уровень напряжения (каждый переход напряжения называется символом в промышленности).

Переходы напряжения постоянного тока не являются единственным способом представления данных на проводе, как вы упомянули, вы можете модулировать напряжение сигнала на заданной частоте или переключаться между двумя частотами для модуляции данных. На этом рисунке показано, как одни и те же __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾переходы представлены с помощью амплитудной модуляции (AM) и частотной модуляции (FM).

Более сложные системы, которые передаются на большие расстояния, используют более сложные схемы модуляции , такие как FDM или QPSK , для упаковки большего количества данных в заданную полосу пропускания по проводам.

Вообще говоря, вы можете модулировать, используя комбинации:

• амплитудное
• частота
• Сдвиг по фазе (по отношению к опорной несущей, или часы).

Битрейт и спектральная эффективность

Много ли частот доступно на проводе? Если есть (скажем, от 0 до 1 мегагерц), могу ли я представить вышеупомянутое, используя диапазон от 0 до 100 ИЛИ от 100 до 200 ИЛИ от 500 до 1000? Почему у меня больше пропускной способности, если я использую больше частот?

Давайте просто рассмотрим систему частотной модуляции, которая имеет два состояния на проводе ...

• 0 символ представлен 1KHz
• 1 символ представлен 2,5 кГц

Эта схема модуляции требует 1,5 кГц полосы пропускания на проводе. Однако это ничего не говорит о передаваемой скорости передачи (которая, как ни странно, также известна как «пропускная способность», но давайте не будем использовать перегруженный термин).

Одна из причин, по которой FM-система может располагаться на расстоянии 0 и 1 символ с интервалом 1,5 кГц, заключается в том, что существуют пределы того, насколько хорошо, как быстро и насколько экономно модем может измерять изменения частоты в проводе.

• То, насколько хорошо модем может измерять изменения частоты, является одним из факторов, определяющих, какая полоса пропускания требуется для соединения.
• Как быстро модем может измерять частоту (или другой символ ) меняет диски , как высоко в модеме «сек скорость передачи данных будет
• Экономика играет большую роль, потому что вы, возможно, сможете построить систему, которая обладает чрезвычайно высокой спектральной эффективностью , но если никто не может себе этого позволить, то это не реально выполнимое решение.

Как правило, вы можете создавать более быстрые и более дешевые модемы, если у вас больше пропускной способности.

Изменить: комментарий комментарий

Я изучил ваш ответ, но я все еще смущен некоторыми вещами. Насколько я понимаю, я могу отправлять только 1 и 0 по проводам. Поэтому, если для этого достаточно 1,5 кГц, зачем мне использовать большую полосу пропускания?

Я рассмотрел вопрос в последнем разделе, но давайте продолжим с примером модуляции FM. Реальные системы должны учитывать чувствительность приемника и такие факторы, как то, насколько хорошо может быть реализован полосовой фильтр .

Предположим, что полоса пропускания 1,5 кГц, доступная модему, дает только 9600 бод, и этого недостаточно; тем не менее, вы можете создать достаточно быстрый модем с частотой 20 кГц (возможно, вам понадобится 56 кбод).

Почему 20 кГц лучше? Из-за реалий и несовершенных наклонов полосовых фильтров и других компонентов вам может понадобиться такая большая полоса пропускания для реализации правильной модуляции и линейного кода . Может быть, с 20 кГц, вы могли бы реализовать схему QAM , которая давала бы вам 3 бита на символ , в результате чего максимальная скорость была 9600 * 8 или 76,8 кБод (примечание: 2 ** 3 = 8)

Вы задаете хорошие вопросы, но это очень сложно объяснить, не разбираясь в духе реального дизайна. Если вы читали некоторые книги по электронике о конструкции приемника или проходили курсы по электротехнике, этот материал охватывается.

Майк предложил отличный ответ, но не совсем то, что вы спрашивали.

Полоса пропускания , по определению, представляет собой диапазон частот, измеряемый в Гц.

Как вы сказали, сигнал __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾может быть разбит (используя Фурье) на кучу частот. Скажем, мы разбили его и увидели, что наш сигнал (в основном) состоит из частот 1 МГц, 1,1 МГц, 1,2 МГц, 1,3 МГц ... до 2 МГц. Это означает, что наш сигнал имеет полосу пропускания 1 МГц .

Теперь мы хотим отправить его через канал, такой как медный провод или оптоволокно. Итак, сначала поговорим немного о каналах.

Говоря о полосе пропускания в каналах, мы фактически говорим о полосе пропускания в полосе пропускания, которая описывает диапазон частот, которые канал может нести с небольшим искажением. Скажем, у меня есть канал, который может передавать только сигналы, частота которых находится между f1 и f2. Его частотная характеристика (реакция канала на сигналы разных частот) может выглядеть примерно так:

Пропускная способность канала зависит от физических свойств канала, поэтому медный провод будет иметь разную пропускную способность по сравнению с беспроводным каналом и оптическим волокном. Вот , например, таблица из Википедии, в которой указана пропускная способность различных кабелей витой пары.

Если наш примерный канал имеет полосу пропускания 1 МГц, то мы можем довольно легко использовать его для отправки сигнала с полосой пропускания 1 МГц или менее. Сигналы с более широкой полосой пропускания будут искажаться при прохождении, что может сделать их неразборчивыми.

Теперь вернемся к нашему примеру сигнала __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾. Если бы мы выполнили анализ Фурье, мы обнаружили бы, что увеличение скорости передачи данных (делая биты короче и ближе друг к другу) увеличивает полосу пропускания сигнала . Увеличение будет линейным, поэтому двукратное увеличение скорости передачи битов будет означать двукратное увеличение пропускной способности.

Точное соотношение между скоростью передачи в битах и ​​полосой пропускания зависит от передаваемых данных, а также от используемой модуляции (например, NRZ , QAM , Manchseter и другие). Классический способ, которым люди рисуют биты: __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾это то, как выглядит NRZ , но другие методы модуляции будут кодировать нули и единицы в различные формы, влияя на их пропускную способность.

Поскольку точная полоса пропускания двоичного сигнала зависит от нескольких факторов, полезно взглянуть на теоретическую верхнюю границу для любого сигнала данных по данному каналу. Эта верхняя граница дается теоремой Шеннона – Хартли :

C - пропускная способность канала в битах в секунду;

B - ширина полосы канала в герцах (ширина полосы пропускания в случае модулированного сигнала)

S - средняя мощность принимаемого сигнала по ширине полосы (в случае модулированного сигнала, часто обозначаемого С, то есть модулированной несущей), измеренная в ваттах (или в вольтах в квадрате)

N - средняя мощность шума или помех по ширине полосы, измеренная в ваттах (или в вольтах в квадрате)

S / N - это отношение сигнал / шум (SNR) или отношение несущая к шуму (CNR) сигнала связи к гауссовским шумовым помехам, выраженное в виде линейного отношения мощности (а не в виде логарифмических децибел).

Однако важно отметить, что теорема Шеннона-Хартли предполагает особый тип шума - аддитивный белый гауссовский шум . Верхняя граница будет ниже для других, более сложных типов шума.

Позвольте мне дать практический, реальный сетевой ответ. Вот соотношение ширины полосы и частоты: Чем выше полоса, тем выше частота. Выполнено.

Нет, серьезно, конец вопроса и ответа. Все готово, перейдите к слою 2.

Я не хочу быть грубым или умным. Ваш вопрос слишком углубился в аспект электротехники Физического уровня, чтобы говорить о том, что известно как сетевая инженерия. То, что вы спрашиваете, имеет гораздо большее отношение к телекоммуникациям, электротехнике или даже информатике, чем сетевое проектирование во всех смыслах, кроме самого строгого и буквального смысла. Это также не актуально для кого-либо, кроме крайне специализированного персонала, разрабатывающего либо аппаратное обеспечение, либо протоколы, реализуемые аппаратным обеспечением. Я был бы очень удивлен, если бы большинство CCIE смогли ответить на этот вопрос в той степени, в какой это сделал Майк Пеннингтон ... и не удивился бы, если бы они не знали достаточно, чтобы задать исходный вопрос с такой же глубиной, как вы!

Позвольте мне выразить это иначе: если вы изучаете сетевое проектирование в традиционном смысле, вы освоили Уровень 1 намного выше (ах, намного выше) того, что требуется или даже полезно в обычной карьере сетевого инженера. Ты хорош, двигайся, есть чему поучиться.