Wie ist die Beziehung zwischen der Bandbreite auf einem Draht und der Frequenz?

Ich versuche, das Networking zu lernen (derzeit Link - Physical Layer). Das ist Selbststudium.

Ich bin sehr verwirrt über eine bestimmte Sache:

Angenommen, ich möchte Daten über das Kabel wie folgt senden:

01010101, wo es so etwas wie ein Signal aussehen wird:

__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾

Nun, die zu sendenden Daten müssen durch ein Signal dargestellt werden, und das Signal in dieser Situation ist die "Änderung der Spannung" auf der Verbindung / dem Draht (vorausgesetzt, wir verwenden Kabel, keine drahtlose Verbindung).

Fourier hat also bewiesen, dass mit genügend Frequenzen ein Signal ziemlich gut dargestellt werden kann.

Mögen:

Ich verstehe immer noch nicht die Beziehung zwischen einem Signal auf dem Draht und den Frequenzen.

Die Definition der Häufigkeit lautet: Die Anzahl der Vorkommen eines sich wiederholenden Ereignisses pro Zeiteinheit. Was wiederholt sich also im Draht pro Zeiteinheit?

Auch zum Beispiel auf einer DSL-Leitung für Frequenzmultiplex, da mehreren Benutzern weniger Frequenz zugewiesen wird, gibt es weniger Bandbreite pro Benutzer auf einer bestimmten Verbindung / Leitung. Was bedeutet es, einem Draht weniger Frequenz zuzuweisen? Weniger Wiederholungen von was?

Gibt es viele Frequenzen auf dem Draht? Wenn es solche gibt (sagen wir von 0 bis 1 Mega Hertz), kann ich das Obige mit dem Bereich zwischen 0 bis 100 ODER 100 bis 200 ODER 500 bis 1000 darstellen? Warum habe ich mehr Bandbreite, wenn ich mehr Frequenzen verwende?

Modulation und Symbol s

Die Anzahl der Vorkommen eines sich wiederholenden Ereignisses pro Zeiteinheit. Was wiederholt sich also im Draht pro Zeiteinheit?

Die Spannungsmuster auf dem Draht wiederholen sich.

In extrem einfachen Kommunikationssystemen können Sie die Gleichspannung der Leitung über oder unter einem Schwellenwert schalten, wie in Ihrer ASCII-Grafik gezeigt __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾. Angenommen, Ihre Schwellenwerte sind +5 V und -5 VDC. Das Modulieren von Binärdaten durch zwei Gleichspannungen würde nur ein Bit pro Spannungspegel ergeben (jeder Spannungsübergang wird in der Industrie als Symbol bezeichnet ).

Gleichspannungsübergänge sind nicht die einzige Möglichkeit, Daten auf dem Draht darzustellen. Wie Sie bereits erwähnt haben, können Sie die Spannung eines Signals auf einer bestimmten Frequenz modulieren oder zwischen zwei Frequenzen wechseln, um Daten zu modulieren. Dieses Bild zeigt, wie dieselben __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾Übergänge über Amplitudenmodulation (AM) und Frequenzmodulation (FM) dargestellt werden.

Komplexere Systeme, die über größere Entfernungen übertragen werden, verwenden komplexere Modulationsschemata wie FDM oder QPSK , um mehr Daten in eine bestimmte Bandbreite auf der Leitung zu packen.

Im Allgemeinen können Sie mit folgenden Kombinationen modulieren:

• Amplitude
• Frequenz
• Phasenversatz (in Bezug auf einen Referenzträger oder eine Uhr).

Bitrate und spektrale Effizienz

Gibt es viele Frequenzen auf dem Draht? Wenn es solche gibt (sagen wir von 0 bis 1 Mega Hertz), kann ich das Obige mit dem Bereich zwischen 0 bis 100 ODER 100 bis 200 ODER 500 bis 1000 darstellen? Warum habe ich mehr Bandbreite, wenn ich mehr Frequenzen verwende?

Betrachten wir einfach ein Frequenzmodulationssystem, das zwei Zustände auf dem Draht hat ...

• Das 0- Symbol wird durch 1 kHz dargestellt
• Das Symbol 1 wird durch 2,5 kHz dargestellt

Dieses Modulationsschema erfordert eine Bandbreite von 1,5 kHz auf dem Draht. Dies sagt jedoch nichts über die übertragene Bitrate aus (was verwirrenderweise auch als "Bandbreite" bezeichnet wird, aber wir sollten keinen überladenen Begriff verwenden).

Ein Grund dafür, dass ein FM-System 0 und 1 Symbole im Abstand von 1,5 kHz voneinander trennen kann, besteht darin, dass es Grenzen gibt, wie gut, wie schnell und wirtschaftlich das Modem die Frequenzänderungen auf dem Kabel messen kann.

• Wie gut das Modem Frequenzänderungen messen kann, ist ein Faktor, der bestimmt, wie viel Bandbreite auf dem Kabel benötigt wird
• Wie schnell das Modem kann messen Frequenz (oder ein anderes Symbol ) ändert Laufwerke , wie hoch das Modem ‚s Bitrate sein
• Wirtschaftlichkeit spielt eine große Rolle, da Sie möglicherweise ein System mit extrem hoher spektraler Effizienz bauen können , aber wenn sich niemand das leisten kann, ist dies keine wirklich praktikable Lösung.

In der Regel können Sie schnellere und billigere Modems bauen, wenn Ihnen mehr Bandbreite zur Verfügung steht.

Bearbeiten: Kommentar Antwort

Ich habe Ihre Antwort studiert, bin aber in einigen Dingen immer noch verwirrt. Soweit ich weiß, kann ich nur 1 und 0 über eine Leitung senden. Wenn also 1,5 kHz dafür ausreichen, warum sollte ich dann mehr Bandbreite verwenden?

Ich habe die Frage im letzten Abschnitt angesprochen, aber fahren wir mit dem Beispiel der FM-Modulation fort. Reale Systeme müssen die Empfängerempfindlichkeit und Faktoren wie die Implementierung eines Bandpassfilters berücksichtigen .

Angenommen, die dem Modem zur Verfügung stehende Bandbreite von 1,5 kHz liefert nur 9600 Baud, und das ist nicht schnell genug. Möglicherweise bauen Sie jedoch ein 20-kHz-Modem, das schnell genug ist (möglicherweise benötigen Sie 56-kB-Baud).

Warum ist 20KHz besser? Aufgrund der Realitäten und unvollständigen Steigungen bei Bandpassfiltern und anderen Komponenten benötigen Sie möglicherweise so viel Bandbreite, um die richtige Modulation und den richtigen Leitungscode zu implementieren . Vielleicht könnten Sie mit 20 kHz ein QAM- Schema implementieren , das Ihnen 3 Bits pro Symbol liefert, was zu einer maximalen Bitrate von "9600 * 8" oder 76,8 Kbaud führt (Anmerkung: 2 ** 3 = 8).

Sie stellen gute Fragen, aber es ist sehr schwer, dies zu erklären, ohne in den Mut eines echten Designs zu geraten. Wenn Sie einige Elektronikbücher über Empfängerdesign lesen oder Kurse in Elektrotechnik belegen, wird dieses Material behandelt.

Mike bot eine ausgezeichnete Antwort, aber nicht genau auf das, was Sie fragten.

Die Bandbreite ist per Definition ein Frequenzbereich, gemessen in Hz.

Wie Sie gesagt haben, kann das Signal __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾(mit Fourier) in eine Reihe von Frequenzen zerlegt werden. Nehmen wir an, wir haben es aufgeschlüsselt und festgestellt, dass unser Signal (meistens) aus Frequenzen von 1 MHz, 1,1 MHz, 1,2 MHz, 1,3 MHz ... bis zu 2 MHz besteht. Das bedeutet, dass unser Signal eine Bandbreite von 1 MHz hat .

Jetzt möchten wir es über einen Kanal wie einen Kupferdraht oder eine optische Faser senden. Lassen Sie uns zunächst ein wenig über Kanäle sprechen.

Wenn wir über die Bandbreite in Kanälen sprechen, sprechen wir tatsächlich über die Durchlassbandbandbreite, die den Frequenzbereich beschreibt, den ein Kanal mit geringer Verzerrung tragen kann. Angenommen, ich habe einen Kanal, der nur Signale weiterleiten kann, deren Frequenz zwischen f1 und f2 liegt. Die Frequenzantwortfunktion (die Reaktion des Kanals auf Signale mit unterschiedlichen Frequenzen) könnte ungefähr so ​​aussehen:

Die Bandbreite eines Kanals hängt von den physikalischen Eigenschaften des Kanals ab, sodass ein Kupferdraht eine andere Bandbreite aufweist als ein drahtloser Kanal und eine optische Faser. Hier ist zum Beispiel eine Tabelle aus Wikipedia, in der die Bandbreiten verschiedener Twisted-Pair-Kabel angegeben sind.

Wenn unser Beispielkanal eine Bandbreite von 1 MHz hat, können wir ihn ziemlich einfach verwenden, um ein Signal zu senden, dessen Bandbreite 1 MHz oder weniger beträgt. Signale mit einer größeren Bandbreite werden beim Durchgang verzerrt, wodurch sie möglicherweise unverständlich werden.

Kommen wir nun zu unserem Beispielsignal zurück __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾. Wenn wir eine Fourier-Analyse durchführen würden, würden wir feststellen, dass eine Erhöhung der Datenrate (indem die Bits kürzer und näher beieinander gemacht werden) die Bandbreite des Signals erhöht . Die Erhöhung wäre linear, sodass eine zweifache Erhöhung der Bitrate eine zweifache Erhöhung der Bandbreite bedeutet.

Die genaue Beziehung zwischen Bitrate und Bandbreite hängt von den gesendeten Daten sowie der verwendeten Modulation ab (z. B. NRZ , QAM , Manchseter und andere). Die klassische Art und Weise , in der Menschen Bits ziehen: __|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾ist das, was NRZ aussieht, aber auch andere Modulationstechniken werden Nullen und Einsen in verschiedene Formen kodieren, ihre Bandbreite zu beeinflussen.

Da die genaue Bandbreite eines Binärsignals von mehreren Faktoren abhängt, ist es nützlich, die theoretische Obergrenze für jedes Datensignal über einen bestimmten Kanal zu betrachten. Diese Obergrenze ergibt sich aus dem Shannon-Hartley-Theorem :

C ist die Kanalkapazität in Bits pro Sekunde;

B ist die Bandbreite des Kanals in Hertz (Durchlassbandbandbreite bei einem modulierten Signal)

S ist die durchschnittliche empfangene Signalleistung über die Bandbreite (im Fall eines modulierten Signals, oft mit C bezeichnet, dh modulierter Träger), gemessen in Watt (oder Volt im Quadrat).

N ist das durchschnittliche Rauschen oder die durchschnittliche Interferenzleistung über die Bandbreite, gemessen in Watt (oder Volt im Quadrat).

S / N ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) oder das Träger-Rausch-Verhältnis (CNR) des Kommunikationssignals zur Gaußschen Rauschinterferenz, ausgedrückt als lineares Leistungsverhältnis (nicht als logarithmische Dezibel).

Eine wichtige Sache ist jedoch, dass das Shannon-Hartley-Theorem eine bestimmte Art von Rauschen annimmt - additives weißes Gaußsches Rauschen . Die Obergrenze ist für andere, komplexere Arten von Rauschen niedriger.

Lassen Sie mich die oder die praktische Antwort des Network Engineering geben. Hier ist die Beziehung zwischen Bandbreite und Frequenz: Höhere Bandbreite, höhere Frequenz. Erledigt.

Nein, im Ernst, Ende von Frage und Antwort. Wenn Sie fertig sind, fahren Sie mit Ebene 2 fort.

Ich will nicht unhöflich oder klug sein. Ihre Frage hat sich viel zu weit mit dem elektrotechnischen Aspekt der physikalischen Schicht befasst, als dass es sich um das handelt, was als Netzwerktechnik bezeichnet wird. Was Sie fragen, ist für Telekommunikation, Elektrotechnik oder sogar Informatik weitaus relevanter als Netzwerktechnik, außer im strengsten, wörtlichsten Sinne. Es ist auch für niemanden relevant, außer für extrem spezialisiertes Personal, das entweder die Hardware oder die von der Hardware implementierten Protokolle entwickelt. Ich wäre ziemlich überrascht, wenn die meisten CCIEs diese Frage so gut beantworten könnten wie Mike Pennington ... und wäre überhaupt nicht überrascht, wenn sie nicht genug wüssten, um die ursprüngliche Frage so ausführlich zu stellen wie Sie!

Lassen Sie es mich anders sagen: Wenn Sie Netzwerktechnik im traditionellen Sinne studieren, haben Sie Layer 1 weit über das hinaus beherrscht, was erforderlich oder sogar nützlich für eine normale Karriere als Netzwerktechniker ist. Du bist gut, mach weiter, es gibt noch viel mehr zu lernen.