geschieht die Datenübertragung in Kupfermedien tatsächlich nur durch Spannungsänderung?

geschieht die Datenübertragung in Kupfermedien tatsächlich nur durch Spannungsänderung?

Abhängig von der Modulation, mit der die Informationen übertragen werden.

"Spannungsänderung" wird als Amplitudenmodulation bezeichnet.
Informationen können auch unter Verwendung von Frequenzmodulation, Phasenmodulation oder einer Kombination davon übertragen werden.

TTL verwendet Amplitudenmodulation. TTL wird jedoch fast ausschließlich für On-Board-Logikverbindungen und selten für Kommunikationszwecke oder Entfernungen von mehr als einigen Metern oder einem halben Meter verwendet. (Die Centronics-Druckerschnittstelle oder IEEE 1284 ist eine seltene Ausnahme.)

Wie ich diese Grafik verstehe:
...
1 wird durch eine Spannung von 3 und 0 durch eine Spannung von 0 dargestellt.

Sie sehen eine idealisierte Wellenform für TTL. In Wirklichkeit können diese schönen Rechteckwellen im wirklichen Leben ziemlich abgenutzt aussehen.

Wie ich mir vorstellen kann, ist an einem Kabel jeweils nur eine Spannung möglich (Sie können also nicht 2 Spannung und 3 Spannung gleichzeitig auf demselben Medium haben).

Momentan gibt es einen einzelnen Spannungswert auf der Leitung, es könnte sich jedoch um die Summe einer oder mehrerer Signalspannungen handeln, da dies von der Modulation abhängt und das Signal bzw. die Signale in einer analogen Welt existieren.
Dieses "digitale" Signal wird so genannt, weil die Informationen digital sind, dh auf zwei Zustände quantisiert sind.
Solche "digitalen" Signale müssen jedoch in der analogen Welt existieren. Das bedeutet, dass Signalpegel Teil einer kontinuierlichen Wellenform sind und nicht genau auf zwei Ebenen existieren können.

Für TTL sind diese beiden "Pegel" tatsächlich zwei Spannungsbereiche, ein oberer Spannungsbereich (z. B. 2,4 V bis 3,3 V für 3,3 V Logik) für den hohen Zustand und ein unterer Spannungsbereich (z. B. 0 V bis 0,4 V für 3,3 V Logik) der niedrige Zustand.

Ändert sich die Spannung in einem Kabel, das beispielsweise 1 Gbit / s wirklich 1 Milliarde Mal überträgt?

Das hängt wiederum von der Modulation ab.
Für TTL wäre das wahr. Bei Kommunikationssignalen wird jedoch aufgrund von Bandbreitenanforderungen und Signalintegrität selten TTL verwendet.

Ethernet verwendet typischerweise PAM, Pulsamplitudenmodulation. Zum Beispiel könnten zwei (2) Bits pro Impuls unter Verwendung von vier Spannungspegeln codiert werden. In Ihrem Beispiel wären also nur eine halbe Milliarde Spannungsänderungen erforderlich.

Digitales Fernsehen kann QAM256, Quadraturamplitudenmodulation, verwenden, die Phase und Amplitude verwendet. Pro Symbol können acht Bits codiert werden.

Anstelle von "Spannungsänderungen" (was bedeutet, dass nur diskrete Pegel erforderlich sind) ist die verwendete Kommunikationsmetrik Bandbreite, die als Frequenz einer Sinuswelle ausgedrückt wird. Die Fourier-Analyse würde Ihnen sagen, dass die in Ihrer Frage dargestellte Rechteckwelle ein Medium mit unendlich hoher Bandbreite erfordert.
(Beachten Sie, dass das obige Foto einen digitalen Bereich mit 10 Giga-Abtastung pro Sekunde aufweist.)

Und wie nah ist die obige Grafik den heutigen Kupferkabeln (Twister-Paar)?

Mit einem Oszilloskop können Sie niemals so perfekte Wellenformen im echten Leben erfassen. sie existieren nicht
Und das Etikett "reines Digitalsignal" ist falsch, da es Übergänge zwischen den Pegeln zeigt. Ein echtes "digitales Signal" wäre nicht kontinuierlich, sondern hat nur diskontinuierliche Zustände.

Lassen Sie uns etwas mehr klarstellen - obwohl dies nicht mit Ethernet selbst zusammenhängt, sondern wie dies im Allgemeinen "in Kupfer" (und auch in der Luft) geschieht.

Wie ich mir vorstellen kann, ist an einem Kabel jeweils nur eine Spannung möglich (Sie können also nicht 2 Spannung und 3 Spannung gleichzeitig auf demselben Medium haben).

Tatsächlich können Sie so viele "Spannungen" in einem Kabel verwenden, wie Sie möchten (nur begrenzt durch die Leitungsbandbreite und die Qualität der Sende- / Empfangsgeräte). Um dies zu vervollständigen, speisen Sie es einfach mit mehreren orthogonalen Frequenzen. Natürlich wird ein einzelner Spannungsausgang erzeugt (mit einer seltsamen Wellenform), aber sie können am anderen Ende wieder getrennt werden.

Ändert sich die Spannung in einem Kabel, das beispielsweise 1 Gbit / s wirklich 1 Milliarde Mal überträgt?

Bei frequenz- / phasenmodulierten Signalen (FM / PM) ist die tatsächliche Spannungsänderung um ein Vielfaches schneller als die resultierende digitale Bitrate. In einem DVB-C-Fernsehsignal beträgt die Nettobitrate beispielsweise etwa 50 Mb / s (pro 8-MHz-Kanal), während die Trägerfrequenz zwischen 100 MHz und 1 GHz liegt. Bei der QAM256-Modulation codiert ein Symbol 8 Bit, sodass 50 Mb / s etwa 6250 kS / s (6,25 Millionen Symbole pro Sekunde) erzeugen. Dies bedeutet, dass ein Symbol während 160 ns übertragen wird (in Wirklichkeit ist dies komplizierter, aber lassen Sie uns dies einfach machen). 6,25 MS / s übertragen mit einem 100-1000 MHz-Träger. Es gibt ungefähr 100 separate Kanäle mit einer Breite von 8 MHz innerhalb des zulässigen Bandes, so dass Sie etwa 5 Gbit / s über ein Koaxialkabel senden können, während sich alle "Spannungen" um ca. 50 Milliarden (kurze Skala) Zeiten pro Sekunde (geschätzt als:

Mit dem DVB-T-Schema ist dies noch komplizierter, da jeder Kanal ~ 2000 oder ~ 8000 Subcarriers (COFDM) enthält. Die tatsächlichen "Spannungen" ändern also ihren Wert um 20000 ~ 80000 schneller als die tatsächliche Bitrate.

Ändert sich die Spannung in einem Kabel, das beispielsweise 1 Gbit / s wirklich 1 Milliarde Mal überträgt?

Im Allgemeinen ja.

In Wirklichkeit ist es etwas komplexer, aber nicht zu viel. Wenn Sie mehrere Drähte zur Verfügung haben, können Sie damit mehrere Signale gleichzeitig senden (Durchsatz erhöhen oder Frequenz verringern).

Sie können sie auch verwenden, um Interferenzen zu reduzieren. Wenn Sie ein verdrilltes Paar haben, können Sie ein echtes Signal über eine Leitung und ein invertiertes Signal durch eine andere Leitung senden. Dann invertieren Sie den zweiten Draht auf der Empfangsseite noch einmal und summieren Sie ihn mit dem ursprünglichen Draht zusammen - Interferenzen werden aufgehoben.

Es wird auch eine zusätzliche Codierung verwendet, beispielsweise können 8-Bit-Werte mit 10-Bit-Codes übertragen werden. Dies reduziert den Durchsatz, ermöglicht jedoch die Fehlererkennung / -korrektur. Die Codes sind auch so gestaltet, dass Sie sie zur Uhrzeitsynchronisation verwenden können.

Da haben Sie nach Gigabit Ethernet über Kupfer gefragt - 1000BASE-T speziell:

1000BASE-T verwendet alle vier verdrillten Paare gleichzeitig in beide Richtungen. Der Gigabit-Datenstrom ist in vier Spuren mit je 250 MBit / s aufgeteilt. Eine etwas ausgefeilte Kodierung (vierdimensionale Gittercodemodulation) mit PAM-5 (5 verschiedene Spannungspegel) bringt die Symbolrate auf 125 MBaud. Dies ist die gleiche wie bei 100BASE-TX, also die gleichen Cat-5e-Verkabelungsanforderungen Spur transportiert 2,5-mal den Informationsgehalt.