电线上的带宽与频率有什么关系?

网络工程 带宽 层2
2021-07-26 18:09:51

我正在尝试学习网络(目前是链接 - 物理层);这是自学。

我对一件特定的事情感到非常困惑:

假设我想在线路上发送这样的数据:

01010101,它看起来像一个信号:

__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾

那么要发送的数据必须由信号表示,这种情况下的信号是链接/电线上的“电压变化”(假设我们使用的是电缆,而不是无线链接)。

所以傅立叶证明,只要有足够的频率,就可以很好地表示信号。

喜欢: 在此处输入图片说明

我仍然不了解电线上的信号与频率之间的关系。

频率的定义是:单位时间内重复事件发生的次数。那么单位时间内电线中重复的是什么?

还例如在 DSL 线路上,对于频分复用,由于多个用户将分配到较少的频率,因此给定链路/线路上每个用户的带宽将较少。在电线上分配较少的频率是什么意思?少重复什么?

电线上有很多可用的频率吗?如果有(比如说从 0 到 1 兆赫兹),我可以使用 0 到 100 或 100 到 200 或 500 到 1000 之间的范围来表示上述内容吗?如果我使用更多频率,为什么我有更多带宽?

3个回答

调制符号小号

单位时间内重复事件发生的次数。那么单位时间内电线中重复的是什么?

导线上的电压模式重复。

在极其简单的通信系统中,您可能会循环线路的直流电压高于或低于阈值,如您的 ASCII-art... 所示__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾假设您的阈值是 +5v 和 -5vdc;通过两个直流电压调制二进制数据每个电压电平只会产生一位(每个电压转换在行业中称为一个符号)。

直流电压转换并不是在电线上表示数据的唯一方法,正如您提到的,您可以在给定频率上调制信号电压,或在两个频率之间转换以调制数据。此图说明了如何__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾通过调幅 (AM) 和调频 (FM) 来表示相同的转换。

FM 与 AM 调制

传输距离更远的更复杂系统使用更复杂的调制方案,例如FDMQPSK,将更多数据打包到给定的线路带宽中。

一般来说,您可以使用以下组合进行调制:

比特率频谱效率

电线上有很多可用的频率吗?如果有(比如说从 0 到 1 兆赫兹),我可以使用 0 到 100 或 100 到 200 或 500 到 1000 之间的范围来表示上述内容吗?如果我使用更多频率,为什么我有更多带宽?

让我们只考虑一个频率调制系统,它在线上有两种状态......

这种调制方案需要 1.5KHz的线路带宽但是,这并没有告诉您传输比特率(令人困惑的是,也称为“带宽”,但我们不要使用过载的术语)。

FM 系统可能将 0 和 1符号间隔 1.5KHz 的原因之一是,调制解调器测量线路上的频率变化的效果、速度和经济性是有限的。

  • 该如何以及调制解调器可以测量频率变化是驱动器多少带宽,需要在电线上的一个因素
  • 如何快速的调制解调器可以测量频率(或其他符号)改变驱动多高调制解调器比特率
  • 经济学起着重要作用,因为您可能能够构建一个具有极高频谱效率的系统,但如果没有人负担得起,那么这不是一个真正可行的解决方案。

作为一般规则,如果您有更多的可用带宽,您可以构建更快、更便宜的调制解调器

编辑:评论回复

我已经研究了你的回答,但我仍然对一些事情感到困惑。据我所知,我只能通过电线发送 1 和 0。因此,如果 1.5 KHz 就足够了,我为什么要使用更多带宽?

我在上一节中解决了这个问题,但让我们继续 FM 调制示例。实际系统必须考虑接收器的灵敏度,以及诸如带通滤波器的实施效果等因素。

假设调制解调器可用的 1.5KHz 带宽只产生 9600 波特,这还不够快;但是,您可能会构建一个足够快的 20KHz 调制解调器(也许您需要 56K 波特)。

为什么 20KHz 更好?由于带通滤波器和其他组件的实际情况和不完美的斜率,您可能需要那么多带宽来实现正确的调制线路代码也许使用 20Khz,您可以实施QAM方案,它为每个符号提供 3 位,从而导致最大比特率为“9600*8”或 76.8 Kbaud(注意:2**3 = 8)

您提出了很好的问题,但如果不深入了解真正的设计,就很难解释这一点。如果您阅读了一些有关接收器设计的电子书籍,或者参加了一些电气工程课程,那么这些材料都包含在内。

迈克提供了一个很好的答案,但并不完全符合您的要求。

根据定义,带宽是一个频率范围,以赫兹为单位。

正如您所说,信号__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾可以分解(使用傅立叶)成一堆频率。假设我们已经将其分解,并看到我们的信号(主要)由 1Mhz、1.1Mhz、1.2Mhz、1.3Mhz...高达 2Mhz 的频率组成。这意味着我们的信号具有1Mhz带宽

现在,我们想通过一个通道发送它,例如铜线或光纤。首先,让我们谈谈渠道。

在谈论通道带宽时,我们实际上是在谈论通带带宽,它描述了一个通道可以承载的几乎没有失真的频率范围。假设我有一个只能通过频率在 f1 和 f2 之间的信号的通道。它的频率响应函数(信道对不同频率信号的反应)可能是这样的:

带宽

通道的带宽取决于通道的物理特性,因此铜线与无线通道和光纤具有不同的带宽。例如,这里是维基百科的一个表格,指定了不同双绞线电缆的带宽。

如果我们的示例通道的带宽为 1Mhz,那么我们可以很容易地使用它来发送带宽为 1Mhz 或更低的信号。带宽较宽的信号在通过时会失真,可能会导致无法理解。

现在让我们回到我们的示例信号__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾如果我们对其进行傅立叶分析,我们会发现增加数据速率(通过使比特更短和彼此更接近)会增加信号的带宽增加将是线性的,因此比特率增加两倍将意味着带宽增加两倍。

比特率和带宽之间的确切关系取决于发送的数据以及使用的调制(例如NRZQAMManchseter等)。人们绘制比特的经典方式:__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾|__|‾‾就是NRZ 的样子,但其他调制技术会将零和 1 编码成不同的形状,从而影响它们的带宽。

由于二进制信号的确切带宽取决于几个因素,因此查看给定通道任何数据信号的理论上限很有用这个上限由香农-哈特利定理给出

香农-哈特利定理

C是每秒比特数的信道容量;

B是以赫兹为单位的信道带宽(调制信号情况下的通带带宽)

S是带宽上的平均接收信号功率(在调制信号的情况下,通常表示为 C,即调制载波),以瓦特(或伏特平方)为单位

N是带宽上的平均噪声或干扰功率,以瓦特(或伏特平方)为单位

S/N是通信信号对高斯噪声干扰的信噪比 (SNR) 或载噪比 (CNR),表示为线性功率比(不是对数分贝)。

然而,需要注意的一件重要事情是香农-哈特利定理假设了一种特定类型的噪声加性白高斯噪声对于其他更复杂的噪声类型,上限会更低。

让我给出或实用的、现实生活中的网络工程答案。这是带宽和频率的关系:更高的带宽,更高的频率。完毕。

不,认真的,问答结束。大功告成,进入第 2 层。

我的意思不是粗鲁或聪明。您的问题已经深入到物理层的电气工程方面,而无法涉及所谓的网络工程。除了最严格、最字面的意义之外,您所问的问题与电信、电气工程甚至计算机科学的相关性远高于网络工程。除了开发硬件或由硬件实现的协议的非常专业的人员之外,它也与任何人无关。如果大多数 CCIE 能够像 Mike Pennington 那样回答这个问题,我会感到非常惊讶……如果他们没有足够的知识来像您一样深入地提出原始问题,我也不会感到惊讶!

让我换一种说法:如果你在学习传统意义上的网络工程,你已经掌握了远远超出(哦,远远超出)所需的第 1 层,甚至在正常的网络工程职业中有用。你很好,继续前进,还有很多东西要学。