Warum bedeuten höhere Frequenzen höhere Datenraten und warum brauchen wir überhaupt Frequenzen?

Ich weiß nicht, was Sie mit "Anwesenheit / Abwesenheit" von Spannung meinen, aber im Allgemeinen ist das, was Sie beschreiben, genau so, wie es funktioniert:

• Hochspannung auf der Datenleitung ist (normalerweise) als logisch 1 definiert
• Niederspannung ist logisch 0

Die "Frequenz der Schaltung" ist nur die maximale Häufigkeit, mit der der Übergang zwischen Spannungspegeln in einer Sekunde erfolgen kann.

Bitte beachten Sie, dass beim Senden einer langen Folge von logischen Einsen diese Übergänge überhaupt nicht erforderlich sind - Sie können die Datenleitung konstant auf Hochspannung halten. Es stellt sich jedoch die Frage "wie viele Einsen wurden in einem bestimmten Zeitraum gesendet"? Wie zählt man sie, wenn die Datenleitung auf konstanter Spannung liegt? Um die obige Mehrdeutigkeit aufzulösen, gibt es normalerweise ein "Steuer"-Signal, das das "Tempo" der Schaltung bestimmt - den Takt. Bei jeder steigenden/fallenden Flanke des Taktsignals wird die Spannung vom Datenbus abgetastet und ihr Wert daraufhin überprüft, ob sie logisch 1 oder 0 ist.

Im Fall einer Schaltung, in der Clock vorhanden ist, ist die Frequenz der Schaltung nur die Frequenz des Taktsignals.

Es gibt Schemata, bei denen die Schaltung nicht mit dem Takt synchronisiert ist, aber diese Schemata sind viel komplexer und werden (normalerweise) in speziellen Anwendungen eingesetzt, die sehr hohe Bitraten erfordern.

Ich höre von Schaltungen, die eine "Trägerfrequenz" verwenden und diese modulieren, und es scheint, als ob die Geschwindigkeit von dieser Frequenz abhängt (z. B. beträgt Ethernet mehrere hundert MHz). Was ich meine ist, warum kann man nicht das gesamte Modulationsgeschäft überspringen und eine Schaltung haben, in der sie einfach die Spannung hoch/niedrig superschnell umdrehen und Geschwindigkeiten von 1 THz (= 1 Tb/s) erreichen.

Das obige Zitat ist ein Kommentar des OP, aber ich denke, es kommt dem Missverständnis näher als das, was er in die Frage stellt.

Reine Datenübertragungen (1s und 0s) nutzen die Bandbreite nicht effizient. Das ist kein Problem - die Einfachheit der Übertragung von 1 und 0 macht den Empfang dieser Bits sehr einfach. Zwischen 5 V und 0 V (5-V-Logiksignalisierung) können Rauschen und Störungen auftreten und das Signal etwas "anders" als die ursprünglichen 0 V und 5 V machen, aber vorausgesetzt, der Empfänger muss immer noch unterscheiden, können Daten originalgetreu wiederhergestellt werden.

Das Problem mit normalen Daten ist, dass sie sich keine Leitung mit einem anderen normalen Datensystem teilen können. Die beiden Lose von 1 und 0 sind am Ende additiv und manchmal erhalten Sie 0 V, manchmal 5 V und manchmal 10 V, dh Müll.

Eine Trägerwelle, wenn (z. B. 1 kbps) Daten darauf angewendet werden, hat eine Bandbreite von einigen tausend Hertz, die auf einer Frequenz von 20 MHz zentriert ist. Unter (sagen wir) 19,97 MHz und über 20,03 MHz können die Nebenfrequenzen weitgehend entfernt und nicht übertragen werden UND, was wichtig ist, der "modulierte" Träger kann empfangen und wieder in die ursprünglichen Daten umgewandelt werden.

Sie könnten ein anderes Datensystem haben, dessen Träger bei 19,9 MHz liegt - wenn es mit anderen Daten moduliert wird (in diesem Beispiel immer noch 1 kbps), liegt die nutzbare Bandbreite, die es belegen könnte, zwischen 19,87 MHz und 19,93 MHz. Der auf diesen Träger abgestimmte Empfänger wird durch die Übertragung bei 20 MHz nicht gestört.

Sie könnten dieses System wiederholen und eine Vielzahl exklusiver Datensysteme haben, die sich alle dieselbe Leitung teilen (natürlich verschiedene Träger), und alle Datenströme können von ihren eigenen Empfängern perfekt wiederhergestellt werden.

Aus diesem Grund werden Modulationsschemata der einen oder anderen Art verwendet. Dies wird als Frequenzmultiplexverfahren bezeichnet. Es kann ein Kabel oder Funk verwenden.

Es hört hier nicht auf – Sie können Zeitmultiplex verwenden – diese Art von System weist jedem Datenstrom einen Zeitschlitz zu. Nehmen wir an, es gibt zehn Datenströme mit jeweils 1 kbps. Wenn die Daten zehnmal so schnell gesendet werden, brauchen sie nur noch 10 % der nutzbaren „Kapazität“ des Kabels zu belegen. Zehn Systeme mit jeweils eigenem Zeitschlitz können sich ein Kabel teilen.

Es gibt noch ein paar andere Schemata, aber das würde den Rahmen der Frage sprengen.

• Das Übertragen von Daten durch Abschluss eines Wechsels wäre nicht so effektiv, wie Sie denken.

  1. Du könntest eine Masseschleife haben

     • Die Masse des Senderkreises und die Masse des Empfängerkreises können auf unterschiedlichen Potentialen liegen, insbesondere bei längeren Kabelstrecken. Dies gilt im Allgemeinen eher für Übertragungsleitungen, sodass Sie dieses Problem möglicherweise nicht mit einer Leiterplatte haben.

  2. Transienten vom Ein- und Ausschalten

     • Das Einschalten von irgendetwas ähnelt dem Einführen einer neuen Stromquelle in einen Stromkreis oder Teilstromkreis. Dies könnte zu Spitzen in Ihrem Datenstrom führen, die sich auf Ihre ICs oder andere PCB-Komponenten auswirken können.

  3. Daten werden nicht als ON/OFF, sondern als HI/LO übertragen

     • HI liegt über einem bestimmten Schwellenwert und LO unter diesem Schwellenwert. Ein Signal, das nur einen Schalter ein- und ausschaltet, erschwert die Unterscheidung

  4. Es gibt weniger Begriffsklärung in einem Datenstrom anstelle von Einzelbitimpulsen.

     • Betrachten Sie "1001". Wie würde ein Empfänger dieses Wort sehen? „101“ ist genauso einfach zu interpretieren wie „1001“. Aber wie würden Sie sicher wissen, dass es "1001" ist? Vielleicht durch Vorgabe einer vorgegebenen Signallänge bzw. Frequenz?

• Die Verwendung von Niederfrequenz- und Hochfrequenzsignalen zur Bezeichnung von 0 bzw. 1 ist eine Art Frequenzmodulationsverfahren. Dies würde eine Trägerwelle modulieren, ähnlich wie bei Ihrer Standard-UKW-Radioübertragung. Dieses Verfahren wird Frequenzumtastung genannt.

• Die dritte von Ihnen beschriebene Methode ähnelt eher dem RS-232-Datenübertragungsschema. Es verwendet tatsächlich +3 bis +15 V als logische 1 und -3 bis -15 V als logische 0. Auch hier möchten Sie einen 0-Pegel vermeiden, damit Sie klare, definierbare Signale haben.

Der Grund, warum wir bei der Betrachtung von Datenkommunikationen Frequenzen verwenden, ist, dass wir diese Kommunikationen normalerweise über ein physisches Medium senden müssen. Die meisten unserer Medien haben passive Komponenten, Dinge, die mit Widerständen, Kondensatoren und Induktoren gut modelliert sind. Zum Beispiel gibt es zwischen zwei beliebigen Drähten in einem Kabel eine gewisse Kapazität, weil Sie zwei Metalldrähte haben, die durch einen Isolator getrennt sind. Sie haben auch eine gewisse Induktivität, weil es sich um parallel verlaufende Drähte handelt.

Bei niedrigen Signalgeschwindigkeiten können Sie mit einer einfachen Zuordnung von digitalen Bits zu Spannungen davonkommen. Wenn Sie jedoch anfangen, die Dinge hochzufahren, stellen Sie fest, dass die Nachricht schwieriger zu lesen ist. Es beginnt sich zu verzerren und Sie beginnen, 1s als 0s falsch zu interpretieren. Dies geschieht, weil diese passiven Komponenten eine Art Gedächtnis haben. Kondensatoren werden geladen und entladen.

Nun lösen wir dies normalerweise, indem wir im Frequenzbereich denken. Warum? Nun, es stellt sich heraus, dass die Mathematik es uns ermöglicht, diese komplexen Ableitungen und Integrale loszuwerden, die im zeitbasierten Verhalten von Induktivitäten und Kondensatoren auftreten. Die Mathematik der Fourier-Transformationen und Laplace-Transformationen verwandelt diese Differentialgleichungen im Zeitbereich in schöne, leicht verständliche Multiplikationen und Divisionen im Frequenzbereich. Wir können Dinge sagen wie „Ich habe ein 60-Hz-Signal, wie stark wird dieses Signal durch das Kabel verringert? (was eine andere Antwort ist, als wenn Sie ein 100-MHz-Signal hätten)“

Sobald wir anfangen, im Frequenzbereich zu denken, können wir unser Signal in Bereiche bringen, in denen unser Kabel ein vorhersagbares Verhalten aufweist. Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass wir dazu neigen, Verhaltensweisen zu sehen, die auf einer logarithmischen Skala auftreten. Während es große Unterschiede zwischen dem Verhalten bei 60 Hz und 100 Hz geben kann, gibt es typischerweise weniger Unterschiede zwischen 1.000.060 Hz und 1.000.100 Hz. Wenn wir uns also darauf verlassen können, dass unsere Signale in einem höheren Frequenzband liegen, werden sie vom Draht tendenziell "flacher" behandelt. Dies erleichtert das Decodieren erheblich. Deshalb sehen wir Trägerfrequenzen. Oft möchten wir ein Niederfrequenzsignal senden, indem wir die physikalischen Eigenschaften des Systems bei einer höheren Frequenz nutzen. Frequenzmodulation ist ein Werkzeug, mit dem wir das tun können.