信号与通信

信号传输:

比特流在物理链路如何传输的:

光纤:光脉冲 对应数字 0/1

网线:电脉冲 对应数字 0/1

电话线:连续模拟电压波(调制波)把0/1调制成连续模拟电压波传过去,再解调

在同一介质中,波速v不变时:v=λf, 速度等于波长*频率;波长和频率成反比;

网线本身不接电源,但必须由两端设备供电(网卡芯片+交换机芯片)才能工作;网线传输的不是持续大电流,是微弱、快速变化的小电流或者说是快速变化的电压/电流信号,用来表示0和1。

网线工作原理:

网线是8芯双绞线,4对;采用双绞线可以抗干扰,抵消周围电磁场对传输信号的干扰;

工作方式:

1.发送端:用电压跳变表示0和1,不是一直通电,而是快速改变电压产生电脉冲/方波;数据传输就是不停地极快地改变电压;

2.信号怎么传输过去的:不是电子从一头飞到另一头,电子移动很慢(几毫米 / 秒),真正光速跑的是 "电场",电场以接近光速传递→信号过去→01过去

数据传输就是不停地极快地改变电压,所以上网=网线电压在疯狂抖动,速度是纳秒级(10⁻⁹ 秒)疯狂跳变;电压的跳变是两端的网卡芯片+交换机芯片在驱动,

本质是晶振(时钟)+ 数字电路在疯狂控制电压跳变;百兆网:晶振频率100MHz/125MHz,每秒震动 1 亿~1.25 亿次

晶振 = 控制速度

发送电路 = 控制高低电平

数据 = 决定什么时候高、什么时候低

石英晶振一秒内为什么能震动这么多次?

不是它 "用力拼命震",而是它本身就很小、很硬、共振频率天生极高。石英晶振一秒震1亿次,是物理特性决定的,不需要耗电驱动。

石英晶体有个特性叫压电效应:

给它加电 → 它会轻微变形

变形后又会回弹 → 又产生电

来回反复 → 形成持续振动

晶振为什么这么准:

因为石英是晶体,原子排列非常整齐

硬度稳定

温度影响小

不会随便变快变慢

所以它是全世界最稳的小节拍器。

频率公式可以简单理解成:

频率 ∝ √(硬度 / 质量)

晶振只有几毫米大,而且极硬

所以它天生共振频率就极高。所以100MHz、125MHz、甚至 1GHz 都很正常。

电路与晶振:

只需要给一点点能量维持振动

把振动变成方波时钟信号

总结:

网线需要电,由网卡 / 交换机提供

传输的是快速变化的微弱电流 / 电压

本质是 电脉冲(方波) 表示 0 和 1

信号光速传播,电子几乎没怎么动

网线怎么传0和1:

用差分信号(这是网线核心):

一对线里,一根电压上升,一根电压下降

接收端看两根线的电压差

差值大 → 1

差值小 → 0

百兆网络和千兆网络:

百兆网络(100M):

只用2对,一对接收数据,一对发送数据;

1个节拍 = 1bit

百兆编码(4B/5B)

效率只有 0.8

实际:100 Mbps

千兆网络(1000M):

4对网线同时工作,全双工,同时收发

千兆网编码(PAM-5)

效率接近100%

5 个电压等级

1个节拍 = 2bit

速率:250Mbps

晶振始终125MHz:

百兆:

125MHz × 1 对线 × 1bit × 0.8 效率

= 100Mbps 下载

千兆:

125MHz × 4 对线 × 2bit × 1 左右效率

= 1000Mbps 下载

提高编码水平,让每一拍携带更多 bit;

百兆:收发分两对线,各走各的

千兆:同一对线

→ 双方同时发

→ 信号叠加

→ 硬件减掉自己发的

→ 拿到对方数据

一对线 = 两根线一起构成一个通道

这个通道同时收发,信号叠加传输

网线是高频交流电压波动。

不是 "一端高、一端低,电流单向流"

是两端同时快速抖电压

电流方向每秒反转上亿次

波形叠加在一起,靠回声抵消把对方的信号拆出来

全双工原理分析:

同一时刻,在同一对线的两根导线里,瞬时电流只能有一个方向,不可能同时既往左又往右。

那 "同时收发" 到底是怎么实现的?本质是电信号不是瞬间到达对端,是需要时间的;全双工的物理基础,就是信号传播有延迟,不是瞬时到达。

电信号传导到另一端是需要一定时间,在这个时间内,电压方向改变又来了一个反向的电信号,所以产生叠加,就是全双工;

电信号传播有速度上限(≈光速 60%~70%),不是瞬时的:

你发一个信号出去

它在路上走需要时间

在它到达对端之前

对端已经可以发它自己的信号

线路上就形成双向波形共存、叠加

能同时收发 → 全双工

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