действительно ли происходит передача данных в медных средах при изменении напряжения?

действительно ли происходит передача данных в медных средах при изменении напряжения?

Зависит от модуляции, используемой для передачи информации.

«Изменение напряжения» правильно называется амплитудной модуляцией.
Информация также может передаваться с использованием частотной модуляции, фазовой модуляции или некоторой комбинации.

TTL использует амплитудную модуляцию. Но TTL почти исключительно используется для бортовых логических соединений и редко используется для связи или расстояний, превышающих несколько футов или полметра. (Интерфейс принтера Centronics, или IEEE 1284, является редким исключением.)

Как я понимаю этот график:
...
1 представлено напряжением 3, а 0 - напряжением 0.

Вы смотрите на идеализированный сигнал для TTL. На самом деле эти милые квадратные волны могут выглядеть довольно рваными в реальной жизни.

Как я могу себе представить, на кабеле может быть только одно напряжение за раз (поэтому вы не можете иметь 2 напряжения и 3 напряжения одновременно на одной и той же среде справа).

Мгновенно на проводе появляется единственное значение напряжения, но оно может быть суммой одного или нескольких напряжений сигнала, потому что это зависит от модуляции, и сигнал (сигналы) существует в аналоговом мире.
Этот «цифровой» сигнал называется так, потому что информация является цифровой, то есть квантована на два состояния.
Но такие «цифровые» сигналы должны существовать в аналоговом мире. Это означает, что уровни сигнала являются частью непрерывного сигнала и не могут существовать точно только на двух уровнях.

Для TTL эти два «уровня» фактически являются двумя диапазонами напряжения: верхним диапазоном напряжения (например, от 2,4 В до 3,3 В для логики 3,3 В) для высокого состояния и более низким диапазоном напряжения (например, от 0 В до 0,4 В для логики 3,3 В) для низкое состояние.

Изменяется ли напряжение в кабеле, который, например, передает 1 Гбит / с, действительно 1 миллиард раз?

Опять же, это зависит от модуляции.
Для TTL это было бы правдой. Но сигналы связи редко используют TTL из-за требований к пропускной способности и целостности сигнала.

Ethernet обычно использует PAM, амплитудно-импульсную модуляцию. Например, два (2) бита могут быть закодированы за импульс с использованием четырех уровней напряжения. Таким образом, в вашем примере потребуется только полмиллиарда изменений напряжения.

Цифровое телевидение может использовать QAM256, квадратурную амплитудную модуляцию, которая использует фазу и амплитуду. Восемь битов могут быть закодированы на символ.

Вместо «изменений напряжения» (что подразумевает только дискретные уровни), используемой метрикой связи является полоса пропускания, которая выражается как частота синусоидальной волны. Анализ Фурье показал бы, что прямоугольная волна, изображенная в вашем вопросе, требует бесконечно высокой пропускной способности.
(Обратите внимание, что фотография выше имеет цифровую область с высокой пропускной способностью, 10 гига-выборок / сек.)

И насколько близок приведенный рисунок к сегодняшним медным кабелям (витая пара)?

Вы никогда не могли бы захватить такие совершенные формы волны в реальной жизни с помощью осциллографа; они не существуют.
И его ярлык «чистый цифровой сигнал» является поддельным, поскольку он показывает переходы между уровнями. Истинный «цифровой сигнал» не будет непрерывным, а будет иметь только прерывистые состояния.

Давайте проясним кое-что еще - хотя это не связано с самим Ethernet, но как это делается в целом «в меди» (и «в воздухе»).

Как я могу себе представить, на кабеле может быть только одно напряжение за раз (поэтому вы не можете иметь 2 напряжения и 3 напряжения одновременно на одной и той же среде справа).

На самом деле, вы можете использовать любое количество «напряжений» в кабеле (ограничено только шириной полосы проводника и качеством оборудования передатчика / приемника). Чтобы достичь этого, вы просто кормите его несколькими ортогональными частотами. Конечно, это приведет к одному выходу «напряжения» (со странной формой волны), но они могут быть разделены на другом конце.

Изменяется ли напряжение в кабеле, который, например, передает 1 Гбит / с, действительно 1 миллиард раз?

В случае частотно-фазово-модулированных сигналов (FM / PM) фактическое изменение напряжения во много раз быстрее, чем сам результирующий цифровой битрейт. Например, в телевизионном сигнале DVB-C чистая скорость передачи битов составляет около 50 Мбит / с (на канал 8 МГц), тогда как несущая частота составляет от 100 МГц до 1 ГГц. При модуляции QAM256 один символ кодирует 8 битов, поэтому 50 Мбит / с генерирует около 6250 кС / с (6,25 миллиона символов в секунду). Это означает, что один символ передается в течение 160 нс (на самом деле это сложнее, но давайте будем проще). 6,25 мс / с передается с использованием несущей 100-1000 МГц. В пределах допустимой полосы имеется около 100 отдельных каналов шириной 8 МГц, поэтому вы можете передавать около 5 Гбит / с по коаксиальному кабелю, в то время как все «напряжения» меняются приблизительно. 50 миллиардов (короткая шкала) раз в секунду (оценивается как:

Со схемой DVB-T это еще сложнее, поскольку каждый канал содержит ~ 2000 или ~ 8000 поднесущих (COFDM), поэтому фактические "напряжения" изменяют свое значение на 20000 ~ 80000 быстрее, чем фактическая скорость передачи битов.

Изменяется ли напряжение в кабеле, который, например, передает 1 Гбит / с, действительно 1 миллиард раз?

В общем да.

Это немного сложнее в реальности, но не слишком много. Если у вас есть несколько доступных проводов, вы можете использовать их для одновременной отправки нескольких сигналов (увеличение пропускной способности или уменьшение частоты).

Вы также можете использовать их для уменьшения помех - если у вас есть витая пара, вы можете отправлять реальный сигнал по одному проводу, а инвертированный - по другому. Затем вы снова инвертируете второй провод на приемном конце и суммируете его с оригинальным - помехи будут отменены.

Также используется дополнительное кодирование, например, 8-битные значения могут передаваться с использованием 10-битных кодов. Это снижает пропускную способность, но позволяет обнаруживать / исправлять ошибки. Коды также разработаны таким образом, что вы можете использовать их для синхронизации часов.

Поскольку вы спрашивали о Gigabit Ethernet по меди - 1000BASE-T, в частности:

1000BASE-T использует все четыре витые пары одновременно в обоих направлениях. Поток гигабитных данных разделен на четыре полосы по 250 Мбит / с каждая. Несколько сложное кодирование (четырехмерная модуляция решетчатого кода) с PAM-5 (5 различных уровней напряжения) доводит скорость передачи символов до 125 МБод - это то же самое, что 100BASE-TX, таким образом, те же самые требования к кабелю Cat-5e, но каждый Лейн транспортирует в 2,5 раза больше информации.