Prędkość energii elektrycznej i transfer danych

W niektórych miejscach czytałem, że prąd jest bardzo wolny. Jak więc ruch internetowy w drutach miedzianych może być tak szybki? Wydaje mi się, że mam dużą lukę w wiedzy na temat niskopoziomowej struktury przesyłania danych. Tak czy inaczej, szukałem go i nie mogłem znaleźć, więc?

Elektryczność w drutach jest zasadniczo ruchem nośników ładunku, takich jak elektrony. Poruszają się one bardzo powoli.

Jednak zmiana napięcia na jednym końcu drutu powoduje niemal natychmiast odpowiednią zmianę na drugim końcu drutu.

Pomyśl o bardzo długiej rurze wężowej, jeśli rura jest pusta po odkręceniu kranu, może upłynąć kilka sekund, zanim rura napełni się wodą, zanim zacznie wypływać z drugiego końca. Jeśli rura jest już wypełniona wodą, odkręcenie kranu natychmiast wypchnie wodę z drugiego końca.

Napięcie jest z grubsza analogiczne do ciśnienia. Zmiana ciśnienia wody może być przenoszona przez rurę pełną wody szybciej niż woda się porusza.

Kilka lat temu napisałem na blogu dokładnie to pytanie.

Zasadniczo, chociaż poszczególne elektrony poruszają się z prędkością zaledwie kilku milimetrów na sekundę, „sygnał” ich zderzenia ze sobą porusza się znacznie szybciej (duża część prędkości światła) .

Zwróć uwagę, jak kule wchodzą bardzo powoli do rurki, ale „sygnał”, że piłka weszła (siła propagująca się w dół rurki) porusza się znacznie szybciej. Elektrony poruszające się drutem działają w bardzo podobny sposób.

Prędkość, z jaką elektrony poruszają się w przewodniku, jest stosunkowo wolna, ale informacje są przenoszone na parach przewodników lub w powietrzu za pomocą fal elektrycznych, a fale te poruszają się bardzo szybko: z prędkością światła w próżni lub około 2/3 tego w kablu koncentrycznym.

Jeśli weźmiesz linę, przymocujesz do niej jeden koniec lub ktoś go przytrzyma, a następnie szybko odwrócisz koniec liny w górę i w dół, wzbudzisz falę w linie, która szybko przesunie się z twojego końca na drugi koniec. Jednak cząsteczki liny nie poruszają się bardzo szybko.

Innym przykładem jest fala oceaniczna. Tsunami podróżuje z prędkością setek kilometrów na godzinę, ale woda niosąca falę nie porusza się tak szybko.

Sama energia elektryczna przemieszcza się przez przewody z prędkością światła x współczynnik prędkości . Tani kawałek kabla koncentrycznego RG-58 o współczynniku prędkości 75% może transmitować fale radiowe przy 75% prędkości światła.

Pojawia się zamieszanie, ponieważ nie używamy tylko prądu stałego do przesyłania informacji, ale raczej prądu przemiennego lub prądu przemiennego wywieranego na napięcie stałe (modulację) w tym celu. Każde zastosowane medium transmisyjne ma maksymalną częstotliwość, przy której będzie działać. Telegraf z wykorzystaniem przełączanego prądu stałego 5-50 wpm (drut zawieszony na biegunach z powrotem uziemienia), standardowa linia POTS może przechodzić 4 kHz (wiejski kabel równoległy 2 pary z ekranem), linia DSL w pobliżu DSLAM może przechodzić 2 MHz (skrętka z DSLAM do domu), skrętka Ethernet CAT5 Ethernet 100 MHz i tak dalej. Zazwyczaj im wyższa częstotliwość, którą nośnik transmisji może obsłużyć, tym wyższa może być przez nią transmisja danych.

Elektryczność przepływa przez kabel z tą samą prędkością, ale coraz wyższa szybkość przełączania przenosi coraz więcej informacji.

Oprócz tej koncepcji wykorzystania energii elektrycznej do przesyłania informacji stosuje się rodzaj modulacji.

Blisko, prosty szeregowy falowy kwadrat może działać dobrze. Występuje w wielu smakach. TTL wykorzystuje przesunięcie 0-5 woltów, RS-232 wykorzystuje wahania napięcia między dodatnim a ujemnym 3-15 woltów. itd itd.

W przypadku linii telefonicznych POTS transmisja fali prostokątnej nie działałaby, charakterystyka linii przekształca ją w falę sinusoidalną, dlatego stosuje się różne schematy modulacji, takie jak przesunięcie amplitudy, przesunięcie częstotliwości, przesunięcie fazowe lub kombinacja tych stosowanych w modulacji QAM, które mogą może być użyty do zwiększenia prędkości transmisji danych ze 150bps do 56kbps.

DSL działa na znacznie wyższej częstotliwości niż POTS i stosując technikę modulacji o nazwie Discrete Multi-tone, działa na wielu częstotliwościach nośnych (pomyśl pasmo AM radiowe i odbieraj wszystkie stacje jednocześnie, każda z nich przenosi sygnał danych i łączy je w drugiej koniec) za pomocą modulacji przesunięcia fazowego i amplitudowego, osiągając wartość danych 1-7 Mb / s.

Obejmuje to pętlę lokalną, kiedy wchodzimy do szkieletu internetowego, zaczynamy używać takich rzeczy, jak media Digital Signal (DS) i nośniki optyczne (OC), aby przenosić ruch za pomocą technik PCM (Pulse Code Modulation) na wielu kanałach. To jest prawdziwa cyfrowa część sieci. Po raz kolejny ruch porusza się z prędkością bliską prędkości światła, ale baza danych zależy od częstotliwości i zastosowanej techniki modulacji.

Dodatek: Elektrony przemieszczają się z jednego atomu na drugi w niewielkiej odległości. Przepływ prądu, który postrzegamy jako elektryczność, jest niemal natychmiastową kaskadą elektronów przemieszczających się z jednego atomu na drugi na długości przewodnika.