Stromgeschwindigkeit und Datenübertragung

Ich habe an einigen Stellen gelesen, dass Elektrizität sehr langsam ist. Wie kann dann der Internetverkehr in Kupferkabeln so schnell sein? Ich denke, ich habe eine große Wissenslücke über die Datenübertragungsstruktur auf niedriger Ebene. Wie auch immer, ich habe danach gesucht und konnte es nicht finden, also?

Elektrizität in Drähten ist im Wesentlichen die Bewegung von Ladungsträgern wie Elektronen. Diese bewegen sich sehr langsam.

Eine Änderung der Spannung an einem Ende eines Drahtes bewirkt jedoch eine entsprechende Änderung am anderen Ende des Drahtes fast augenblicklich.

Stellen Sie sich eine sehr lange Schlauchleitung vor. Wenn die Leitung beim Aufdrehen des Hahns leer ist, kann es einige Sekunden dauern, bis sich die Leitung mit Wasser füllt, bevor sie am anderen Ende herauskommt. Wenn das Rohr bereits mit Wasser gefüllt ist, drückt das Drehen des Hahns sofort Wasser aus dem anderen Ende.

Die Spannung entspricht in etwa dem Druck. Eine Änderung des Wasserdrucks kann durch ein mit Wasser gefülltes Rohr schneller übertragen werden, als sich das Wasser bewegt.

Genau zu dieser Frage habe ich vor ein paar Jahren einen Blogpost geschrieben .

Obwohl sich die einzelnen Elektronen mit nur wenigen Millimetern pro Sekunde bewegen, bewegt sich das "Signal" ihres Aufeinandertreffens wesentlich schneller (ein großer Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit) .

Beachten Sie, wie die Kugeln sehr langsam in die Röhre eindringen, aber das "Signal", dass eine Kugel eingedrungen ist (die Kraft, die sich in der Röhre ausbreitet), bewegt sich viel schneller. Elektronen, die sich in einem Draht bewegen, arbeiten auf sehr ähnliche Weise.

Die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen in einem Leiter bewegen, ist relativ gering. Informationen werden jedoch über Leiterpaare oder durch Elektrizitätswellen in der Luft übertragen, und diese Wellen bewegen sich sehr schnell: mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum oder ungefähr 2/3 davon in einem Koaxialkabel.

Wenn Sie ein Seil nehmen, ein Ende an etwas anbringen oder es von einem Freund halten lassen und dann Ihr Ende des Seils schnell nach oben und unten drehen, induzieren Sie eine Welle im Seil, die sich schnell von Ihrem Ende zum anderen Ende bewegt. Die Seilpartikel bewegen sich jedoch nicht sehr schnell.

Ein anderes Beispiel ist eine Ozeanwelle. Ein Tsunami bewegt sich mit Hunderten von Meilen pro Stunde, aber das Wasser, das die Welle trägt, bewegt sich nicht so schnell.

Der Strom selbst wandert mit Lichtgeschwindigkeit x Geschwindigkeitsfaktor durch Drähte . So kann ein billiges Stück RG-58-Koaxialkabel mit einem Geschwindigkeitsfaktor von 75% Funkwellen mit 75% der Lichtgeschwindigkeit übertragen.

Die Verwirrung entsteht, weil wir nicht nur Gleichstrom zur Informationsübertragung verwenden, sondern vielmehr einen Wechselstrom oder einen Wechselstrom, der einer Gleichspannung (Modulation) aufgeprägt wird, um dies zu tun. Jedes verwendete Übertragungsmedium hat eine maximale Frequenz, mit der es betrieben wird. Telegraphieren mit DC 5-50 W / min (ein Draht, der an Polen mit Erdung aufgehängt ist). Eine Standard-POTS-Leitung kann 4 kHz (ländliches paralleles 2-Paar-Kabel mit Abschirmung) durchlaufen DSLAM zu Haus), ein CAT5 Ethernet Twisted Pair-Kabel 100MHz und so weiter. Je höher die vom Übertragungsmedium unterstützte Frequenz ist, desto höher ist in der Regel die Datenrate, die durch das Übertragungsmedium geleitet werden kann.

Der Strom fließt mit der gleichen Geschwindigkeit durch das Kabel, aber die immer höhere Schaltrate bringt immer mehr Informationen mit sich.

Zusätzlich zu diesem Konzept der Nutzung von Elektrizität zur Informationsübertragung wird die Art der Modulation verwendet.

In der Nähe können einfache Rechteckserien gut funktionieren. Es kommt in vielen Geschmacksrichtungen. TTL verwendet eine 0-5-Volt-Verschiebung, RS-232 verwendet einen Spannungshub zwischen positiven und negativen 3-15 Volt. usw. usw.

Bei POTS-Telefonleitungen würde das Senden einer Rechteckwelle nicht funktionieren, die Eigenschaften der Leitung machen sie zu einer Sinuswelle, so dass verschiedene Modulationsschemata wie Amplitudenverschiebung, Frequenzverschiebung, Phasenverschiebung oder eine Kombination dieser in QAM verwendeten verwendet werden können verwendet werden, um die Datenrate von 150bps auf 56kbps zu erhöhen.

DSL arbeitet mit einer viel höheren Frequenz als POTS und verwendet eine Modulationstechnik namens Discrete Multi-Tone, die über mehrere Trägerfrequenzen arbeitet (man denke an das Funk-AM-Band und empfange alle Sender gleichzeitig, wobei jeder ein Datensignal überträgt und die anderen kombiniert Ende) unter Verwendung von Phasen- und Amplitudenverschiebungsmodulation, wobei eine Datenrate von 1-7 Mbit / s erreicht wird.

Dies deckt die Teilnehmeranschlüsse ab. Wenn wir in das Internet-Backbone einsteigen, beginnen wir mit digitalen Signalen (DS) und optischen Trägermedien (OC), um den Datenverkehr mithilfe von PCM-Techniken (Pulse Code Modulation) über mehrere Kanäle zu übertragen. Dies ist der wahre digitale Teil des Netzwerks. Der Verkehr bewegt sich wieder in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit, aber die Datenrate ist abhängig von der verwendeten Frequenz und Modulationstechnik.

Nachtrag: Elektronen bewegen sich eine Minute von einem Atom zum anderen. Der Stromfluss, den wir als Elektrizität wahrnehmen, ist eine nahezu augenblickliche Kaskade von Elektronen, die sich über die Länge eines Leiters von einem Atom zum anderen bewegen.