Как информация передается по проводам
Перейти к содержимому

Как информация передается по проводам

  • автор:

Как на самом деле передаются биты по сетевому кабелю?

Вот есть длинная цепь кабелей, соединяющих ПК рядового пользователя и сервер YouTube. Соответственно если пользователь сидит в Таганроге, то биту информации придётся пройти кучу проводов, где-то медных, где-то ещё каких.
В некоторых источниках говорится, что биты упаковываются в виртуальный контейнер (пакет) и летят к адресату. Но тут то и возникает большой вопрос. Что из себя представляет этот контейнер? Как можно передать контейнер, если провод передаёт лишь 2 состояния: есть сигнал или нет сигнала.
И вот еще схожий вопрос. Допустим расстояние кабеля 1.000 км. Вот мы выпустили бит (единицу) по этому кабелю в виде «есть сигнал». Значит на всей протяженности кабеля в 1 тысячу км «есть сигнал»? А через наносекунду мы пускаем второй бит (ноль) «нет сигнала», то и на всей протяженности нет сигнала? Иначе говоря, как один и тот же проводник одновременно может иметь напряжение и не иметь?

  • Вопрос задан более трёх лет назад
  • 14854 просмотра

Комментировать
Решения вопроса 3

pi314

Президент Солнечной системы и окрестностей

Наличие-отсутствие сигнала в проводе было во времена телеграфных аппаратов, т.е. примерно лет двести назад. С тех пор много чего изменилось. В современном сетевом кабеле (возьмем для примера только медь), по кабелю передаются импульсы с частотой 100, 250, 500 и более МГц, причем, не по одной, а по 2, 4 или даже 6 парам. (Вообще-то, там все несколько сложнее, но для понимания сути вполне достаточно считать пары параллельными линиями передачи.) Принято говорить о парах проводов, т.к. не бывает уровня (потенциала), самого по себе; уровень — он всегда относительно чего-то другого, например, в одном проводе относительно другого провода. Отсюда пары, а почему они называются витыми — гуглить самостоятельно. Передаваемый сигнал промодулирован т.н. Импульсно-Амплитудной модуляцией (PAM), т.е. передающая и принимающая стороны различают 3, 5 или даже 16 разных уровней сигнала, которыми, грубо говоря, и закодированы соотв. биты.

66e6c58266524ec6bb132fb384638d75.jpg

Таким образом можно передавать по кабелю несколько «разных бит» одновременно. Ну, а ситуация, когда в один и тот же момент времени в одном месте проводника один потенциал, а в другом — другой, вообще, должна быть привычна даже для школьной физики. так работает любая антенна и, вообще, любой проводник с переменным током. Если отвечать на вопрос буквально, то в «одном месте» каждой пары в любой момент времени «находится» только один передаваемый импульс, но это может означать много разных бит.

Теперь о скорости и расстоянии. Скорость распространения сигнала в проводнике на уровне школьной физики (если там, конечно, сейчас об этом вообще рассказывают) принято считать равной скорости света в вакууме, около 3m за 1 ns, но на практике она меньше, т.к. проводник не идеален и, как правило, находится не в вакууме, а в изоляции из диэлектрика. Привносимая диэлектриком паразитная емкость снижает скорость распространения сигнала в проводнике (не путать со скоростью распространения поля!) Но те, кто не прогуливал физику с математикой, вполне могут прикинуть порядок цифр для проводника длиной 1000км, как для поезда, идущего из А в Б или даже «расстояние» между двумя соседними битами, передаваемыми по одной паре 🙂

Правда, полученые таким нехитрым рассчетом результаты (пусть даже с учетом волновых характеристик кабеля) все еще далеки от реальности для расстояний в тысячи км, т.к. даже в самом лучшем кабеле такой длины вся энергия сигнала передающей стороны превратилась бы в тепло и излучение, и принимающей стороне осталась бы только дырка от бублика. Длина реального сетевого кабеля между двумя устройствами (витая пара!), грубо говоря, не может превышать 100м. Дальше сигнал попадает в другое устройство, которое вносит свои задержки, и т.д. и т.п. от Таганрога, и до самого Ютюба. Конечно, не все эти устройства соединены медью, но мы не станем вдаваться в тонкости распространения света в разных оптических средах, и радиоволн в ионосфере, чтоб у среднестатистической аудитории Тостера ненароком не снесло крышу. Тут важно только то, что на практике мы имеем уже не ns, а десятки, сотни и более ms задержки.

Это было даже не введение, а популярно-упрощенная шпаргалка на тему того, «как биты идут по проводам», или, выражаясь проще, что происходит в сети на уровне 1 семиуровневой модели ISO/OSI. Пакеты, а также фреймы, датаграммы и пр. абстрактные договоренности о том, как именно считать биты — это уже из другой оперы, точнее, на других уровнях, причем, на каждом свои, и одни в других. Учитывая то, что внутри процессора и памяти (где мы имеем дело с данными из этих пакетов) происходит все то же самое, что и в кабеле, на любом уровне модели вполне корректно считать, что пакет этого уровня доставляется «единомоментно».

Ответ написан более трёх лет назад
Нравится 10 6 комментариев

Kademn

Черт возьми! А ведь меня только что убедили, что это та же самая магия, которая движет самолеты!
«Я верю в то, во что запрограммирован верить» (Футурама)

pi314

Павел: В самолетах эта конкретная магия только в начинке, а про ту, на которой они летают, я не могу рассказывать на Тостере. Иначе меня забанят за несоответствие тематике ресурса 🙂 Но по сути Вы абсолютно правы — обе магии похожи друг на друга, как два листа одного дерева.

Urukhayy @Urukhayy Автор вопроса

pi314: Как в один момент времени в промежутке проводника (один провод, без всяких жил) может передавать сразу 2 бита? Ведь «есть сигнал» — это какое-то напряжение на концах этого проводника. И чтобы начать передавать второй бит, нужно напряжение изменить. И поэтому вроде как не могут сразу 2 бита передаваться по одному проводнику. Представьте рельсы и вагоны. Ведь так биты не могут передаваться, как едут вагоны друг за другом. Я представляю это как — один вагон с бешеной скоростью проносится от начала пути и до конца. А второй вагон ждёт пока этот вагон «дойдёт» до конца, и только потом начинает путь.

Jump

АртемЪ @Jump Куратор тега Системное администрирование

Urukhayy: Для начала неплохо бы понять что такое напряжение.
Это разность потенциалов между двумя точками.
Например между двумя проводниками.
Поэтому берем два проводника создаем между ними разность потенциалов (напряжение) и эта разность появляется на других концах этих проводников.
Можно менять разность потенциалов раз в секунду — тогда грубо говоря вы будете передавать 1бит в секунду.
Можно менять разность потенциалов сто раз в секунду — будете передавать 100бит в секунду.
Можно менять разность потенциалов миллион раз в секунду — будете передавать миллион бит в секунду.

Это если просто.
А на практике сигнал модулируется по амплитуде, поэтому за одно изменение передается не один бит, а намного больше.

И вообще по медному кабелю никто ваш сигнал до ютуба не передает.
Все исключительно по оптике.

Kademn

Urukhayy: Ваши рассуждения странным образом напоминают апории Зенона. Те самые гонки Ахиллеса с черепахой, неподвижные стрелы.
А еще вспоминаются стихи, не помню за чьим авторством:

— Движенья нет — сказал мудрец.
Другой смолчал, но стал пред ним ходить
И лучше он не смог бы возразить.

pi314

Urukhayy: Прежде всего, не нужно отождествлять бит (количество информации) с электрическим потенциалом, например, фронтом импульса, распространяюшегося в проводнике. Это разные вещи. Импульс — это вагон, а бит — это один пассажир в вагоне. Но в вагоне может быть и больше пассажиров. может быть пол-пассажира (один бит информации «едет» в двух разных вагонах). а может и вообще не быть: вагон едет, но в нем пусто! Это в канале связи называется несущей (carrier), т.е. импульсами/колебаниями, не промодулированными никакой информацией.

Как в вагоне может одновременно поместиться больше одного пассажира? Да очень просто! За это отвечает протокол, т.е. изначальная договоренность сторон о том, какой смысл придается тому или иному вагону.

Сам по себе импульс, точно так же, как и бит, никакого смысла не имеет — смысл возникает, когда импульс приходит или не приходит, причем, в простейшем случае, не только из этого импульса, но также из пришедших или не пришедших ранее. Это вариант протокола с логической компрессией данных. Так, упрощенно говоря, один бит передаваемого черно-белого растрового изображения может означать один единственный черный пиксель на картинке, а может — если последовательность бит закодирована, например, RLE(run-length encoding) — целую область черного цвета. Бит пришел один, но с т.з. принимающей стороны, как только он «пришел», на экране отобразилась целая область из многих пикселей. Сколько он «принес» информации? Правильно, много!

Именно по этому в протоколах принято говорить не об отдельных передаваемых битах/импульсах и т.д., а об их цепочках, называемых пакетами. Развивая аналогию, пакет — это состав вагонов. Пакеты бывают разной длины и определяются протоколами разных уровней, а на первом уровне (на уровне физического носителя в виде медного провода) они кодируются импульсами, причем, совсем не обязательно, один бит — одним импульсом!

Но это все, так сказать, ИТ-шная верхушка айсберга 🙂 Еще по крайней мере столько же, если не больше вариантов уплотнения информации существует на самом физическом уровне передачи информации по проводу с помощью электромагнитных колебаний. В ISO/OSI модели они называются обобщенно протоколами первого уровня. В основном речь идет о разных видах модуляции, уровнях, несущих частотах и т.д. Никого же не смущает тот факт, что каждая точка антенны радиоприемника в определенный момент времени имеет один потенциал, а разных радиостанций в этот момент можно слушать много? В проводе происходит все то же самое! По одному проводу можно передавать одновременно сигнал множества совершенно разных логических каналов.

Про один единственный импульс, распространяющийся в проводе, нельзя сказать, сколько он несет бит информации, если не знать при этом ВСЕХ протоколов (как «логических», так и «физических»), поучавствовавших в том, что вот он тут сейчас есть и распространяется 🙂 А их очень много (целый стек!) и все они, в принципе, направлены на максимальное уплотнение передаваемой информации.

Интернет — это целый мир. Этот мир состоит из миллиардов узлов, соединенных между собой линиями связи — это и есть сеть. Некоторые линии связи тонкие, они соединяют несколько узлов, например несколько компьютеров в здании, или несколько зданий в локальную сеть, некоторые средние — они соединяют одни подсети с другими подсетями, например несколько локальных сетей в пределах города, некоторые — очень толстые, магистрали, они соединяют целые сегменты сети, города, страны, и даже целые материки.
Для того, чтобы разобраться во всех этих миллиардах связей, чтобы понять, кому и что отправлять, давно, еще за тысячи лет до интернета, придумали такую вещь, как маршрутизация.

Что такое маршрутизация?
Маршрутизация — это принцип, определяющий кому передать то или иное сообщение. Он довольно прост: если ты видишь получателя — передай сообщение ему, если не видишь, но знаешь того, кто видит — передай сообщение ему, если не видишь и не знаешь того, кто видит — передай сообщение узлу уровнем выше, дефолтному шлюзу, может быть он сумеет найти получателя.
Таблица маршрутизации — список узлов, которые ты видишь, а также узлов, известных тебе, которые видят кого-то еще. Также в таблицу маршрутизации входит адрес вышестоящего узла — шлюза по умолчанию, на случай если ты не будешь знать, кому еще передать сообщение.
Сообщений на узлах скапливается много, поэтому их упаковывают в контейнеры, и отправляют сразу по много штук. В сети такие контейнеры — протоколы, пакеты же — мельчайшие единицы информации, атомы, с которыми эти протоколы работают. В реале — это транспортные контейнеры размером с трейлер, а пакеты — мешки с письмами.
Узел — любое устройство, подключенное к сети, имеющее заполненную таблицу маршрутизации, т.е. имеющее возможность участвовать в пересылке сообщений. Это не только серверы, аппаратные маршрутизаторы, но и даже твой компьютер.
Отправители и адресаты же — конкретные приложения, работающие на твоем и других компьютерах, за которыми закреплены определенные номера портов. Именно по номерам портов и идет идентификация отправителей и получателей, номера портов — это адреса отправителей и получателей

Представь, что тебе надо отправить письмо в другую страну. Письмо — это сообщение.
Ты пишешь его, опускаешь в почтовый ящик, его забирает почтальон, доставляет на почту. На почту поступают письма от всех жителей района, все они сваливаются в одну большую кучу, и разбираются сортировщиками. Сортировщики — те, кто проверяет письма по таблице маршрутизации.
Сортировщики, ориентируясь на индекс, разбирают кучу на две части: локальные сообщения и внешние.
Локальные — предназначенные жителям того же района, почтовое отделение знает, где находятся получатели. Это так называемый localhost. Позже эти сообщения еще раз разбираются по домам: каждый дом обслуживает свой почтальон, он просто берет пачку писем для своих домов и разносит по адресам.
Внешние — почтовое отделение не знает, где находятся получатели, поэтому отправляется эти сообщения машиной на дефолтный шлюз почтового отделения, городской почтовый узел, где они точно также все складываются в одну кучу, которую точно такие же сортировщики разбирают на те же две кучи: локальные сообщения и внешние.
Локальные сообщения позже делят на несколько кучек — по одной на каждое почтовое отделение города, их заберут машины этих почтовых отделений, когда доставят новую порцию исходящих писем. Несколько локальных кучек — городской почтовый узел знает тех, кто знает, где находятся получатели — другие городские почтовые отделения.
Внешние — на две больших группы: сообщения для тех городов, с которыми у этого города налажено регулярное почтовое сообщение — эти сообщения отправляются непосредственно в город, где живет получатель. Все остальные сообщения — их неизвестно куда отправить, поэтому они отправляются на дефолтный шлюз городского почтового отделения — в главпочтамп, в Москву.
В Москве — центральный сортировочный узел, который имеет связь не только с другими городами и областями, но и с другими странами. Поэтому там письма сортируются на гораздо большее количество кучек, и каждая отправляется в свою сторону.
Москва также — пограничный шлюз, шлюз между двумя разными сетями, например локальной сетью и городской, или между медью и оптикой, или между городами или материками, в реале — между разными странами.
На пограничных шлюзах, помимо маршрутизации, осуществляется также конвертация сообщений — преобразование их из одного вида в другой, например из электричества в свет, или меняется адресация подсети, сам формат адресов или же просто смена номера подсети, в реале — проставляется международный штемпель. Также на пограничных шлюзах может идти перепаковка сообщений из одного контейнера в другой, например вместо автомобилей — погрузка на поезд, корабль, или самолет.
Таким вот образом сообщение попадает на другой пограничный шлюз — центральное почтовое отделение страны назначения, откуда, сверяясь по индексам на конверте, отправляется в городское отделение города назначения, откуда переправляется в отделение с указанным индексом (читай — на компьютер получателя), откуда уже почтальон доставляет его непосредственно получателю — передается в конкретный порт, который слушает приложение, которому предназначено это сообщение.

Ответ написан более трёх лет назад
Комментировать
Нравится 4 Комментировать
throughtheether @throughtheether
human after all

Как на самом деле передаются биты по сетевому кабелю?

В честь первого апреля открою вам страшную тайну, а в случае нашествия апологетов ISO/OSI («на физическом уровне биты, потому что так написано в стандарте/Олифере») скажу, что это шутка.

Биты по кабелю не передаются. Их вообще в компьютере нет. Их нет на экране — там пиксели, их нет на жестком диске — там намагниченность поверхности, их нет в оперативной памяти — там заряд конденсатора. Биты (байты) — это абстракция, упрощающая разработку протоколов взаимодействия устройств. Вместо того, чтобы требовать «при падении интенсивности излучения менее такого-то порога подать на выход такое-то напряжение», оперируют битами и байтами (хотя люди, разрабатывающие трансиверы/PHY, этой роскоши лишены).

Итак, биты по кабелю не передаются, по кабелю (точнее, в среде) передаются сигналы. Каждому типу среды — свой сигнал. В электрическом кабеле сигнал представляет собой изменение тока или напряжения во времени. В оптоволоконном — изменение интенсивности излучения во времени. При передаче при помощи радиоволн — изменение напряженности электрического и магнитного полей или же наведенного в антенне тока во времени.

Далее, при помощи различных видов модуляции (modulation, keying) можно поставить в соответствие группу бит (абстрактных двоичных циферок, придуманных для удобства) некоему «кусочку» (иногда используют термин «чип», «chip») сигнала определенной формы. Допустим, биты 00 представляются как напряжение +5 вольт в течение установленного периода, 01 — +2.5 вольт, 10 — -2.5 вольт, 11 — -5 вольт. Если при этом в этот же период на кабель наведена внешняя помеха или другой трансивер передает по этой же линии, то напряжения просто-напросто сложатся (например, будет +5.1 вольт вместо +5). Тогда перед принимающим трансивером встает задача — из наблюдаемого сигнала сложной формы извлечь и обработать установленный паттерн. Это к вопросу «как один и тот же проводник одновременно может иметь напряжение и не иметь?». Более того, некоторые трансиверы отправляют сигналы по тому же каналу и в то же время, что и принимают (1000BASE-T, по-моему), то есть в кабеле наблюдается «каша» из двух передаваемых сигналов одновременно, что решается путем применения различных DSP-алгоритмов. Именно поэтому, если не ошибаюсь, нет внятного способа снять дамп трафика с гигабитной Ethernet-линии на витой паре при помощи пассивного устройства.

Если что-то непонятно объяснил или остались еще вопросы, готов пояснить.

Вопрос в какой форме информация передается по проводам?

То что это движение заряженных частиц я знаю.На примере телевизора — как изображение и звук выглядит в самом проводе во время движения по нему?

Лучший ответ

По проводам бегут электромагнитные волны.
Информация в электромагнитной волне переносится при помощи модуляции. модуляция это когда в волнах что-то делается разным, т. к. идеальная монохромная волна не несет никакой информации, кроме своей частоты и амплитуды. В самом простом случае это делают просто волны разной амплитуды. Скажем, на одной длине волны одна амплитуда. Это бит равный нулю. А на другой длине волны другая амплитуда. Это бит равный единице. Вот так и передаются нули и единицы по проводам. Чередуются волны разных амплитуд. Это называется амплитудная модуляция. Её более сложный вид, это когда передается не набор из двух амплитуд, а скажем набор из 10 или даже 16 амплитуд. В этом случае плотность кодирования на одной волне возрастает и значит возрастает и скорость передачи информации.
Сейчас правда такая схема уже давно не применяется. В самом деле, чтобы уплотнить информацию и тем самым повысить скорость ее передачи, надо применять волны с более короткой длиной волны и тем самым с большей частотой. Но высокочастотные волны разогревают провода и увеличивают тепловой шум. В этих помехах тонер разница амплитуд между единичным и нулевым битами. А увеличивать амплитуду сигнала на уровень гораздо выше, чем уровень таких тепловых шумов не удается из-за нелинейных искажений сигнала.
Поэтому в современных средствах передачи сигналов применяют не амплитудную модуляцию, а частотную и фазовую. Это когда на разных участках волны меняется частота волны и ее фаза. Приборами гораздо легче измерять фазу и частоту волны в шумах, чем амплитуду.
Ну и, наконец, в реальности используется модуляция не по абсолютной величине, а модуляция градиентов (нарастаний) частоты, фазы и амплитуды тоже.

Станислав СпицынУченик (131) 1 год назад

Действительно высокий разум, особо талантливый специалист и может быть прекрасным учителем. БЛАГОДАРНОСТЬ.

Остальные ответы
Цифровая форма: 1,2,0
Максим СмирновМастер (1465) 14 лет назад
хорошо как выглядит эта двоичная система если я не ошибаюсь в самом проводе на молекулярном уровне
изменение амплитуды напряжения со временем, даже цифровой сигнал так же гуляет
Максим СмирновМастер (1465) 14 лет назад
А можно пояснить а то тяжело понять

metrA Гуру (4573) ну например сеть 220 вольт, там форма сигнала синусоида, в телевизоре форма намного сложнее, но по сути своей одно и то же, просто в сети 220 вольт сигнал переодичен, т.е. через повторяющийся, а звук например не повторяется, что нельзя сказать о цыфровом сигнале тактирования, который тоже переодичен

В самом проводе они выглядят как переменный ток в виде импульсов или колебаний сложной, постоянно меняющейся формы.

сигналы есть аналоговые и .
вот аналоговые при передаче по проводам обычно меяется напряжение хотя можно менять и частоту что не применяется при вещании радио

Это сложно пояснить человеку, незнакомому с понятиями амплитуды, частоты, модуляции. Нужно хотя бы понимать, что такое функция.
Если совсем просто: электрический ток — движение заряженных частиц. А движение имеет свою скорость. Сейчас скорость такая-то, через микросекунду скорость может измениться — это изменение и воспринимается как некий сигнал.

Если привязать концы провода к пустым консервным банкам, то звук будет передаваться простым и понятным звуковым колебанием. То же самое можно сделать со световолоконным кабелем — просто, надёжно и понятно как оно работает.

Булат 1Оракул (54399) 14 лет назад

Не так-то и просто. Недавно мой знакомый (человек в общем-то более-менее прошаренный в электронике, компутерах и т. п.) мне заявил, что свет в оптоволокне «искривляется» и долго не верил, когда я ему сказал, что он по нему идёт за счёт полного внутреннего отражения, а не «искривляется».

Физический уровень

UTPCat.jpg

Витая пара представляет из себя два изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар. (Два параллельных провода образуют простейшую антенну, витая пара — нет.) Сигнал обычно передается в виде разницы потенциалов в двух проводах, составляющих пару. Это обеспечивает лучшую устойчивость к внешнему шуму, так как шум одинаково влияет на оба провода, и, таким образом, разница потенциалов остается неизменной.

Самым распространенным применением витой пары является телефонная линия.

Витая пара может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях из-за ослабевания сигнала требуются повторители.

Коаксиальный кабель

StrukturaKoacsiala.png

Коаксиальный кабель состоит из твердого медного провода, расположенного в центре кабеля, покрытого изоляцией. Поверх изоляции натянут цилиндрический проводник, обычно выполненный в виде мелкой медной сетки. Он покрыт наружным защитным слоем изоляции (пластиковой оболочкой).

Коаксиальный кабель лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Данный вида кабелей используется для передачи радиочастотных электрических сигналов. Благодаря совпадению осей обоих проводников у идеального коаксиального кабеля оба компонента электромагнитного поля полностью сосредоточены в пространстве между проводниками и энергия не теряется.

Коллизии

Коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи — доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.

EthernetCollize.png

Пускай в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Так как каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение — факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра.

Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

Распространение сигнала по проводам

Сигнал – это средство передачи информации из одного пункта в другой. Потребность в передаче информации существовала уже довольно давно. Одним из первых способов передачи информации без участия человека или животных в качестве переносчика – это сигнальные костры. Информация о какой-либо опасности передавалась посредствам последовательного разведения костров от одного сторожевого поста к другому.

Для передачи сигналов по проводам используются электромагнитные сигналы. Этот способ связи предусматривает передачу информации за счет изменения какого-либо параметра несущего электрического сигнала. Если вернуться к примеру про костры, несущим сигналом будет отсутствие огня(то есть костер не горит). Когда передающая сторона решит отправить сигнал, она зажжет костер, тем самым изменив наблюдаемую принимающей стороной картину.

Основным носителем информации электромагнитного сигнала являются электроны.

О скорости движения электронов

Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с). Однако взаимодействуют друг с другом электроны со скоростью света.

Один из способов представить движение электронов в проводнике – это вагоны поезда. Сами вагоны движутся медленно, только начинают движение, и волна сцеплений передаётся гораздо быстрее.

Electro-train.png

Электромагнитный сигнал

Сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, описываемое уравнением: [math]X=X_ \cdot sin(\omega t+\phi_0)[/math] , где [math]Х_[/math] – амплитуда колебаний, [math]\omega[/math] – частота колебаний, [math]t[/math] – время, [math]\phi_0[/math] – начальная фаза колебаний.

Передать цифровые данные по проводу можно, управляя одним из параметров сигнала несущей частоты: амплитудой, частотой или фазой. Так как необходимо передавать данные в двоичном виде (последовательность единиц и нулей), то можно предложить следующие способы управления (модуляции): амплитудный, частотный, фазовый. Подробнее про модуляции см. соответствующий раздел.

Упрощенно передача сигнала будет выглядеть следующим образом: каждый такт отправляющая сторона(генератор) будет генерировать волну разных частот — [math]f_0[/math] , если мы хотим отправить 0 и [math]f_1[/math] , если 1.

Пример: Типичным аналоговым каналом является телефонный канал. Когда абонент снимает трубку, то слышит равномерный звуковой сигнал – это и есть сигнал несущей частоты. Так как он лежит в диапазоне звуковых частот, то его называют тональным сигналом. Для передачи по телефонному каналу речи необходимо управлять сигналом несущей частоты – модулировать его. Воспринимаемые микрофоном звуки преобразуются в электрические сигналы, а те, в свою очередь, и модулируют сигнал несущей частоты. При передаче цифровой информации управление производят информационные байты – последовательность единиц и нулей.

Как информация передается по проводам

Как информация передается по проводам? С какой скоростью электроны

21 век по праву считается информационным. Информация занимает первое место в нашей жизни. И далеко не самым последним является передача этой информации.

Обычные металлические провода все еще остаются довольно популярным способом передачи данных. Сегодня существует масса стандартов, которые используются в различных сферах деятельности человека. Это может быть всем знакомая витая пара, LVDS ( lowvoltage differential signaling ) и так далее. Но мало кто представляет себе как происходит передача данных по этим проводам.

Сигнал передается в виде битовой последовательности, иначе говоря используется цифровой сигнал . Многие полагают, что по линиям связи передается ток: «Когда ток течет, тогда 1, когда не течет, тогда 0». Но это не совсем так. Если бы принцип передачи заключался именно в передаче электронного потока, то скорость передачи данных была бы крайне низкой. Так что же мы передаем по проводам?

Когда электрон на одном конце провода начинает свое движение, он порождает переменное магнитное поле , которое, как мы знаем, является источником переменного электрического . Таким образом по проводам мы передаем электромагнитную волну. Именно по этому вы практически не чувствуете задержки при общении с человеком. Но провода не являются идеальными из за своих конструктивных особенностей: у них имеется емкость, индуктивность, сопротивление. Поэтому скорость распространения несколько снижается. В данном случае, мы рассматриваем эту систему, как полубесконечную длинную линию. Длинная линия — это понятие из радиотехники, в этой статье я не стану углубляться в теоретические подноготные этого предмета, ведь не это сейчас главное.

Второе заблуждение касается того, что скорость передачи данных определяется тем, с какой скоростью информационный бит может «добежать» от передатчика до приемка.

Итак, как мы выяснили — передаем мы вовсе не электроны, а электромагнитные волны. Но чем определяется скорость передачи данных? В первую очередь это зависит от передающего и принимающего устройств. Сейчас мы будем считать, что они идеальны. Под скоростью передачи данных понимается то количество бит, которое мы можем передать к другому устройству за единицу времени. И это в первую очередь зависит от того, с какой максимальной частотой мы можем менять уровни напряжения в линии. Из-за все тех же конструктивных особенностей проводов они обладают реактивностью. То есть передающее устройство обладает ограничениями по скорости изменения уровня сигнала, так как входные емкость и индуктивность передающих проводов не нулевые.

Так всё растущие потребности человечества вынудили инженеров придумать новый способ передачи данных. И он был найден в оптоволоконных кабелях.

С какой скоростью электроны «бегают» по проводам?

Думаю ни для никого не секрет, что носителями заряда в металле являются свободные электроны, которых там очень много. Если человек задастся сегодняшним вопросом, то может ответить, что скорость электронов в проводнике очень большая, сравнимая со скоростью света. Ведь как только мы переключаем выключатель, чтобы включить свет в комнате, тот в свою очередь появляется мгновенно. Можно простить обывателя за такой вывод, ведь мало кто изучал физику на серьезном уровне.

Сейчас мы с вами разберемся, где зарыта правда. Делать выводы мы будем исходя из классической теории металлов , не учитывая квантовых аспектов. В чем же суть классической теории металлов?

Классическую теорию металлов разработал Пауль Друде . Он предположил, что электроны проводимости в металле ведут себя словно молекулы идеального газа и в промежутках между соударениями движутся свободно. Но в отличие от молекул газа, пробег которых определяется соударениями друг с другом, электроны сталкиваются преимущественно с ионами , образующими кристаллическую решетку металла. Эти столкновения приводят к установлению теплового равновесия между электронами и кристаллической решеткой.

Полагая, что на электронный газ могут быть распространены результаты кинетической теории газов , можно оценить их среднюю скорость теплового движения. Вычисляется она по следующей формуле:

k- постоянная Больцмана T- температура в Кельвинах m- масса электрона

Подставим все величины, температуру примем за комнатную (27 градусов Цельсия или 300 Кельвин)

И мы получаем величину хоть как-то сравнимую со скоростью света (скорость света равняется 3*10^8 м/сек). Но мы посчитали скорость их хаотического, то есть беспорядочного движения . А насколько мы знаем, электрический ток — это упорядоченное движение частиц. Поэтому я предлагаю рассчитать максимально возможную скорость упорядоченного движения электронов.

Чтобы мы могли говорить боле общо, речь вести будем не о токе, а о плотности тока . Это величина равная силе тока, которая проходит через какое-либо поперечное сечение проводника (обозначается она буквой j). Например: пусть по проводу с площадью поперечного сечения 2 мм^2 течет ток силой 1 Ампер. Тогда плотность тока в данном случае будет составлять j= 1/2 = 0,5 А/мм^2. Плотность тока вычисляется по следующей формуле:

n — концентрация электронов в единице объема e — заряд электрона u — средняя скорость упорядоченного движения.

Максимально возможная конструктивная плотность тока составляет около 10 А/мм^2, если ток выше этого значения, то медные провода просто начнут плавиться. Ну и среднее значение концентрации электронов в металле составляет около 10^23 в каждом кубическом сантиметре. Выразив все в одной системе единиц и подставив в это уравнение, найдем максимальное значение скорости упорядоченного движения:

И как вы видите она составляет всего 1 мм в секунду ! Явно не по этой причине лампочка загорается так быстро. Но мы так и не ответили на вопрос: почему так происходит?

На самом деле ответ на данный вопрос, в отличие от предыдущего, довольно прост. Представьте себе огромную очередь битком набитую людьми. И пусть с конца очереди кто-то большой и массивный начал сильно толкать всех вперед. В этом случае начало очереди довольно быстро придет в движение, хоть и хулиган, который толкал всех сзади, двигался очень медленно.

Тоже самое происходит в проводах: когда электроны от источника начали свое движение, их импульс быстро, практически со скоростью света, передался электронам у приемника. Только в очереди людей вы передаете взаимодействие путем толчков, а электроны взаимодействуют при помощи электромагнитных сил .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *