Das physikalische Arbeitsparadigma eines auf Draht übertragenen Signals

Question

Das physikalische Arbeitsparadigma eines auf Draht übertragenen Signals

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smwikipedia 2011-02-10 в 03:54

Mögliches Duplizieren:
Wie funktioniert die Netzwerkkarte physisch?

Hallo,

Dies kann eher eine Frage der Physik sein, also bitte um Verzeihung, wenn es irgendwelche Unannehmlichkeiten gibt.

Wenn ich Computernetzwerke studiere, lese ich oft so etwas

Um ein Signal darzustellen, legen wir eine Spannung an einem Ende des Drahts an, und das andere Ende erfasst die Spannung und damit das Signal.

Ich frage mich also, wie genau ein Signal durch den Draht geht ?

Mein aktuelles Verständnis basiert auf meinem formalen Wissen über Elektronik:

Zuerst brauchen wir einen engen Stromkreis, um das elektronische Feld zu beschränken. Wenn wir eine Spannung an einem Punkt A der Schaltung anlegen, beginnt sich das elektronische Feld innerhalb des Schaltungsmediums aufzubauen. Dieser Prozess sollte so schnell wie die Lichtgeschwindigkeit sein. Und während das elektronische Feld aufgebaut wird, werden die Elektronen innerhalb des Schaltungsmediums bewegt, und somit tritt elektronischer Strom auf. Sobald der elektronische Strom stark genug ist, um an einem anderen Ort B in der gesamten Schaltung erfasst zu werden, weiß B was ist bei A passiert und somit ist die Kommunikation zwischen A und B erreicht.

Das Obige spricht nur über den Vorgang des Sendens einer einzelnen Spannung durch einen Draht. Wenn es einen Bitstrom gibt und wir eine Reihe von Spannungen senden müssen, bin ich mir nicht sicher, welche der folgenden Aussagen zutrifft:

Die 2. Spannung sollte erst von A gesendet werden, nachdem die 1. Spannung bei B erkannt wurde. Das Zeitintervall ist die Zeit, die erforderlich ist, um das elektronische Feld im Medium zu stimulieren und einen erkennbaren elektronischen Strom bei B zu bilden.
Es können mehrere verschiedene Spannungen auf dem Draht nach dem anderen gesendet werden, verschiedene elektronische Stromwerte werden gleichzeitig auf dem Draht vorhanden und kommen nacheinander bei B an .

Ich hoffe, ich habe mich klargestellt und jemand anderes hat sich diese Frage schon einmal überlegt.

(Ich markiere diese Frage mit dem Netzwerk, weil ich nicht weiß, ob es eine bessere Option gibt.)

Vielen Dank,

Sam

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Ist dies nicht nur eine Überarbeitung Ihrer vorherigen Frage "Wie funktioniert die Netzwerkkarte physisch?" http://superuser.com/questions/238617/how-does-network-interface-card-work-physically Linker3000 vor 13 Jahren 0

@ Linker3000 dieser hat einen anderen Fokus als sein vorheriger barlop vor 13 Jahren 1

Übereinstimmend - anderer Fokus (daher 'Überarbeitung'), aber immer noch gefragt, wie die physikalische Schicht funktioniert. Linker3000 vor 13 Jahren 0

Nur zu Ihrer Information, die Geschwindigkeit eines Signals durch ein Kabel hat nicht die Lichtgeschwindigkeit (c) - normalerweise etwa 0,6 bis 0,7 Grad Linker3000 vor 13 Jahren 1

Die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im freien Raum ist c, unabhängig davon, ob die Welle Lichtfrequenzen oder Funkfrequenzen aufweist. Wenn Sie eine Übertragungsleitung bauen könnten, die klein genug ist, um Wellen mit Lichtfrequenzen zu übertragen, würden sich diese Wellen ebenfalls um etwa 0,6 ° C bewegen. Die Lichtgeschwindigkeit in einer optischen Faser beträgt ebenfalls etwa 0,6 c. garyjohn vor 13 Jahren 0

3 Antworten auf die Frage

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RedGrittyBrick 2011-02-10 в 13:54

Du hast zwei Fragen

Führen mehrere elektrische Signale entlang eines Drahtes wie mehrere kleine Eisenbahnwaggons, die sich gleichzeitig auf einer Eisenbahnlinie bewegen? Oder sind es zwei Männer, die an den Enden eines Holzpfahls drücken?

Machen Sie ein einfaches Gedankenexperiment - lassen Sie Gigabit-Ethernet neu erfinden.

Unser Ethernet-Kabel wird 300 Meter lang sein. Es wird ein perfekter Dirigent sein, und wir werden alle physikalischen Gesetze ignorieren, die verhindern, dass sich ein Signal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Wenn ich also ein Ende des Kabels an meine PP3-Batterie anschließe, wird das Signal in einer Mikrosekunde (300 / (3 * 10 ^ 8)) in 300 m Entfernung zum anderen Ende übertragen. Gigabit bedeutet 10 ^ 9 Bits pro Sekunde. In einer Mikrosekunde muss ich also 1000 Bits senden. Diese 1000 Spannungsänderungen müssen also irgendwo in der 300-m-Leitung vorhanden sein, sobald das erste Bit das andere Ende erreicht.

Wie geht ein elektrisches Signal durch einen Draht?

An den Drahtenden wird ein elektrisches Feld angelegt. Dies zieht in der Nähe befindliche Ladungsträger an oder stößt sie ab und bewegt sie langsam um eine winzige Entfernung. Für metallische Drähte sind die Ladungsträger Elektronen, für andere Leiter können sie positiv geladene Ionen oder eine Mischung aus positiv und negativ geladenen Ionen sein, die sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Die Ladungsträger ein Stück weiter entlang des Drahtes werden von den winzigen Bewegungen ihrer Nachbarn beeinflusst. Obwohl die physische Bewegung von Ladungsträgern sehr langsam ist, tritt der Effekt auf ihre Nachbarn extrem schnell ein (denken Sie an Newtons Wiege). Auf diese Weise breitet sich eine winzige Störung in der Position der Ladungsträger entlang des Drahtes aus, bis sie das andere Ende erreicht.

Dieser Teil der Frage könnte unter https://physics.stackexchange.com/ besser gestellt werden.

Ziemlich logisch. Aber es ist eher ein Beweis des Widerspruchs. smwikipedia vor 13 Jahren 0

Ich habe die Antwort erweitert RedGrittyBrick vor 13 Jahren 0

Danke, RedGrittyBrick. Ich habe es wirklich geschätzt. Und danke, dass Sie mir die Physik-Site zeigen. smwikipedia vor 13 Jahren 0

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Mike 2011-02-10 в 06:00

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Informationssignal entlang eines Drahtmediums zu senden. Drei Wege sind a) die Spannung zu variieren, b) der Strom zu variieren und c) die Phase zu variieren.

AFAIK, was wir letztendlich messen / ermitteln könnten, ist der Strom, Dinge wie Spannung oder nur Stromabzug. Habe ich recht? smwikipedia vor 13 Jahren 0

Spannung ist die Potentialdifferenz zwischen zwei Leitungen, dh zwischen Signalleitung und Masse. Wenn ich mich recht erinnere, ist der Strom der Elektronen im Laufe der Zeit oder besser gesagt Coulombs pro Sekunde. Ich denke jedoch, was Sie messen, hängt letztendlich von Ihrem Instrument oder Ihrem Erkennungsgerät ab. Wenn Sie sich mit der Theorie der Elektronik beschäftigen möchten, würde ich vorschlagen, das Coulombsche Gesetz, das Ohmsche Gesetz und das Kirchoffsche Gesetz zu erkunden. Sie können die OpenCourseWare (OCW) von MIT nach Vorlesungen, Lernmaterialien usw. zu Elektrizität durchsuchen. Dies könnte hilfreich sein [Link] (http://bit.ly/aVCNle) Mike vor 13 Jahren 0

Es ist zu beachten, dass Spannung und Strom nicht unabhängig voneinander variiert werden können. Ihre Werte werden durch die Impedanz über und durch die sie induziert oder gemessen werden, gekoppelt. garyjohn vor 13 Jahren 0

@garyjohn - Ich denke, im Zusammenhang mit der Frage betrachten wir die Schwankungen eines Signals, ob es Spannung, Strom oder Phase ist. Ja, in diesem Aspekt wird die Hardware eines unabhängig von dem anderen steuern. Das einfachste Beispiel ist das Umschalten zwischen 0 V und 5 V, um 0 und 1 darzustellen. Wir befassen uns nicht mit dem Strom, es sei denn, es gibt genug, um den Widerstand / die Impedanz auf der Leitung zu überwinden und zur anderen Seite zu gelangen, wo der Empfänger die Spannungspegeländerung erkennt (theoretisches Modell). Mike vor 13 Jahren 0

@garyjohn - In der Vergangenheit habe ich konstante Spannungsquellen verwendet und den Stromausgang variiert, um die Laserschwelle der Laserdioden zu erreichen. In diesem Beispiel wurde der Strom unabhängig von der Spannung variiert. Dasselbe gilt auch für Konstantstromquellen, bei denen die Spannung anstelle des Stroms variiert wird. Habe ich Ihre Aussage missverstanden? Mike vor 13 Jahren 0

@ Mike: Ich weiß nicht, was Sie eigentlich mit diesen Dioden gemacht haben, aber Sie können kein Netzteil alleine verwenden, um die Spannung an einem Gerät unabhängig vom Strom durch einzustellen. Sie können zum Beispiel den Basisstrom eines Transistors steuern, um einen bestimmten Kollektorstrom bei einer bestimmten Kollektorspannung einzustellen. Bei einem bestimmten Basisstrom sind die Kollektorspannung und der Kollektorstrom jedoch durch eine bestimmte Kurve, dh einen bestimmten Kollektorstrom, miteinander verknüpft führt zu einer bestimmten Kollektorspannung, die vom Transistor bestimmt wird, nicht von der Kollektorversorgung. garyjohn vor 13 Jahren 0

Accepted Answer · 2011-02-10 07:00:18

Ich werde es erstechen. Zunächst einmal funktionieren die Konzepte des offenen und des geschlossenen Stromkreises nur bei Gleichstrom und bei Frequenzen, bei denen die Wellenlänge des Signals deutlich länger ist als die Größe des Stromkreises. Bei höheren Frequenzen wird das Verhalten der Spannungen und Ströme komplizierter.

Für das Senden eines Bitstroms durch ein Paar von Drähten gelten beide Alternativen. Der IEEE 488-Bus (GP-IB oder früher HP-IB) verwendet Ihre erste Methode. Der Datentransferprozess verwendet 8 Datenleitungen und 3 Handshake-Leitungen. Der Sender legt Spannungen an die 8 Datenleitungen an, wartet so lange, bis die Spannungen den Empfänger erreichen, und legt eine Spannung an eine der Handshake-Leitungen an, um dem Empfänger mitzuteilen, dass die Daten vorhanden sind. Wenn der Empfänger die Spannung an dieser Handshake-Leitung sieht, misst er die Spannungen an den Datenleitungen und bestimmt die 8 Binärwerte, die diese Spannungen darstellen. Der Empfänger legt dann eine Spannung an eine andere Handshake-Leitung an, um dem Sender mitzuteilen, dass er die Daten empfangen hat und dass der Sender die nächsten 8 Bits senden kann. (Das Händeschütteln ist etwas komplizierter als das, aber das ist nah genug für diese Diskussion.)

Dieses Warten erfordert Zeit und begrenzt die Datenrate auf dem Bus. Außerdem wird die maximale Datenrate mit zunehmender Entfernung zwischen Sender und Empfänger geringer, da die Spannungsänderungen länger dauern, um sich zwischen Sender und Empfänger zu bewegen.

Fernkommunikationsverbindungen und moderne Computernetzwerke funktionieren eher wie Ihre zweite Methode. Der Sender sendet viele Bits als Folge von Spannungen auf einem Adernpaar. Die Rate, mit der der Sender die Spannung an den Drähten ändern kann, ist durch die Bandbreiten des Drahtpaares, der Sendeschaltkreise des Senders und der Empfangsschaltungen des Empfängers begrenzt. Wenn die Bandbreiten der Komponenten so sind, dass die Spannung schnell geändert werden kann und der Abstand zwischen Sender und Empfänger groß ist, kann der Sender viele Bits nacheinander senden, bevor der Empfänger das erste Bit gesehen hat.

Es gibt viele Möglichkeiten, binäre Werte auf einem Leitungspaar zu senden, außer dass nur eine Spannung eine "1" und eine andere Spannung eine "0" repräsentiert. Sie können beispielsweise 4 verschiedene Spannungen verwenden, die die Binärwerte "00", "01", "10" und "11" darstellen. Bei einem Kabelpaar, bei dem die Spannung nur eine bestimmte Anzahl von Malen pro Sekunde geändert werden kann, können Sie bei Verwendung von 4 anstelle von nur 2 Spannungen doppelt so viele Bitwerte in einem bestimmten Zeitintervall senden.

Das physikalische Arbeitsparadigma eines auf Draht übertragenen Signals

3 Antworten auf die Frage

Führen mehrere elektrische Signale entlang eines Drahtes wie mehrere kleine Eisenbahnwaggons, die sich gleichzeitig auf einer Eisenbahnlinie bewegen? Oder sind es zwei Männer, die an den Enden eines Holzpfahls drücken?

Wie geht ein elektrisches Signal durch einen Draht?

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