Velocidade da eletricidade e transferência de dados

Eu li em alguns lugares que a eletricidade é muito lenta. Então, como o tráfego da Internet em fios de cobre pode ser tão rápido? Eu acho que tenho uma grande lacuna de conhecimento sobre a estrutura de transferência de dados de baixo nível. Enfim, eu procurei e não consegui encontrar, então?

A eletricidade nos fios é essencialmente o movimento de portadores de carga, como os elétrons. Estes se movem muito lentamente.

No entanto, uma mudança de tensão em uma extremidade de um fio causa uma alteração correspondente na outra extremidade do fio quase que instantaneamente.

Pense em um tubo de mangueira muito comprido; se o tubo estiver vazio quando você abrir a torneira, pode levar alguns segundos para encher com água antes de começar a sair pela outra extremidade. Se o tubo já estiver cheio de água, fechar a torneira forçará instantaneamente a água pela extremidade oposta.

A tensão é aproximadamente análoga à pressão. Uma mudança na pressão da água pode ser transmitida através de um tubo cheio de água mais rapidamente do que a água se move.

Na verdade, escrevi um post sobre essa pergunta exata alguns anos atrás.

Basicamente, embora os elétrons individuais se movam apenas alguns milímetros por segundo, o "sinal" de colidir um com o outro se move muito mais rápido que isso (uma grande fração da velocidade da luz) .

Observe como as bolas entram no tubo muito lentamente, mas o "sinal" que uma bola entrou (a força que se propaga pelo tubo) se move muito mais rápido que isso. Os elétrons que se deslocam em um fio funcionam de maneira muito semelhante.

A velocidade na qual os elétrons se movem em um condutor é relativamente lenta, mas as informações são transportadas em pares de condutores ou no ar por meio de ondas de eletricidade, e essas ondas viajam muito rápido: na velocidade da luz no vácuo ou em torno de 2/3 disso em um cabo coaxial.

Se você pegar uma corda, prender uma extremidade a alguma coisa ou pedir a um amigo que a segure, depois vire a ponta da corda para cima e para baixo, induzirá uma onda na corda que viaja rapidamente da ponta para a outra ponta. As partículas da corda não se movem muito rápido, no entanto.

Outro exemplo é uma onda oceânica. Um tsunami viaja a centenas de quilômetros por hora, mas a água que transporta a onda não se move tão rápido.

A própria eletricidade viaja através dos fios na velocidade da luz x fator de velocidade . Portanto, um pedaço barato de cabo coaxial RG-58 com um fator de velocidade de 75% pode transmitir ondas de rádio a 75% da velocidade da luz.

A confusão surge porque não usamos apenas corrente CC para transmitir informações, mas sim uma corrente alternada ou uma corrente alternada impressa em uma tensão CC (modulação) para fazer isso. Cada meio de transmissão usado tem uma frequência máxima na qual irá operar. Telégrafo usando CC comutada de 5 a 50 wpm (um fio suspenso em postes com retorno à terra), uma linha POTS padrão pode passar 4kHz (cabo de 2 pares paralelo rural com blindagem); uma linha DSL próxima ao DSLAM pode passar 2MHz (par trançado de DSLAM para abrigar), um cabo de par trançado Ethernet CAT5 de 100 MHz e assim por diante. Normalmente, quanto maior a frequência que o meio de transmissão pode suportar, maior o datarato que pode ser passado por ele.

A eletricidade passa através do cabo na mesma velocidade, mas a taxa de comutação cada vez mais alta carrega cada vez mais informações.

No topo desse conceito de uso de eletricidade para transmitir informações está o tipo de modulação usada.

Perto, a série simples de onda quadrada pode funcionar muito bem. Ele vem em muitos sabores. O TTL usa um deslocamento de 0-5 volts, o RS-232 usa um balanço de tensão entre 3-15 Volts positivo e negativo. etc etc.

Para as linhas telefônicas POTS, transmitir uma onda quadrada não funcionaria, as características da linha a transformam em onda senoidal; portanto, vários esquemas de modulação são usados, como desvio de amplitude, desvio de frequência, desvio de fase ou uma combinação desses usados ​​no QAM, que pode ser usado para aumentar o datarate de 150bps para 56kbps.

O DSL opera em uma frequência muito maior que a POTS e, usando uma técnica de modulação chamada Discrete Multi-tone, opera em várias frequências portadoras (pense na banda AM do rádio e recebendo todas as estações de uma só vez, cada uma carregando um sinal de dados e combinando-as na outra final) usando modulação de deslocamento de fase e amplitude, atingindo um datarate de 1 a 7 Mbps.

Isso abrange o loop local, quando chegamos ao backbone da Internet, começamos a usar coisas como mídia Digital Signal (DS) e Optical Carrier (OC) para mover o tráfego usando as técnicas PCM (Pulse Code Modulation) em vários canais. Essa é a verdadeira parte digital da rede. Mais uma vez, o tráfego se move quase à velocidade da luz, mas o datarate depende da técnica de frequência e modulação usada.

Adendo: Os elétrons se movem de um átomo para outro a uma distância de um minuto. O fluxo de corrente que percebemos como eletricidade é uma cascata quase instantânea de elétrons que se deslocam de um átomo para outro ao longo do comprimento de um condutor.