¿Por qué la tasa de datos es una función de la longitud de la línea de transmisión?

SPI usa reloj y datos. Desde el extremo de envío (maestro), el reloj y los datos vuelan por sus respectivos cables sincronizados (pero retrasados ​​por el cable) y llegan al extremo esclavo y listo, el esclavo registra los datos y hace lo que tiene que hacer, pero, ¿Qué pasa si tiene que devolver algunos datos, como el valor de algo?

OK, transmite sus datos sincronizados con el reloj local que está recibiendo y no se preocupa más, PERO, ese reloj local que recibe está retrasado por el cable y, los datos que el esclavo envía de vuelta al maestro se retrasan aún más por el cable. y lo que sucede en el maestro (al recibir datos) es un desastre a menos que la tasa de datos sea lenta o el cable sea corto.

El problema principal es que los datos enviados desde un esclavo están "sincronizados" con los bordes del reloj en el esclavo. Los datos recibidos por el maestro son registrados en el maestro por el reloj local en el maestro; el reloj esclavo y el reloj maestro no están alineados debido a la demora del cable.

El OP ha cambiado la pregunta, así que aquí hay algunas cosas adicionales sobre el cable: -

Los cables más largos atenúan más; piense en alimentar un motor con una batería; funciona bien de cerca con cables cortos, pero si hace que los cables sean más largos, el voltaje del terminal que se ve en el motor se vuelve cada vez más pequeño a medida que aumenta la longitud del cable. El cobre no es de cero ohmios.

Empeora a medida que aumenta la frecuencia debido a un fenómeno llamado efecto piel . El efecto piel reduce la conductividad de un cable de cobre al forzar que las corrientes solo estén presentes en la piel del conductor. Esto significa un área de sección transversal más pequeña para la corriente, por lo tanto, una mayor resistencia y, por lo tanto, mayores pérdidas.

La pérdida dieléctrica en el cable es proporcional a la frecuencia; básicamente, se roba energía de la señal para calentar el material aislante entre los dos hilos que forman la línea o el cable de transmisión. Esto es lo que dice wiki : -

Atenuación (pérdida) por unidad de longitud, en decibelios por metro. Esto depende de la pérdida en el material dieléctrico que llena el cable y de las pérdidas resistivas en el conductor central y el blindaje exterior. Estas pérdidas dependen de la frecuencia, y las pérdidas aumentan a medida que aumenta la frecuencia. Las pérdidas por efecto pelicular en los conductores pueden reducirse aumentando el diámetro del cable. Un cable con el doble de diámetro tendrá la mitad de resistencia al efecto piel. Ignorando las pérdidas dieléctricas y de otro tipo, el cable más grande reduciría a la mitad la pérdida de dB/metro. Al diseñar un sistema, los ingenieros consideran no solo la pérdida en el cable sino también la pérdida en los conectores.

Si las pérdidas son proporcionales a la frecuencia, la probabilidad de corrupción de datos también es proporcional a las señales más rápidas. Por encima de cierto punto, hay otro mecanismo cuando el cable (como el coaxial) comienza a actuar como una guía de ondas. Nuevamente wiki tiene la palabra: -

En aplicaciones de radiofrecuencia de hasta unos pocos gigahercios, la onda se propaga principalmente en el modo magnético eléctrico transversal (TEM), lo que significa que los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación. Sin embargo, por encima de una cierta frecuencia de corte, los modos transversal eléctrico (TE) o transversal magnético (TM) también pueden propagarse, como lo hacen en una guía de ondas. Por lo general, no es deseable transmitir señales por encima de la frecuencia de corte, ya que puede causar que se propaguen múltiples modos con diferentes velocidades de fase, interfiriendo entre sí. El diámetro exterior es aproximadamente inversamente proporcional a la frecuencia de corte. También existe en coaxial un modo de propagación de ondas superficiales que no involucra ni requiere el blindaje exterior, sino solo un único conductor central, pero este modo se suprime de manera efectiva en coaxiales de geometría convencional e impedancia común. Las líneas de campo eléctrico para este modo [TM] tienen un componente longitudinal y requieren longitudes de línea de media longitud de onda o más.

Imagina que eres un repartidor de pizzas y te dicen que tienes 10 minutos para entregar una pizza a la vuelta de la esquina. Digamos que está a 50 metros de distancia, así que es muy fácil. Imagina ahora que tienes 10 minutos para entregar una pizza al otro lado de la ciudad. El rendimiento (como una tasa de datos, ya que es 0.0017 pizza/segundo) es el mismo, pero la mayor distancia hizo que fuera muy difícil lograrlo.

Cada circuito tiene una capacidad de velocidad debido a retrasos en el transporte de señales, capacitancias, etc., y las señales más allá de esa capacidad tendrán dificultades para llegar. El ancho de banda se expresa en unidades de frecuencia (el punto en el que las señales se atenúan por un determinado factor) y está muy relacionado con la tasa de datos, aunque no son lo mismo (entran en juego otros factores).

Dejaré que los físicos expliquen el ancho de banda en detalle, pero debe ser algo así como: si cambias la entrada demasiado rápido cuando la salida está demasiado lejos, las señales no tendrán tiempo de llegar a la otra. terminan antes de que tengan que cambiar de nuevo, y esto resultará en una atenuación cada vez mayor.