Se si inviano brevi scariche di corrente elettrica che si accendono e si spengono bruscamente, perché il ricevitore riceve una corrente attenuata?

Un'introduzione alla teoria dell'informazione: simboli, segnali e rumore , di John R. Pierce, dice quanto segue:

La difficoltà che Morse incontrò con il suo filo sotterraneo rimase un problema importante. Circuiti diversi che conducono ugualmente bene una corrente elettrica costante non sono necessariamente ugualmente adatti alla comunicazione elettrica. Se uno invia punti e trattini troppo velocemente su un circuito sotterraneo o sottomarino, vengono eseguiti insieme all'estremità di ricezione. Come indicato nella Figura II-1, quando inviamo una breve scarica di corrente che si accende e si spegne bruscamente, riceviamo all'estremità più lontana del circuito un aumento e una caduta di corrente più lunghi e uniformi. Questo flusso più lungo di corrente può sovrapporsi alla corrente di un altro simbolo inviato, ad esempio, come assenza di corrente. Pertanto, come mostrato nella Figura II-2, quando viene trasmesso un segnale chiaro e distinto può essere ricevuto come un aumento e una caduta vagamente vaganti di corrente che è difficile da interpretare.

Naturalmente, se i punti, gli spazi e i trattini sono abbastanza lunghi, la corrente all'estremità seguirà meglio la corrente all'estremità di invio, ma ciò rallenta la velocità di trasmissione. È chiaro che in qualche modo è associato a un determinato circuito di trasmissione una velocità di trasmissione limitante per punti e spazi. Per i cavi sottomarini questa velocità è così lenta da disturbare i telegrafi; per i fili su pali è così veloce da non disturbare i telegrafi. I primi telegrafisti erano consapevoli di questa limitazione e anch'essa sta alla base della teoria della comunicazione.

Come qualcuno che non ha un background di ingegneria elettrica, trovo sconcertante il fenomeno descritto. Se si inviano brevi scariche di corrente elettrica che si accendono e si spengono bruscamente, perché è vero che, a seconda del tipo di circuito, il ricevitore può ricevere una corrente livellata, piuttosto che le correnti discrete inviate? Ci si aspetterebbe, forse ingenuamente, che i segnali ricevuti sarebbero identici ai segnali inviati?

Gradirei molto se la gente potesse per favore prendersi il tempo di rispondere a questo usando un linguaggio che può essere compreso da qualcuno senza un background di ingegneria elettrica.

Il cavo si comporta come un filtro passa-basso, il che significa che le alte frequenze vengono smorzate. Più lungo è il cavo, più forte è questo effetto.

Gli impulsi hanno, a causa della loro rapida ascesa e caduta, componenti di frequenza piuttosto veloci. Se queste alte frequenze vengono smorzate, il tuo impulso "sbava" nel tempo e ottieni il risultato desiderato che hai pubblicato nella tua domanda.

Forse sarebbe utile pensarlo diversamente. Invece di spingere l'elettricità in giro, fai finta di avere un tubo molto lungo, un po 'd'acqua (a pressione) e una valvola.

Se si accende la valvola a un'estremità del tubo, ci vorrà un certo tempo per pressurizzare il tubo e forzare l'acqua attraverso. All'altra estremità, l'acqua alla fine uscirà, ma come un lento aumento del flusso, seguito da una lenta diminuzione.

Se accendi e spegni l'acqua abbastanza rapidamente, apparirà semplicemente sull'altro e come un flusso moderato.

Come menzionato altrove, in termini elettrici, ciò è dovuto alla capacità e all'induttanza del cavo lungo. Più lungo è il cavo / tubo, maggiore è l'apparente effetto levigante. Le ragioni (fisica) e matematica possono essere diverse, ma i risultati rimano e, si spera, ciò ti aiuterà a capire.

I bordi infinitamente nitidi nel segnale richiedono una larghezza di banda infinita per trasmettere, cosa impossibile con i fili del mondo reale. Preso un filo abbastanza lungo, passa solo le basse frequenze e le alte frequenze vengono attenuate, quindi i bordi veloci e affilati vengono imbrattati in bordi ondulati più lenti e quindi è necessario inviare impulsi più lunghi per vedere la tensione che sale lentamente al livello di rilevamento corretto al fine di ricezione. I segnali si degradano poiché ogni lunghezza unitaria del filo di rame può essere considerata come una resistenza in serie con induttanza e ha anche capacità parassita parallela e resistenza alle perdite nei suoi dintorni, altrimenti questo modello è noto come una linea di trasmissione. La resistenza in serie con capacità parallela è un filtro passa-basso. La capacità e l'induttanza formano ciò che è noto come l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione, e se le estremità di trasmissione e ricezione non corrispondono all'impedenza della linea di trasmissione, un impulso di tensione si rifletterà in una certa misura sul filo in modo tale da reggere avanti e indietro il filo fino a quando non si deposita. Mentre l'impulso di tensione viaggia nel filo a circa due terzi della velocità della luce, tutto questo quanto il segnale degrada quando attraversa la linea di trasmissione o continua a rimbalzare tra le estremità della linea di trasmissione determina la velocità con cui è possibile trasmettere segnali e come lontano puoi trasmetterli senza essere troppo degradato.