Если кто-то посылает короткие импульсы электрического тока, которые внезапно включаются и выключаются, почему приемник получает сглаженный ток?

«Введение в теорию информации: символы, сигналы и шум » Джона Р. Пирса говорит следующее:

Трудность, с которой Морс столкнулся со своим подземным проводом, оставалась важной проблемой. Различные цепи, которые одинаково хорошо проводят постоянный электрический ток, не обязательно одинаково подходят для электрической связи. Если кто-то слишком быстро посылает точки и черты по подземному или подводному кругу, они бегут вместе на приемном конце. Как показано на рисунке II-1, когда мы посылаем короткий всплеск тока, который внезапно включается и выключается, мы получаем на дальнем конце цепи более длинный, сглаженный рост и спад тока. Этот более длинный поток тока может перекрывать ток другого символа, отправленного, например, как отсутствие тока. Таким образом, как показано на рисунке II-2, когда передается четкий и отчетливый сигнал, он может приниматься в виде неопределенного блуждающего нарастания и спада тока, который трудно интерпретировать.

Конечно, если мы сделаем наши точки, пробелы и тире достаточно длинными, ток на дальнем конце будет лучше следовать за током на передающем конце, но это замедляет скорость передачи. Понятно, что с данной схемой передачи как-то связано ограничение скорости передачи для точек и пространств. Для подводных кабелей эта скорость настолько мала, что беспокоит телеграфистов; для проводов на столбах это так быстро, чтобы не беспокоить телеграфистов. Ранние телеграфисты знали об этом ограничении, и оно также лежит в основе теории коммуникации.

Как человек, у которого нет опыта в электротехнике, я нахожу описанное явление озадачивающим. Если кто-то посылает короткие импульсы электрического тока, которые внезапно включаются и выключаются, то почему это правда, что в зависимости от типа схемы приемник может получать сглаженный ток, а не передаваемые дискретные токи? Можно было бы наивно ожидать, что полученные сигналы будут идентичны отправленным сигналам?

Я был бы очень признателен, если бы люди могли найти время, чтобы ответить на этот вопрос, используя язык, понятный человеку, не имеющему опыта в электротехнике.

Ваш кабель ведет себя как фильтр нижних частот, что означает, что высокие частоты затухают. Чем длиннее кабель, тем сильнее этот эффект.

Благодаря быстрому росту и падению импульсы имеют довольно быстрые частотные составляющие. Если эти высокие частоты затухают, ваш импульс со временем «размывается», и вы получите желаемый результат, который вы разместили в своем вопросе.

Возможно, было бы полезно думать об этом по-другому. Вместо того, чтобы проталкивать электричество, представьте, что у вас очень длинная труба, немного воды (под давлением) и клапан.

Если вы включите клапан на одном конце трубы, потребуется некоторое время, чтобы создать давление в трубе и протолкнуть воду. На другом конце вода в конечном итоге выйдет, но как медленное увеличение потока, сопровождаемое медленным уменьшением.

Если вы включите и выключите воду достаточно быстро, она просто появится на другом и как умеренный поток.

Как уже упоминалось, в электрическом плане это связано с емкостью и индуктивностью длинного кабеля. Чем длиннее кабель / труба, тем сильнее эффект сглаживания. Причины (физика) и математика могут быть разными, но результаты рифмуются, и, надеюсь, это поможет вам понять.

Бесконечно резкие границы в сигнале нуждаются в бесконечной полосе пропускания для передачи, что невозможно при использовании реальных проводов. Если взять достаточно длинный провод, он пропускает только низкие частоты, а высокие частоты ослабляются, поэтому острые быстрые края смазываются в более медленные волнистые края, и поэтому вам нужно посылать более длинные импульсы, чтобы увидеть, как напряжение медленно поднимается до надлежащего уровня обнаружения на получающий конец. Сигналы ухудшаются, так как каждая единица длины медного провода может рассматриваться как последовательное сопротивление с индуктивностью, а также имеет паразитную параллельную емкость и сопротивление утечки в окружающую среду, в противном случае эта модель известна как линия передачи. Последовательное сопротивление с параллельной емкостью является фильтром нижних частот. Емкость и индуктивность образуют так называемый характеристический импеданс линии передачи, и если передающий и принимающий концы не совпадают с полным сопротивлением линии передачи, импульс напряжения будет отражаться обратно к проводу в некоторой степени, так что он будет пинг-понг назад и вперед по проводу, пока он не установится. Поскольку импульс напряжения распространяется по проводу примерно на две трети скорости света, все то, насколько сильно сигнал ухудшается при прохождении через линию передачи или продолжает подпрыгивать между концами линии передачи, определяет, насколько быстро сигналы можно передавать и как далеко вы можете передавать их, не будучи слишком унизительным.