Warum ist die Datenrate eine Funktion der Länge der Übertragungsleitung?

SPI verwendet Uhr und Daten. Vom sendenden (Master-) Ende fliegen Takt und Daten synchron über ihre jeweiligen Kabel (aber durch das Kabel verzögert) und sie erreichen das Slave-Ende und schwupps, der Slave taktet die Daten ein und tut, was er tun muss, aber, was ist, wenn es einige Daten wie einen Wert von etwas zurücksenden muss.

OK, er sendet seine Daten synchronisiert mit der lokalen Uhr, die er empfängt, und macht sich keine Sorgen mehr, ABER, dass die lokale Uhr, die er empfängt, durch das Kabel verzögert wird und die Daten, die der Slave an den Master zurücksendet, durch das Kabel weiter verzögert werden und was beim Master passiert (beim Empfangen von Daten), ist ein Durcheinander, es sei denn, die Datenrate ist langsam oder das Kabel ist kurz.

Das Hauptproblem besteht darin, dass Daten, die von einem Slave gesendet werden, auf die Taktflanken beim Slave "zeitgesteuert" sind. Die vom Master empfangenen Daten werden von der lokalen Uhr des Masters in den Master eingetaktet - die Slave-Uhr und die Master-Uhr sind aufgrund der Kabelverzögerung nicht ausgerichtet.

Das OP hat die Frage geändert, daher hier einige zusätzliche Dinge zum Kabel: -

Längere Kabel dämpfen mehr - denken Sie daran, einen Motor über eine Batterie mit Strom zu versorgen - es funktioniert gut bei kurzen Kabeln, aber wenn Sie die Kabel länger machen, wird die am Motor sichtbare Klemmenspannung mit zunehmender Kabellänge immer kleiner. Kupfer ist nicht null Ohm.

Es wird schlimmer, wenn die Frequenz aufgrund eines Phänomens namens Skin-Effekt ansteigt . Der Skin-Effekt reduziert die Leitfähigkeit eines Kupferdrahts, indem er erzwingt, dass Ströme nur in der Haut des Leiters vorhanden sind. Dies bedeutet eine kleinere Querschnittsfläche für den Strom und somit einen höheren Widerstand und somit größere Verluste.

Der dielektrische Verlust im Kabel ist proportional zur Frequenz – im Grunde wird dem Signal Energie gestohlen, um das Isoliermaterial zwischen den beiden Drähten, die die Übertragungsleitung oder das Kabel bilden, aufzuheizen. Das sagt Wiki : -

Dämpfung (Verlust) pro Längeneinheit, in Dezibel pro Meter. Dies ist abhängig von den Verlusten im dielektrischen Material, das das Kabel füllt, und den Widerstandsverlusten im Mittelleiter und der äußeren Abschirmung. Diese Verluste sind frequenzabhängig, wobei die Verluste mit zunehmender Frequenz größer werden. Skin-Effekt-Verluste in den Leitern können reduziert werden, indem der Durchmesser des Kabels vergrößert wird. Ein Kabel mit doppeltem Durchmesser hat den halben Skin-Effekt-Widerstand. Unter Vernachlässigung von dielektrischen und anderen Verlusten würde das größere Kabel den dB/Meter-Verlust halbieren. Beim Entwerfen eines Systems berücksichtigen Ingenieure nicht nur den Verlust im Kabel, sondern auch den Verlust in den Steckverbindern.

Wenn Verluste proportional zur Frequenz sind, dann ist die Wahrscheinlichkeit einer Datenverfälschung auch proportional zu schnelleren Signalen. Oberhalb eines bestimmten Punktes gibt es einen anderen Mechanismus, wenn Kabel (z. B. Koaxialkabel) beginnen, sich wie ein Wellenleiter zu verhalten. Wieder hat Wiki das Wort: -

Bei Hochfrequenzanwendungen bis zu einigen Gigahertz breitet sich die Welle hauptsächlich im TEM-Modus (Transversal Electric Magnetic) aus, was bedeutet, dass sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz können sich jedoch auch transversale elektrische (TE) oder transversale magnetische (TM) Moden ausbreiten, wie sie es in einem Wellenleiter tun. Üblicherweise ist es unerwünscht, Signale oberhalb der Grenzfrequenz zu übertragen, da dies dazu führen kann, dass sich mehrere Moden mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten ausbreiten und sich gegenseitig stören. Der Außendurchmesser ist ungefähr umgekehrt proportional zur Grenzfrequenz. Ein sich ausbreitender Oberflächenwellenmodus, der die äußere Abschirmung nicht beinhaltet oder erfordert, sondern nur einen einzigen zentralen Leiter, existiert auch in Koaxialkabeln, aber dieser Modus wird in Koaxialkabeln mit herkömmlicher Geometrie und gemeinsamer Impedanz effektiv unterdrückt. Elektrische Feldlinien für diesen [TM]-Modus haben eine Längskomponente und erfordern Linienlängen von einer halben Wellenlänge oder länger.

Stellen Sie sich vor, Sie sind ein Pizzabote und Ihnen wird gesagt, dass Sie 10 Minuten Zeit haben, um eine Pizza direkt um die Ecke zu liefern. Nehmen wir an, das ist 50 Meter entfernt, also ist das wirklich einfach. Stellen Sie sich jetzt vor, Sie hätten 10 Minuten Zeit, um eine Pizza am anderen Ende der Stadt auszuliefern. Der Durchsatz (wie eine Datenrate, da das 0,0017 Pizza/Sekunde ist) ist derselbe, aber die größere Entfernung machte es sehr schwierig, ihn zu erreichen.

Jede Schaltung hat aufgrund von Signaltransportverzögerungen, Kapazitäten usw. eine Geschwindigkeitsfähigkeit, und Signale, die diese Fähigkeit überschreiten, werden nur schwer durchkommen. Die Bandbreite wird in Frequenzeinheiten ausgedrückt (der Punkt, an dem Signale um einen bestimmten Faktor gedämpft werden) und ist sehr eng mit der Datenrate verbunden, obwohl sie nicht gleich sind (andere Faktoren spielen eine Rolle).

Ich überlasse es den Physikern, die Bandbreite im Detail zu erklären, aber es muss etwas in der Art sein: Wenn Sie den Eingang zu schnell ändern, wenn der Ausgang zu weit entfernt ist, haben die Signale nicht die Zeit, den anderen zu erreichen enden, bevor sie sich wieder ändern müssen, was zu einer immer stärkeren Dämpfung führt.