¿Por qué la velocidad 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 bajan sus respectivos cables sincronizados (pero retrasados por el cable) y llegan al extremo del esclavo y, listo, el esclavo registra los datos y hace lo que tiene que hacer, pero ¿Qué sucede si tiene que devolver algunos datos, como el valor de algo?

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

El problema principal es que los datos enviados desde un esclavo se "sincronizan" con los bordes del reloj en el esclavo. Los datos recibidos por el maestro se registran en el maestro mediante el reloj local en el maestro, el reloj esclavo y el reloj maestro no están alineados debido al retraso del cable.

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

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

Empeora a medida que aumenta la frecuencia debido a un fenómeno llamado efecto de piel . El efecto de la piel reduce la conductividad de un cable de cobre al obligar a 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, mayor resistencia, por lo tanto, mayores pérdidas.

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

  

Atenuación (pérdida) por unidad de longitud, en decibelios por metro. Esto es   Dependiendo de la pérdida en el material dieléctrico que llena el cable,   y pérdidas resistivas en el conductor central y blindaje exterior. Estas   Las pérdidas dependen de la frecuencia, las pérdidas son cada vez mayores a medida que   Aumenta la frecuencia. Las pérdidas de efecto piel en los conductores pueden ser   Reducido al aumentar el diámetro del cable. Un cable con dos veces.   El diámetro tendrá la mitad de la resistencia del efecto piel. Postergación   Dieléctricas y otras pérdidas, el cable más grande reduciría a la mitad el dB / metro   pérdida. Al diseñar un sistema, los ingenieros consideran no solo la pérdida de   El cable, pero también la pérdida en los conectores.

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

  

En aplicaciones de radiofrecuencia hasta unos pocos gigahertz, la onda   Se propaga principalmente en el modo magnético eléctrico transversal (TEM),   lo que significa que los campos eléctrico y magnético son a la vez   Perpendicular a la dirección de propagación. Sin embargo, por encima de un   Cierta frecuencia de corte, transversal eléctrico (TE) o transversal.   Los modos magnéticos (TM) también pueden propagarse, como lo hacen en una guía de onda. Eso   Normalmente no es deseable transmitir señales por encima de la frecuencia de corte,   ya que puede causar múltiples modos con diferentes velocidades de fase para   Se propagan, interfiriendo el uno con el otro. El diámetro exterior es aproximadamente   Inversamente proporcional a la frecuencia de corte. Una propagacion   Modo de onda de superficie que no involucra ni requiere el escudo exterior.   pero solo existe un único conductor central en coaxial pero este modo   Es efectivamente suprimido en coaxial de geometría convencional y común.   impedancia. Las líneas de campo eléctrico para este modo [TM] tienen una longitud longitudinal.   componente y requieren longitudes de línea de media longitud de onda o más.

Imagina que eres un repartidor de pizzas y te dicen que tienes 10min para entregar una pizza a la vuelta de la esquina. Digamos que está a 50 metros de distancia, así que eso es muy fácil. Imagina ahora que tienes 10 minutos para entregar una pizza al otro lado de la ciudad. El rendimiento (como un datarate, ya que es 0.0017 pizza / segundo) es el mismo, pero el aumento de la distancia hace que sea 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 salir adelante. El ancho de banda se expresa en unidades de frecuencia (el punto donde las señales son atenuadas por un determinado factor) y está muy estrechamente relacionado con el datarate aunque no sean las mismas (otros factores entran en juego).

Lo dejaré a los físicos para explicar el ancho de banda en detalles, pero debe ser algo en la línea de: si cambia la entrada demasiado rápido cuando la salida está demasiado lejos, las señales no tendrán tiempo para llegue al otro extremo antes de que tengan que volver a cambiar, y esto resultará en una atenuación cada vez mayor.