Si uno envía ráfagas cortas de corriente eléctrica que se encienden y apagan abruptamente, ¿por qué el receptor recibe una corriente suavizada?

Una Introducción a la Teoría de la Información: Símbolos, Señales y Ruido , por John R. Pierce, dice lo siguiente:

La dificultad que Morse encontró con su cable subterráneo siguió siendo un problema importante. Los diferentes circuitos que conducen una corriente eléctrica estable igualmente bien no son necesariamente igualmente adecuados para la comunicación eléctrica. Si uno envía puntos y rayas demasiado rápido sobre un circuito subterráneo o submarino, se ejecutan juntos en el extremo receptor. Como se indica en la Figura II-1, cuando enviamos una breve ráfaga de corriente que se enciende y apaga abruptamente, recibimos en el extremo más alejado del circuito un aumento y una caída de corriente más largos y suaves. Este flujo de corriente más largo puede superponerse a la corriente de otro símbolo enviado, por ejemplo, como ausencia de corriente. Por lo tanto, como se muestra en la Figura II-2, cuando se transmite una señal clara y distinta, puede recibirse como un aumento y caída vagamente vagos de corriente que es difícil de interpretar.

Por supuesto, si hacemos que nuestros puntos, espacios y rayas sean lo suficientemente largos, la corriente en el extremo lejano seguirá mejor a la corriente en el extremo emisor, pero esto disminuye la velocidad de transmisión. Está claro que de alguna manera se asocia con un circuito de transmisión dado una velocidad límite de transmisión para puntos y espacios. Para los cables submarinos, esta velocidad es tan lenta que molesta a los telegrafistas; para cables en postes es tan rápido como para no molestar a los telegrafistas. Los primeros telegrafistas eran conscientes de esta limitación, y también se encuentra en el corazón de la teoría de la comunicación.

Como alguien que no tiene experiencia en ingeniería eléctrica, encuentro el fenómeno descrito desconcertante. Si uno envía ráfagas cortas de corriente eléctrica que se encienden y apagan abruptamente, ¿por qué es cierto que, dependiendo del tipo de circuito, el receptor puede recibir una corriente suavizada, en lugar de las corrientes discretas que se enviaron? Uno esperaría, ingenuamente tal vez, que las señales recibidas serían idénticas a las señales enviadas?

Le agradecería mucho que las personas pudieran tomarse el tiempo para responder esto usando un lenguaje que pueda ser entendido por alguien sin experiencia en ingeniería eléctrica.

Su cable se comporta como un filtro de paso bajo, lo que significa que las altas frecuencias se amortiguan. Cuanto más largo sea el cable, más fuerte es este efecto.

Los impulsos tienen, debido a su rápido aumento y caída, componentes de frecuencia bastante rápidos. Si estas altas frecuencias se amortiguan, su impulso "mancha" con el tiempo y obtiene el resultado deseado que publicó en su pregunta.

Quizás sería útil pensarlo de manera diferente. En lugar de empujar la electricidad, simule que tiene una tubería muy larga, algo de agua (a presión) y una válvula.

Si abre la válvula en un extremo de la tubería, tomará una cierta cantidad de tiempo presurizar la tubería y forzar el paso del agua. En el otro extremo, el agua finalmente saldrá, pero como un lento aumento en el flujo, seguido de una lenta disminución.

Si enciende y apaga el agua lo suficientemente rápido, simplemente aparecerá en el otro y como un flujo moderado.

Como se mencionó en otra parte, en términos eléctricos, esto se debe a la capacitancia y la inductancia del cable largo. Cuanto más largo sea el cable / tubería, mayor será el aparente efecto de suavizado. Las razones (física) y las matemáticas pueden ser diferentes, pero los resultados riman y, con suerte, eso lo ayudará a comprender.

Los bordes infinitamente afilados en la señal necesitan un ancho de banda infinito para transmitir, lo que no es posible con cables del mundo real. Tomado un cable lo suficientemente largo, pasa solo las frecuencias bajas y las frecuencias altas se atenúan, por lo que los bordes rápidos y afilados se untan en bordes ondulados más lentos y, por lo tanto, debe enviar pulsos más largos para ver que el voltaje sube lentamente hasta el nivel de detección adecuado en el extremo de recepción. Las señales se degradan a medida que cada unidad de longitud del cable de cobre se puede considerar como una resistencia en serie con inductancia y también tiene capacitancia paralela parásita y resistencia a fugas a su entorno, de lo contrario, este modelo se conoce como una línea de transmisión. La resistencia en serie con capacitancia paralela es un filtro de paso bajo. La capacitancia y la inductancia forman lo que se conoce como la impedancia característica de la línea de transmisión, y si los extremos de transmisión y recepción no coinciden con la impedancia de la línea de transmisión, un pulso de voltaje se reflejará de nuevo al cable hasta cierto punto, de modo que haga ping-pong en el cable de un lado a otro hasta que se estabilice. A medida que el pulso de voltaje viaja en el cable a aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz, todo esto, cuánto se degrada la señal cuando viaja a través de la línea de transmisión o sigue rebotando entre los extremos de la línea de transmisión determina qué tan rápido puede transmitir las señales y cómo hasta ahora puedes transmitirlos sin estar demasiado degradado.