Señales Eléctricas Paralelo vs Serial: Cómo el Voltaje Diferencial y la Modulación Mejoran la Fiabilidad

En el sistema BogusBus, cada uno de los cinco cables de señal transportaba un solo bit binario: 0 V denotaba "apagado" y 24 V CC representaba "encendido". Como todos los bits llegaban simultáneamente, BogusBus se clasifica como red paralela.

Añadir codificación binaria en el transmisor y decodificación en el receptor —para que más resolución pueda transmitirse sobre menos cables— no cambia la naturaleza paralela de BogusBus.

Introducir un convertidor paralelo-a-serial en el transmisor y un convertidor serial-a-paralelo en el receptor transforma la arquitectura en una red serial.

La comunicación serial nos obliga a desarrollar técnicas más sofisticadas para transmitir datos.

Los datos seriales transmiten cada bit sobre el mismo par de conductores, demandando una señal de mayor frecuencia para mantener el ritmo con la tasa de datos.

Imagine un BogusBus modificado que envía 8 bits por actualización en lugar de los 5 originales, aún usando transmisión paralela codificada binariamente.

El convertidor A/D en el lado transmisor genera una nueva salida cada segundo, resultando en 8 bits por segundo de datos enviados al receptor.

Por ejemplo, el transmisor alterna entre las salidas 10101010 y 10101011 una vez por segundo:

Como solo cambia el bit menos significativo, la señal en cualquier cable varía a un máximo de 0.5 Hz —muy por debajo de frecuencias típicas de comunicación.

En contraste, una red serial de 8 bits debe transmitir todos los bits secuencialmente sobre el canal único dentro de la ventana de un segundo entre actualizaciones A/D. La forma de onda resultante se vería así:

La representación serial ahora oscila aproximadamente a 4 Hz —un aumento ocho veces sobre el caso paralelo.

Aunque 4 Hz sigue siendo benigno, escalar a 32 o 64 bits por actualización a tasas de actualización de kilohercios empuja la frecuencia requerida al espectro de radio.

Las frecuencias de redes de datos seriales entran en el rango de radio, convirtiendo cables simples en antenas y líneas de transmisión, con reactancias inductivas y capacitivas afectando el rendimiento.

Las señales digitales de onda cuadrada son equivalentes a una serie infinita de ondas senoidales con amplitud decreciente y frecuencia creciente. Una onda cuadrada de 10 kHz es percibida por la capacitancia e inductancia de la línea como un espectro de componentes de mayor frecuencia, así que en tendidos largos la forma de onda se degrada.

Ancho de Banda

Cuando los ingenieros hablan de ancho de banda de red, se refieren al límite práctico de frecuencia de un medio. En comunicación serial, el ancho de banda iguala volumen de datos (bits por palabra) multiplicado por velocidad de datos (palabras por segundo).

La métrica estándar es bits por segundo (bps). La unidad obsoleta "baud" mide cambios de nivel de señal por segundo y no es sinónimo de bps, especialmente cuando múltiples niveles de voltaje codifican un solo bit.

Método de Tierra Común

El diseño tradicional BogusBus referencia todos los bits a una tierra común, que es el peor escenario para comunicación de onda cuadrada de alta frecuencia. Funciona bien en distancias cortas pero se vuelve problemático cuando las señales viajan lejos.

Método de Voltaje Diferencial

Una alternativa robusta es el método de voltaje diferencial, donde cada bit se representa por la diferencia de voltaje entre un par de cables aislados de tierra, en lugar de un voltaje a tierra.

Este enfoque reduce la carga inductiva y capacitiva y mitiga interferencia eléctrica externa, extendiendo el alcance práctico de redes seriales.

Los amplificadores diferenciales emiten un voltaje entre dos cables de señal, eliminando cualquier referencia a tierra. Solo la capacitancia entre los dos cables de señal importa, y las capacitancias en serie son menores que las individuales.

El ruido inducido en ambos cables de señal es ignorado porque el receptor responde solo al voltaje diferencial.

RS-232C es un estándar serial referenciado a tierra adecuado para cableado de oficina corto y baja interferencia, mientras que RS-422A usa señalización diferencial y es común en entornos industriales con tendidos largos y alto ruido eléctrico.

A pesar de los beneficios, muchos problemas de redes digitales provienen de la naturaleza de onda cuadrada de las señales. Una forma de evitar estos problemas es modular una portadora senoidal con datos digitales.

Modulación significa que la magnitud de una señal controla algún aspecto de otra. La tecnología de radio ha usado largo tiempo modulación de amplitud (AM) y modulación de frecuencia (FM) para codificar audio sobre una portadora de mayor frecuencia.

El cambio de frecuencia por claveo (FSK) es el equivalente digital de FM. FSK simple usa dos ondas senoidales de frecuencias distintas para representar binario 1 y 0:

Como es difícil iniciar y detener ondas senoidales exactamente en cruces por cero, FSK de fase continua se emplea a menudo. En este esquema, pares consecutivos de frecuencias bajo-alto y alto-bajo codifican estados binarios, asegurando que cada bit tome el mismo tiempo de transmisión.

Usar portadoras senoidal mitiga muchos problemas de onda cuadrada, aunque la circuitería de modulación y demodulación es más compleja y costosa.

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