Tipos de señales eléctricas

Con BogusBus, nuestras señales eran muy simples y directas:cada cable de señal (1 a 5) transportaba un solo bit de datos digitales, 0 voltios representando "apagado" y 24 voltios CC representando "encendido". Debido a que todos los bits llegaron a su destino simultáneamente, llamaríamos a BogusBus un paralelo tecnología de red .

Si tuviéramos que mejorar el rendimiento de BogusBus agregando codificación binaria (en el extremo del transmisor) y decodificación (en el extremo del receptor), de modo que hubiera más pasos de resolución disponibles con menos cables, aún sería una red paralela.

Sin embargo, si tuviéramos que agregar un convertidor de paralelo a serie en el extremo del transmisor y un convertidor de serie a paralelo en el extremo del receptor, tendríamos algo bastante diferente.

Es principalmente con el uso de tecnología serial que nos vemos obligados a inventar formas inteligentes de transmitir bits de datos.

Porque los datos en serie requieren que enviemos todos los bits de datos a través del mismo canal de cableado desde el transmisor al receptor , necesita una señal de frecuencia potencialmente alta en el cableado de la red.

Considere la siguiente ilustración:un sistema BogusBus modificado está comunicando datos digitales en forma paralela codificada en binario. En lugar de 5 bits discretos como el BogusBus original, estamos enviando 8 bits del transmisor al receptor.

El convertidor A / D en el lado del transmisor genera una nueva salida cada segundo. Eso hace que se envíen 8 bits por segundo de datos al receptor.

Por ejemplo, el transmisor rebota entre una salida de 10101010 y 10101011 en cada actualización (una vez por segundo):

Dado que solo el bit menos significativo (Bit 1) está cambiando, la frecuencia en ese cable (a tierra) es solo 1/2 Hertz. De hecho, no importa qué números genere el convertidor A / D entre actualizaciones, la frecuencia en cualquier cable en esta red BogusBus modificada no puede exceder 1/2 Hertz, porque esa es la rapidez con la que el A / D actualiza su salida digital. 1/2 Hertz es bastante lento y no debería presentar problemas para el cableado de nuestra red.

Por otro lado, si usamos una red serial de 8 bits, todos los bits de datos deben aparecer en un solo canal en secuencia. Y estos bits deben ser emitidos por el transmisor dentro del intervalo de tiempo de 1 segundo entre las actualizaciones del convertidor A / D.

Por lo tanto, la salida digital alterna de 10101010 y 10101011 (una vez por segundo) se vería así:

La frecuencia de nuestra señal BogusBus es ahora de aproximadamente 4 Hertz en lugar de 1/2 Hertz, ¡un aumento de ocho veces!

Si bien 4 Hertz sigue siendo bastante lento y no constituye un problema de ingeniería, debería poder apreciar lo que podría suceder si transmitiéramos 32 o 64 bits de datos por actualización, junto con los otros bits necesarios para la verificación de paridad y la sincronización de señal. , a una velocidad de actualización de miles de veces por segundo.

Las frecuencias de la red de datos en serie comienzan a ingresar al rango de radio y los cables simples comienzan a actuar como antenas, los pares de cables como líneas de transmisión, con todas sus peculiaridades asociadas debido a las reactancias inductivas y capacitivas.

Los datos que se procesan en una comunicación de red en serie son datos de ondas cuadradas que contienen bits binarios de información. Las ondas cuadradas son cosas peculiares, siendo matemáticamente equivalentes a una serie infinita de ondas sinusoidales de amplitud decreciente y frecuencia creciente.

Una onda cuadrada simple a 10 kHz es en realidad "vista" por la capacitancia e inductancia de la red como una serie de múltiples frecuencias de ondas sinusoidales que se extienden a cientos de kHz en amplitudes significativas. Lo que recibimos en el otro extremo de una red larga de 2 conductores ya no se verá como una onda cuadrada limpia, ¡incluso en las mejores condiciones!

Ancho de banda

Cuando los ingenieros hablan de ancho de banda de red , se refieren al límite de frecuencia práctico de un medio de red. En la comunicación en serie, el ancho de banda es un producto del volumen de datos (bits binarios por "palabra" transmitida) y la velocidad de los datos ("palabras" por segundo).

La medida estándar del ancho de banda de la red es bits por segundo o bps . Una unidad obsoleta de ancho de banda conocida como baudios a veces se equipara falsamente con bits por segundo, pero en realidad es la medida de cambios en el nivel de la señal por segundo.

Muchos estándares de redes seriales utilizan múltiples cambios de voltaje o nivel de corriente para representar un solo bit, por lo que para estas aplicaciones, bps y baudios no son equivalentes.

Método de terreno común

El diseño general de BogusBus, donde todos los bits son voltajes referenciados a una conexión de "tierra" común , es la peor situación para la comunicación de datos de onda cuadrada de alta frecuencia.

Todo funcionará bien para distancias cortas, donde los efectos inductivos y capacitivos se pueden mantener al mínimo, pero para distancias largas, este método seguramente será problemático:

Método de voltaje diferencial

Una alternativa sólida al método de señal de tierra común es el diferencial método de voltaje, donde cada bit está representado por la diferencia de voltaje entre un par de cables aislados a tierra, en lugar de un voltaje entre un cable y una tierra común.

Esto tiende a limitar los efectos capacitivos e inductivos impuestos sobre cada señal y la tendencia a que las señales se corrompan debido a interferencias eléctricas externas, mejorando así significativamente la distancia práctica de una red serial:

Los símbolos de amplificador triangular representan amplificadores diferenciales , que emite una señal de voltaje entre dos cables, ninguno eléctricamente común con tierra. Habiendo eliminado cualquier relación entre la señal de voltaje y tierra, la única capacitancia significativa impuesta sobre el voltaje de la señal es la existente entre los dos cables de señal.

La capacitancia entre un cable de señal y un conductor conectado a tierra tiene un efecto mucho menor, porque la ruta capacitiva entre los dos cables de señal a través de una conexión a tierra es de dos capacitancias en serie (desde el cable de señal # 1 a tierra, luego desde tierra hasta el cable de señal # 2 ), y los valores de capacitancia en serie son siempre menores que cualquiera de las capacitancias individuales.

Además, se ignorará cualquier voltaje de "ruido" inducido entre los cables de señal y la conexión a tierra por una fuente externa, porque es probable que ese voltaje de ruido se induzca en ambos cables de señal en igual medida, y el amplificador receptor solo responde al diferencial voltaje entre los dos cables de señal, en lugar del voltaje entre cualquiera de ellos y tierra física.

RS-232C es un excelente ejemplo de una red serial con referencia a tierra, mientras que RS-422A es un excelente ejemplo de una red serial de voltaje diferencial. RS-232C encuentra una aplicación popular en entornos de oficina donde hay poca interferencia eléctrica y las distancias de cableado son cortas.

RS-422A se usa más ampliamente en aplicaciones industriales donde existen distancias de cableado más largas y un mayor potencial de interferencia eléctrica del cableado de alimentación de CA.

Sin embargo, una gran parte del problema con las señales de red digital es la naturaleza de onda cuadrada de tales voltajes, como se mencionó anteriormente.

Si tan solo pudiéramos evitar las ondas cuadradas todos juntos, podríamos evitar muchas de sus dificultades inherentes en las redes largas de alta frecuencia. Una forma de hacer esto es modular una señal de voltaje de onda sinusoidal con nuestros datos digitales.

"Modulación" significa que la magnitud de una señal tiene control sobre algún aspecto de otra señal. La tecnología de radio ha incorporado modulación durante décadas, al permitir que una señal de voltaje de audiofrecuencia controle la amplitud (AM) o la frecuencia (FM) de un voltaje "portador" de frecuencia mucho más alta, que luego se envía a la antena para su transmisión.

La técnica de modulación de frecuencia (FM) ha encontrado más uso en redes digitales que la modulación de amplitud (AM), excepto que se la conoce como modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). Con FSK simple, se utilizan ondas sinusoidales de dos frecuencias distintas para representar los dos estados binarios, 1 y 0:

Debido a los problemas prácticos de hacer que las ondas sinusoidales de baja / alta frecuencia comiencen y terminen en los puntos de cruce cero para cualquier combinación dada de ceros y unos, a veces se usa una variación de FSK llamada FSK de fase continua, donde el combinación de una frecuencia alta / baja representa un estado binario y la combinación de una frecuencia alta / baja representa el otro.

Esto también crea una situación en la que cada bit, ya sea 0 o 1, tarda exactamente la misma cantidad de tiempo en transmitirse a lo largo de la red:

Con voltajes de señal de onda sinusoidal, muchos de los problemas encontrados con las señales digitales de onda cuadrada se minimizan, aunque los circuitos necesarios para modular (y demodular) las señales de red son más complejos y costosos.

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