Типы электрических сигналов

С BogusBus наши сигналы были очень простыми и понятными:каждый сигнальный провод (с 1 по 5) нес один бит цифровых данных, 0 вольт означает «выключено», а 24 вольт постоянного тока означает «включено». Поскольку все биты прибыли в пункт назначения одновременно, мы бы назвали BogusBus параллельным сетевые технологии .

Если бы мы улучшили производительность BogusBus, добавив двоичное кодирование (на стороне передатчика) и декодирование (на сторону получателя), чтобы было доступно больше шагов разрешения с меньшим количеством проводов, это все равно была бы параллельная сеть.

Однако, если бы мы добавили преобразователь из параллельного в последовательный на стороне передатчика и преобразователь из последовательного в параллельный на стороне приемника, у нас было бы нечто совсем другое.

Мы вынуждены изобретать умные способы передачи битов данных, прежде всего, с использованием технологии последовательной передачи данных.

Поскольку последовательные данные требуют, чтобы мы отправляли все биты данных по одному и тому же каналу связи от передатчика к приемнику , это требует потенциально высокочастотного сигнала в сетевой проводке.

Рассмотрим следующую иллюстрацию:модифицированная система BogusBus передает цифровые данные в параллельной двоично-кодированной форме. Вместо 5 отдельных битов, как в оригинальном BogusBus, мы отправляем 8 бит от передатчика к приемнику.

Аналого-цифровой преобразователь на стороне передатчика каждую секунду генерирует новый выходной сигнал. Таким образом, получателю отправляются данные со скоростью 8 бит в секунду.

Например, передатчик переключается между выходом 10101010 и 10101011 при каждом обновлении (раз в секунду):

Поскольку изменяется только младший значащий бит (бит 1), частота на этом проводе (относительно земли) составляет всего 1/2 Гц. Фактически, независимо от того, какие числа генерируются аналого-цифровым преобразователем между обновлениями, частота на любом проводе в этой модифицированной сети BogusBus не может превышать 1/2 Гц, потому что именно с такой скоростью аналого-цифровой преобразователь обновляет свой цифровой выход. 1/2 Гц - это довольно медленно и не должно создавать проблем для нашей сетевой проводки.

С другой стороны, если мы использовали 8-битную последовательную сеть, все биты данных должны последовательно появляться на одном канале. И эти биты должны быть выведены передатчиком в течение 1-секундного интервала времени между обновлениями аналого-цифрового преобразователя.

Следовательно, чередующийся цифровой выход 10101010 и 10101011 (один раз в секунду) будет выглядеть примерно так:

Частота нашего сигнала BogusBus теперь составляет примерно 4 Гц вместо 1/2 Гц, то есть увеличение в восемь раз!

Хотя 4 Гц по-прежнему довольно медленны и не представляют собой инженерной проблемы, вы должны быть в состоянии оценить, что могло бы произойти, если бы мы передавали 32 или 64 бита данных за одно обновление вместе с другими битами, необходимыми для проверки четности и синхронизации сигналов. , с частотой обновления тысячи раз в секунду!

Частоты последовательных сетей передачи данных начинают входить в диапазон радиосвязи, а простые провода начинают действовать как антенны, а пары проводов - как линии передачи со всеми связанными с ними причудами из-за индуктивных и емкостных сопротивлений.

Данные, обрабатываемые в последовательной сетевой связи, представляют собой прямоугольные данные, которые представляют собой двоичные биты информации. Прямоугольные волны - это странные вещи, которые математически эквивалентны бесконечной серии синусоидальных волн убывающей амплитуды и возрастающей частоты.

Простая прямоугольная волна на частоте 10 кГц фактически «рассматривается» емкостью и индуктивностью сети как последовательность нескольких частот синусоидальной волны, которые простираются до сотен кГц при значительной амплитуде. То, что мы получаем на другом конце длинной двухпроводной сети, больше не будет выглядеть как чистый прямоугольный сигнал даже в самых лучших условиях!

Пропускная способность

Когда инженеры говорят о пропускной способности сети , они имеют в виду практический предел частоты сетевого носителя. При последовательной связи полоса пропускания является произведением объема данных (двоичных битов на переданное «слово») и скорости передачи данных («слов» в секунду).

Стандартный показатель пропускной способности сети - бит в секунду или бит / с . . Устаревшая единица пропускной способности, известная как бод . иногда ошибочно приравнивается к битам в секунду, но на самом деле это мера изменений уровня сигнала в секунду.

Многие стандарты последовательных сетей используют несколько изменений уровня напряжения или тока для представления одного бита, поэтому для этих приложений бит / с и бод не эквивалентны.

Общий метод

Общая конструкция BogusBus, где все биты представляют собой напряжения, относящиеся к общему соединению «земля» . , является наихудшим случаем для передачи данных с помощью высокочастотной прямоугольной волны.

Все будет хорошо работать на небольших расстояниях, где индуктивные и емкостные эффекты можно свести к минимуму, но для больших расстояний этот метод наверняка будет проблематичным:

Метод дифференциального напряжения

Надежной альтернативой методу сигнала общей земли является дифференциальный Метод напряжения, при котором каждый бит представлен разностью напряжений между изолированной парой проводов, а не напряжением между одним проводом и общей землей.

Это имеет тенденцию ограничивать емкостные и индуктивные эффекты, накладываемые на каждый сигнал, и тенденцию к искажению сигналов из-за внешних электрических помех, тем самым значительно улучшая практическое расстояние последовательной сети:

Треугольные символы усилителя обозначают дифференциальные усилители . , которые выводят сигнал напряжения между двумя проводами, ни один из которых не является электрически общим с землей. После устранения какой-либо связи между сигналом напряжения и землей, единственная значимая емкость, налагаемая на напряжение сигнала, - это емкость, существующая между двумя сигнальными проводами.

Емкость между сигнальным проводом и заземленным проводом имеет гораздо меньшее влияние, потому что емкостный путь между двумя сигнальными проводами через соединение с землей представляет собой две последовательно соединенные емкости (от сигнального провода №1 к земле, затем от земли к сигнальному проводу №2. ), а значения последовательной емкости всегда меньше любой из отдельных емкостей.

Кроме того, любое «шумовое» напряжение, наведенное между сигнальными проводами и землей от внешнего источника, будет проигнорировано, потому что это шумовое напряжение, вероятно, будет индуцировано на обоих сигнальные провода в равной мере, а приемный усилитель реагирует только на дифференциал напряжение между двумя сигнальными проводами, а не напряжение между любым из них и землей.

RS-232C является ярким примером последовательной сети с заземлением, а RS-422A - ярким примером последовательной сети с дифференциальным напряжением. RS-232C находит широкое применение в офисных помещениях с небольшими электрическими помехами и небольшими расстояниями проводки.

RS-422A более широко используется в промышленных приложениях, где существует большая длина проводки и большая вероятность электрических помех от проводки переменного тока.

Однако большая часть проблемы с сигналами цифровых сетей заключается в прямоугольной форме таких напряжений, как упоминалось ранее.

Если бы только мы могли полностью избежать прямоугольных волн, мы могли бы избежать многих из присущих им трудностей в длинных высокочастотных сетях. Один из способов сделать это - модулировать синусоидальный сигнал напряжения с нашими цифровыми данными.

«Модуляция» означает, что величина одного сигнала влияет на некоторые аспекты другого сигнала. Радиотехнология уже несколько десятилетий включает модуляцию, позволяя сигналу напряжения звуковой частоты управлять либо амплитудой (AM), либо частотой (FM) гораздо более высокочастотного «несущего» напряжения, которое затем отправляется на антенну для передачи.

Техника частотной модуляции (FM) нашла больше применения в цифровых сетях, чем амплитудная модуляция (AM), за исключением того, что ее называют частотной манипуляцией (FSK). В простой FSK синусоидальные волны двух различных частот используются для представления двух двоичных состояний, 1 и 0:

Из-за практических проблем, связанных с получением синусоидальных волн низкой / высокой частоты, чтобы они начинались и заканчивались в точках пересечения нуля для любой заданной комбинации нулей и единиц, иногда используется вариант FSK, называемый фазовой непрерывной FSK, где последовательные комбинация Низкая / высокая частота представляет одно двоичное состояние, а комбинация высокой / низкой частоты представляет другое.

Это также создает ситуацию, когда каждый бит, будь то 0 или 1, занимает одинаковое количество времени для передачи по сети:

При напряжениях синусоидального сигнала многие проблемы, возникающие при использовании прямоугольных цифровых сигналов, сводятся к минимуму, хотя схемы, необходимые для модуляции (и демодуляции) сетевых сигналов, более сложны и дороги.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица типов электрических сигналов