Параллельные vs последовательные электрические сигналы: как дифференциальное напряжение и модуляция повышают надежность

В системе BogusBus каждый из пяти сигнальных проводов несет один двоичный бит: 0 В означает «выкл», а 24 В постоянного тока — «вкл». Поскольку все биты прибывают одновременно, BogusBus классифицируется как параллельная сеть.

Добавление двоичного кодирования на передатчике и декодирования на приемнике — чтобы передать больше разрешения по меньшему числу проводов — не меняет параллельную природу BogusBus.

Введение преобразователя параллельно-последовательного на передатчике и последовательно-параллельного на приемнике трансформирует архитектуру в последовательную сеть.

Последовательная коммуникация заставляет разработать более изощренные техники передачи данных.

Последовательные данные передают каждый бит по той же паре проводников, требуя сигнала более высокой частоты для удержания темпа передачи.

Представьте модифицированный BogusBus, передающий 8 бит за обновление вместо исходных 5, все еще используя параллельную двоично-закодированную передачу.

АЦП на стороне передатчика выдает новый выход каждую секунду, в результате чего 8 бит в секунду данных отправляются к приемнику.

Например, передатчик чередует выходы 10101010 и 10101011 раз в секунду:

Поскольку меняется только младший значащий бит, сигнал на любом данном проводе меняется с максимальной частотой 0,5 Гц — далеко ниже типичных коммуникационных частот.

В отличие от этого, 8-битная последовательная сеть должна передать все биты последовательно по единственному каналу в течение одной секунды между обновлениями АЦП. Полученная волновая форма выглядела бы так:

Последовательное представление теперь осциллирует примерно на 4 Гц — восьмикратное увеличение по сравнению с параллельным случаем.

Хотя 4 Гц все еще безвредны, масштабирование до 32 или 64 бит за обновление на килогерцовых частотах обновления толкает требуемую частоту в радиочастотный диапазон.

Частоты последовательных сетей данных входят в радиочастотный диапазон, превращая простые провода в антенны и линии передачи, где индуктивные и емкостные реактивности влияют на производительность.

Прямоугольные цифровые сигналы эквивалентны бесконечному ряду синусоид с убывающей амплитудой и возрастающей частотой. 10 кГц прямоугольная волна воспринимается емкостью и индуктивностью линии как спектр компонент более высокой частоты, поэтому на длинных линиях форма волны деградирует.

Пропускная способность (Bandwidth)

Когда инженеры говорят о пропускной способности сети, они имеют в виду практический частотный предел среды. В последовательной связи пропускная способность равна объему данных (бит на слово) умноженному на скорость данных (слов в секунду).

Стандартная метрика — бит в секунду (бит/с). Устаревшая единица «бод» измеряет изменений уровня сигнала в секунду и не синоним бит/с, особенно когда несколько уровней напряжения кодируют один бит.

Метод общей земли (Common Ground Method)

Традиционный дизайн BogusBus относит все биты к общей земле, что является худшим сценарием для высокочастотной прямоугольной волновой коммуникации. Он хорошо работает на коротких дистанциях, но становится проблематичным, когда сигналы проходят далеко.

Метод дифференциального напряжения (Differential Voltage Method)

Надежная альтернатива — метод дифференциального напряжения, где каждый бит представлен разностью напряжений между парой проводов, изолированной от земли, а не напряжением относительно земли.

Этот подход снижает индуктивную и емкостную нагрузку и смягчает внешние электрические помехи, расширяя практическую дальность последовательных сетей.

Дифференциальные усилители выдают напряжение между двумя сигнальными проводами, исключая любую опору на землю. Важна только емкость между двумя сигнальными проводами, а последовательные емкости меньше индивидуальных.

Помехи, индуцированные на обоих сигнальных проводах, игнорируются, так как приемник реагирует только на дифференциальное напряжение.

RS-232C — стандарт последовательной связи с опорой на землю, пригодный для коротких, малопомеховых офисных проводок, тогда как RS-422A использует дифференциальную сигнализацию и распространен в промышленных средах с длинными линиями и высоким электрическим шумом.

Несмотря на преимущества, многие проблемы цифровых сетей проистекают из прямоугольной формы сигналов. Один способ избежать этих проблем — модулировать синусоидальный несущий сигнал цифровыми данными.

Модуляция означает, что величина одного сигнала управляет некоторым аспектом другого. Радиотехнологии давно используют амплитудную модуляцию (AM) и частотную модуляцию (FM) для кодирования аудио на несущую более высокой частоты.

Частотная манипуляция (FSK) — цифровой эквивалент FM. Простой FSK использует две синусоиды разных частот для представления бинарных 1 и 0:

Поскольку трудно начинать и останавливать синусоиды точно в нулевых переходах, часто применяют фазопоследовательный FSK. В этой схеме последовательные пары низко-высоко и высоко-низко частот кодируют двоичные состояния, обеспечивая одинаковое время передачи каждого бита.

Использование синусоидальных несущих смягчает многие проблемы прямоугольных волн, хотя схема модуляции и демодуляции становится сложнее и дороже.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист: Типы электрических сигналов