Elektrische signaaltypes

Met BogusBus waren onze signalen heel eenvoudig en duidelijk:elke signaaldraad (1 t/m 5) droeg een enkel bit digitale gegevens, 0 volt staat voor "uit" en 24 volt DC staat voor "aan". Omdat alle bits tegelijkertijd op hun bestemming aankwamen, zouden we BogusBus een parallel noemen netwerktechnologie .

Als we de prestaties van BogusBus zouden verbeteren door binaire codering (aan de kant van de zender) en decodering (aan de kant van de ontvanger) toe te voegen, zodat er meer resolutiestappen beschikbaar zouden zijn met minder draden, dan zou het nog steeds een parallel netwerk zijn.

Als we echter een parallel-naar-serieel-omzetter aan de zenderzijde en een serieel-naar-parallel-omzetter aan de ontvangerzijde zouden toevoegen, zouden we iets heel anders hebben.

Het is vooral door het gebruik van seriële technologie dat we genoodzaakt zijn om slimme manieren te bedenken om databits te verzenden.

Omdat voor seriële data moeten we alle databits via hetzelfde bedradingskanaal van zender naar ontvanger sturen , vereist het een potentieel hoogfrequent signaal op de netwerkbedrading.

Beschouw de volgende illustratie:een aangepast BogusBus-systeem communiceert digitale gegevens in parallelle, binair gecodeerde vorm. In plaats van 5 discrete bits zoals de originele BogusBus, sturen we 8 bits van zender naar ontvanger.

De A/D-converter aan de zenderzijde genereert elke seconde een nieuwe output. Dat zorgt ervoor dat er 8 bits per seconde aan gegevens naar de ontvanger wordt verzonden.

De zender stuitert bijvoorbeeld elke update (een keer per seconde) tussen een output van 10101010 en 10101011:

Omdat alleen het minst significante bit (Bit 1) verandert, is de frequentie op die draad (naar aarde) slechts 1/2 Hertz. Het maakt niet uit welke getallen er tussen updates door de A/D-converter worden gegenereerd, de frequentie op elke draad in dit aangepaste BogusBus-netwerk kan niet hoger zijn dan 1/2 Hertz, want zo snel werkt de A/D zijn digitale uitgang bij. 1/2 Hertz is behoorlijk traag en zou geen problemen moeten opleveren voor onze netwerkbedrading.

Aan de andere kant, als we een 8-bit serieel netwerk gebruiken, moeten alle databits in volgorde op het enkele kanaal verschijnen. En deze bits moeten door de zender worden uitgevoerd binnen het tijdvenster van 1 seconde tussen updates van de A/D-converter.

Daarom zou de alternerende digitale uitgang van 10101010 en 10101011 (eenmaal per seconde) er ongeveer zo uitzien:

De frequentie van ons BogusBus-signaal is nu ongeveer 4 Hertz in plaats van 1/2 Hertz, een achtvoudige toename!

Hoewel 4 Hertz nog steeds vrij traag is en geen technisch probleem vormt, zou je moeten kunnen begrijpen wat er zou kunnen gebeuren als we 32 of 64 bits aan gegevens per update zouden verzenden, samen met de andere bits die nodig zijn voor pariteitscontrole en signaalsynchronisatie , met een updatesnelheid van duizenden keren per seconde!

Seriële datanetwerkfrequenties beginnen het radiobereik binnen te komen en eenvoudige draden beginnen te werken als antennes, dradenparen als transmissielijnen, met al hun bijbehorende eigenaardigheden als gevolg van inductieve en capacitieve reactanties.

Gegevens die worden verwerkt in een seriële netwerkcommunicatie zijn blokgolfgegevens die binaire bits informatie zijn. Vierkante golven zijn eigenaardige dingen, die wiskundig equivalent zijn aan een oneindige reeks sinusgolven met afnemende amplitude en toenemende frequentie.

Een eenvoudige blokgolf van 10 kHz wordt door de capaciteit en inductantie van het netwerk eigenlijk "gezien" als een reeks van meerdere sinusgolffrequenties die zich met aanzienlijke amplituden uitstrekken tot honderden kHz. Wat we aan de andere kant van een lang 2-aderig netwerk ontvangen, ziet er niet meer uit als een schone blokgolf, zelfs niet onder de beste omstandigheden!

Bandbreedte

Als technici spreken over netwerk bandbreedte , ze verwijzen naar de praktische frequentielimiet van een netwerkmedium. Bij seriële communicatie is bandbreedte een product van gegevensvolume (binaire bits per verzonden "woord") en gegevenssnelheid ("woorden" per seconde).

De standaardmaat voor netwerkbandbreedte is bits per seconde, of bps . Een verouderde eenheid van bandbreedte die bekend staat als de baud wordt soms ten onrechte gelijkgesteld aan bits per seconde, maar is in feite de maat voor signaalniveauveranderingen per seconde.

Veel seriële netwerkstandaarden gebruiken meerdere veranderingen in spannings- of stroomniveaus om een ​​enkele bit weer te geven, en daarom zijn bps en baud voor deze toepassingen niet equivalent.

Common Ground-methode

Het algemene BogusBus-ontwerp, waarbij alle bits spanningen zijn die verwijzen naar een gemeenschappelijke "aard"-verbinding , is de slechtste situatie voor hoogfrequente blokgolfdatacommunicatie.

Alles werkt goed voor korte afstanden, waar inductieve en capacitieve effecten tot een minimum kunnen worden beperkt, maar voor lange afstanden zal deze methode zeker problematisch zijn:

Differentiële spanningsmethode

Een robuust alternatief voor de common ground-signaalmethode is het differentieel spanningsmethode, waarbij elk bit wordt weergegeven door het verschil in spanning tussen een van de aarde geïsoleerd paar draden, in plaats van een spanning tussen één draad en een gemeenschappelijke aarde.

Dit heeft de neiging om de capacitieve en inductieve effecten die aan elk signaal worden opgelegd te beperken en de neiging van de signalen om te worden beschadigd als gevolg van elektrische interferentie van buitenaf, waardoor de praktische afstand van een serieel netwerk aanzienlijk wordt verbeterd:

De driehoekige versterkersymbolen vertegenwoordigen differentiële versterkers , die een spanningssignaal tussen twee draden uitvoeren, geen van beide elektrisch gemeenschappelijk met aarde. Nadat elke relatie tussen het spanningssignaal en de aarde is geëlimineerd, is de enige significante capaciteit die wordt opgelegd aan de signaalspanning die tussen de twee signaaldraden.

De capaciteit tussen een signaaldraad en een geaarde geleider heeft veel minder effect, omdat het capacitieve pad tussen de twee signaaldraden via een aardverbinding twee capaciteiten in serie is (van signaaldraad #1 naar aarde, dan van aarde naar signaaldraad #2 ), en seriecapaciteitswaarden zijn altijd kleiner dan een van de individuele capaciteiten.

Bovendien wordt elke "ruis"-spanning die door een externe bron tussen de signaaldraden en de aarde wordt geïnduceerd, genegeerd, omdat die ruisspanning waarschijnlijk op beide zal worden geïnduceerd. signaaldraden in gelijke mate, en de ontvangende versterker reageert alleen op het differentieel spanning tussen de twee signaaldraden, in plaats van de spanning tussen een van hen en de aarde.

RS-232C is een goed voorbeeld van een serieel netwerk met aardreferentie, terwijl RS-422A een goed voorbeeld is van een serieel netwerk met differentiële spanning. RS-232C vindt een populaire toepassing in kantooromgevingen waar er weinig elektrische interferentie is en de bedradingsafstanden kort zijn.

RS-422A wordt op grotere schaal gebruikt in industriële toepassingen waar langere bedradingsafstanden en een groter potentieel voor elektrische interferentie door AC-stroombedrading bestaat.

Een groot deel van het probleem met digitale netwerksignalen is echter het blokgolfkarakter van dergelijke spanningen, zoals eerder vermeld.

Als we blokgolven maar allemaal samen konden vermijden, zouden we veel van hun inherente problemen in lange, hoogfrequente netwerken kunnen vermijden. Een manier om dit te doen is door moduleren een sinusgolfspanningssignaal met onze digitale gegevens.

'Modulatie' betekent dat de grootte van het ene signaal controle heeft over een bepaald aspect van een ander signaal. Radiotechnologie heeft al tientallen jaren modulatie ingebouwd, waardoor een audiofrequentie-spanningssignaal de amplitude (AM) of frequentie (FM) van een veel hogere frequentie "draaggolf" -spanning kan regelen, die vervolgens naar de antenne wordt gestuurd voor verzending.

De techniek van frequentiemodulatie (FM) wordt meer gebruikt in digitale netwerken dan amplitudemodulatie (AM), behalve dat het wordt aangeduid als Frequency Shift Keying (FSK). Met eenvoudige FSK worden sinusgolven van twee verschillende frequenties gebruikt om de twee binaire toestanden, 1 en 0, weer te geven:

Vanwege de praktische problemen om de laag-/hoogfrequente sinusgolven te laten beginnen en eindigen bij de nul-overgangspunten voor een bepaalde combinatie van nullen en enen, wordt soms een variatie van FSK gebruikt die fase-continue FSK wordt genoemd, waarbij de opeenvolgende combinatie van een lage/hoge frequentie vertegenwoordigt de ene binaire toestand en de combinatie van een hoge/lage frequentie vertegenwoordigt de andere.

Dit zorgt ook voor een situatie waarin elk bit, of het nu 0 of 1 is, precies dezelfde hoeveelheid tijd kost om via het netwerk te verzenden:

Met sinusgolfsignaalspanningen worden veel van de problemen die zich voordoen bij digitale blokgolfsignalen geminimaliseerd, hoewel de schakelingen die nodig zijn om de netwerksignalen te moduleren (en demoduleren) complexer en duurder zijn.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad elektrische signaaltypen