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Introdução à comunicação digital


No projeto de sistemas digitais grandes e complexos, geralmente é necessário que um dispositivo comunique informações digitais de e para outros dispositivos. Uma vantagem da informação digital é que ela tende a ser muito mais resistente a erros transmitidos e interpretados do que a informação simbolizada em um meio analógico.

Isso explica a clareza das conexões telefônicas codificadas digitalmente, discos compactos de áudio e grande parte do entusiasmo da comunidade de engenheiros pela tecnologia de comunicação digital. No entanto, a comunicação digital tem suas próprias armadilhas e existem inúmeras maneiras diferentes e incompatíveis pelas quais ela pode ser enviada.

Esperançosamente, este capítulo irá esclarecê-lo sobre os fundamentos da comunicação digital, suas vantagens, desvantagens e considerações práticas.

Suponha que recebamos a tarefa de monitorar remotamente o nível de um tanque de armazenamento de água. Nosso trabalho é projetar um sistema para medir o nível da água no tanque e enviar essa informação para um local distante para que outras pessoas possam monitorar.

Medir o nível do tanque é bastante fácil e pode ser realizado com uma série de diferentes tipos de instrumentos, como interruptores flutuantes, transmissores de pressão, detectores de nível ultrassônicos, sondas de capacitância, medidores de tensão ou detectores de nível de radar.

Exemplo de comunicação analógica

Para fins desta ilustração, usaremos um dispositivo de medição de nível analógico com um sinal de saída de 4-20 mA. 4 mA representa um nível de tanque de 0%, 20 mA representa um nível de tanque de 100% e qualquer coisa entre 4 e 20 mA representa um nível de tanque proporcionalmente entre 0% e 100%.

Se quiséssemos, poderíamos simplesmente enviar este sinal de corrente analógica de 4-20 miliamperes para o local de monitoramento remoto por meio de um par de fios de cobre, onde acionaria um medidor de painel de algum tipo, cuja escala foi calibrada para refletir a profundidade da água no tanque, nas unidades de medida preferidas.







Este sistema de comunicação analógica seria simples e robusto. Para muitas aplicações, seria suficiente para nossas necessidades perfeitamente. Mas, não é o único maneira de fazer o trabalho.

Para fins de exploração de técnicas digitais, exploraremos outros métodos de monitoramento deste tanque hipotético, embora o método analógico que acabamos de descrever possa ser o mais prático.

O sistema analógico, por mais simples que seja, tem suas limitações. Um deles é o problema da interferência do sinal analógico. Uma vez que o nível de água do tanque é simbolizado pela magnitude da corrente DC no circuito, qualquer "ruído" neste sinal será interpretado como uma mudança no nível de água.

Sem ruído, um gráfico do sinal atual ao longo do tempo para um nível de tanque estável de 50% ficaria assim:







Se os fios deste circuito estiverem dispostos muito próximos aos fios que transportam energia CA de 60 Hz, por exemplo, o acoplamento indutivo e capacitivo pode criar um sinal de "ruído" falso a ser introduzido neste circuito CC.

Embora a baixa impedância de um loop de 4-20 mA (250 Ω, normalmente) signifique que pequenas tensões de ruído são significativamente carregadas (e, assim, atenuadas pela ineficiência do acoplamento capacitivo / indutivo formado pelos fios de alimentação), tal ruído pode ser significativo o suficiente para causar problemas de medição:







O exemplo acima é um pouco exagerado, mas o conceito deve ser claro: qualquer o ruído elétrico introduzido em um sistema de medição analógico será interpretado como mudanças na quantidade medida.

Uma forma de combater esse problema é simbolizar o nível da água do tanque por meio de um sinal digital em vez de um sinal analógico. Podemos fazer isso de forma realmente crua, substituindo o dispositivo transmissor analógico por um conjunto de interruptores de nível de água montados em diferentes alturas no tanque:







Cada uma dessas chaves é conectada para fechar um circuito, enviando corrente para lâmpadas individuais montadas em um painel no local de monitoramento. À medida que cada interruptor fechava, sua respectiva lâmpada acendia e quem olhava para o painel veria uma representação de 5 lâmpadas do nível do tanque.

Sendo que cada circuito da lâmpada é digital por natureza - 100% ligado ou 100% de desconto - a interferência elétrica de outros fios ao longo do percurso tem muito menos efeito sobre a precisão da medição no final do monitoramento do que no caso do sinal analógico.

Um enorme quantidade de interferência seria necessária para fazer com que um sinal “desligado” fosse interpretado como um sinal “ligado” ou vice-versa. A resistência relativa à interferência elétrica é uma vantagem de todas as formas de comunicação digital em relação à analógica.

Agora que sabemos que os sinais digitais são muito mais resistentes a erros induzidos por "ruído", vamos melhorar este sistema de medição do nível do tanque. Por exemplo, poderíamos aumentar a resolução deste sistema de medição de tanques adicionando mais interruptores, para uma determinação mais precisa do nível de água.

Suponha que instalemos 16 interruptores ao longo da altura do tanque em vez de cinco. Isso melhoraria significativamente nossa resolução de medição, mas às custas de aumentar muito a quantidade de fios que precisam ser estendidos entre o tanque e o local de monitoramento.

Uma maneira de reduzir essa despesa de fiação seria usar um codificador de prioridade para pegar as 16 chaves e gerar um número binário que representasse a mesma informação:







Agora, apenas 4 fios (mais os fios de aterramento e de alimentação necessários) são necessários para comunicar as informações, ao contrário de 16 fios (mais os fios de aterramento e de alimentação). No local de monitoramento, precisaríamos de algum tipo de dispositivo de exibição que pudesse aceitar os dados binários de 4 bits e gerar uma exibição fácil de ler para uma pessoa ver.

Um decodificador, conectado para aceitar os dados de 4 bits como sua entrada e lâmpadas de saída de 1 de 16 luz, poderia ser usado para esta tarefa, ou poderíamos usar um decodificador / circuito driver de 4 bits para acionar algum tipo de dígito numérico exibição.

Ainda assim, uma resolução de 1/16 da altura do tanque pode não ser boa o suficiente para nossa aplicação. Para resolver melhor o nível de água, precisamos de mais bits em nossa saída binária. Poderíamos adicionar ainda mais opções, mas isso se torna impraticável rapidamente.

Uma opção melhor seria reconectar nosso transmissor analógico original ao tanque e converter eletronicamente sua saída analógica de 4-20 miliamperes em um número binário com muito mais bits do que seria prático usando um conjunto de interruptores de nível discretos.

Como o ruído elétrico que estamos tentando evitar é encontrado ao longo do longo fio do tanque até o local de monitoramento, esta conversão A / D pode ocorrer no tanque (onde temos um sinal “limpo” de 4-20 mA ) Há uma variedade de métodos para converter um sinal analógico em digital, mas vamos pular uma discussão aprofundada dessas técnicas e nos concentrar na própria comunicação do sinal digital.

O tipo de informação digital que está sendo enviada de nossa instrumentação de tanque para a instrumentação de monitoramento é referido como paralelo dados digitais. Ou seja, cada bit binário está sendo enviado ao longo de seu próprio fio dedicado, de forma que todos os bits cheguem ao seu destino simultaneamente.

Obviamente, isso exige o uso de pelo menos um fio por bit para se comunicar com o local de monitoramento. Poderíamos reduzir ainda mais nossas necessidades de fiação enviando os dados binários ao longo de um único canal (um fio + terra), de modo que cada bit seja comunicado um de cada vez. Este tipo de informação é conhecido como serial dados digitais.

Poderíamos usar um multiplexador ou um registrador de deslocamento para obter os dados paralelos do conversor A / D (no transmissor do tanque) e convertê-los em dados seriais. Na extremidade receptora (o local de monitoramento), poderíamos usar um demultiplexador ou outro registrador de deslocamento para converter os dados seriais em paralelo novamente para uso no circuito de exibição.

Os detalhes exatos de como os pares mux / demux ou shift register são mantidos na sincronização é, como a conversão A / D, um tópico para outra lição. Felizmente, existem chips digitais IC chamados UARTs (Universal Asynchronous Receiver-Transmitters) que lidam com todos esses detalhes por conta própria e tornam a vida do designer muito mais simples.

Por enquanto, devemos continuar focando nossa atenção no assunto em questão:como comunicar a informação digital do tanque para o local de monitoramento.



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