Tipos de sinais elétricos

Com o BogusBus, nossos sinais eram muito simples e diretos:cada fio de sinal (1 a 5) carregava um único bit de dados digitais, 0 Volts representando "desligado" e 24 Volts CC representando "ligado". Como todos os bits chegaram ao seu destino simultaneamente, chamaríamos BogusBus de um paralelo tecnologia de rede .

Se tivéssemos que melhorar o desempenho do BogusBus adicionando codificação binária (na extremidade do transmissor) e decodificação (na extremidade do receptor), de modo que mais etapas de resolução estivessem disponíveis com menos fios, ainda seria uma rede paralela.

Se, entretanto, adicionássemos um conversor paralelo para serial na extremidade do transmissor e um conversor serial para paralelo na extremidade do receptor, teríamos algo bem diferente.

É principalmente com o uso de tecnologia serial que somos forçados a inventar maneiras inteligentes de transmitir bits de dados.

Porque dados seriais requerem que enviemos todos os bits de dados através do mesmo canal de fiação do transmissor ao receptor , é necessário um sinal de frequência potencialmente alta na fiação da rede.

Considere a seguinte ilustração:um sistema BogusBus modificado está comunicando dados digitais em paralelo, com codificação binária. Em vez de 5 bits discretos como o BogusBus original, estamos enviando 8 bits do transmissor para o receptor.

O conversor A / D no lado do transmissor gera uma nova saída a cada segundo. Isso significa que 8 bits por segundo de dados são enviados ao receptor.

Por exemplo, o transmissor está saltando entre uma saída de 10101010 e 10101011 a cada atualização (uma vez por segundo):







Como apenas o bit menos significativo (Bit 1) está mudando, a frequência nesse fio (para o terra) é de apenas 1/2 Hertz. Na verdade, não importa quais números estão sendo gerados pelo conversor A / D entre as atualizações, a frequência em qualquer fio nesta rede BogusBus modificada não pode exceder 1/2 Hertz, porque essa é a rapidez com que o A / D atualiza sua saída digital. 1/2 Hertz é muito lento e não deve apresentar problemas para o cabeamento de nossa rede.

Por outro lado, se usarmos uma rede serial de 8 bits, todos os bits de dados devem aparecer no canal único em sequência. E esses bits devem ser emitidos pelo transmissor dentro da janela de tempo de 1 segundo entre as atualizações do conversor A / D.

Portanto, a saída digital alternada de 10101010 e 10101011 (uma vez por segundo) seria mais ou menos assim:







A frequência do nosso sinal BogusBus é agora de aproximadamente 4 Hertz em vez de 1/2 Hertz, um aumento de oito vezes!

Embora 4 Hertz ainda seja bastante lento e não constitua um problema de engenharia, você deve ser capaz de avaliar o que poderia acontecer se estivéssemos transmitindo 32 ou 64 bits de dados por atualização, junto com os outros bits necessários para verificação de paridade e sincronização de sinal , a uma taxa de atualização de milhares de vezes por segundo!

As frequências da rede de dados seriais começam a entrar na faixa de rádio, e fios simples começam a agir como antenas, pares de fios como linhas de transmissão, com todas as peculiaridades associadas devido às reatâncias indutivas e capacitivas.

Os dados sendo processados ​​em uma comunicação de rede serial são dados de ondas quadradas com bits binários de informação. Ondas quadradas são coisas peculiares, sendo matematicamente equivalentes a uma série infinita de ondas senoidais de amplitude decrescente e frequência crescente.

Uma onda quadrada simples a 10 kHz é realmente “vista” pela capacitância e indutância da rede como uma série de múltiplas frequências de onda senoidal que se estendem por centenas de kHz em amplitudes significativas. O que recebemos na outra extremidade de uma longa rede de 2 condutores não parecerá mais uma onda quadrada limpa, mesmo nas melhores condições!



Largura de banda

Quando os engenheiros falam de largura de banda de rede , eles se referem ao limite de frequência prático de um meio de rede. Na comunicação serial, a largura de banda é um produto do volume de dados (bits binários por “palavra” transmitida) e da velocidade dos dados (“palavras” por segundo).

A medida padrão da largura de banda da rede é bits por segundo ou bps . Uma unidade obsoleta de largura de banda conhecida como baud às vezes é erroneamente equacionado com bits por segundo, mas é na verdade a medida das mudanças no nível do sinal por segundo.

Muitos padrões de rede serial usam várias alterações de nível de tensão ou corrente para representar um único bit e, portanto, para essas aplicações, bps e baud não são equivalentes.



Método de base comum

O design geral do BogusBus, em que todos os bits são tensões referenciadas a uma conexão de "terra" comum , é a pior situação para comunicação de dados de onda quadrada de alta frequência.

Tudo funcionará bem para distâncias curtas, onde os efeitos indutivos e capacitivos podem ser reduzidos ao mínimo, mas para longas distâncias este método certamente será problemático:







Método de tensão diferencial

Uma alternativa robusta para o método de sinal de terra comum é o diferencial método de voltagem, em que cada bit é representado pela diferença de voltagem entre um par de fios isolados do solo, em vez de uma voltagem entre um fio e um aterramento comum.

Isso tende a limitar os efeitos capacitivos e indutivos impostos a cada sinal e a tendência de os sinais serem corrompidos devido à interferência elétrica externa, melhorando significativamente a distância prática de uma rede serial:







Os símbolos do amplificador triangular representam amplificadores diferenciais , que emitem um sinal de tensão entre dois fios, nenhum deles eletricamente comum com o aterramento. Tendo eliminado qualquer relação entre o sinal de tensão e o terra, a única capacitância significativa imposta à tensão do sinal é aquela existente entre os dois fios de sinal.

A capacitância entre um fio de sinal e um condutor aterrado tem muito menos efeito, porque o caminho capacitivo entre os dois fios de sinal por meio de uma conexão de aterramento é de duas capacitâncias em série (do fio de sinal nº 1 para o terra e, em seguida, do aterramento para o fio de sinal nº 2 ), e os valores de capacitância em série são sempre menores do que qualquer uma das capacitâncias individuais.

Além disso, qualquer tensão de "ruído" induzida entre os fios de sinal e o aterramento por uma fonte externa será ignorada, porque essa tensão de ruído provavelmente será induzida em ambos fios de sinal em igual medida, e o amplificador receptor responde apenas ao diferencial tensão entre os dois fios de sinal, em vez da tensão entre qualquer um deles e o aterramento.

RS-232C é um excelente exemplo de uma rede serial referenciada ao solo, enquanto RS-422A é um excelente exemplo de uma rede serial de tensão diferencial. RS-232C encontra aplicação popular em ambientes de escritório onde há pouca interferência elétrica e as distâncias de fiação são curtas.

RS-422A é mais amplamente utilizado em aplicações industriais onde existem distâncias de fiação maiores e maior potencial para interferência elétrica da fiação de alimentação CA.

No entanto, uma grande parte do problema com os sinais de rede digital é a natureza de onda quadrada de tais tensões, como mencionado anteriormente.

Se pudéssemos evitar ondas quadradas todos juntos, poderíamos evitar muitas de suas dificuldades inerentes em redes longas de alta frequência. Uma maneira de fazer isso é modular um sinal de tensão de onda senoidal com nossos dados digitais.

“Modulação” significa que a magnitude de um sinal tem controle sobre algum aspecto de outro sinal. A tecnologia de rádio incorporou a modulação há décadas, permitindo que um sinal de voltagem de frequência de áudio controle a amplitude (AM) ou a frequência (FM) de uma voltagem “portadora” de frequência muito mais alta, que é então enviada para a antena para transmissão.

A técnica de modulação de frequência (FM) encontrou mais uso em redes digitais do que a modulação de amplitude (AM), exceto que é conhecida como Frequency Shift Keying (FSK). Com FSK simples, ondas senoidais de duas frequências distintas são usadas para representar os dois estados binários, 1 e 0:







Devido aos problemas práticos de fazer com que as ondas senoidais de baixa / alta frequência comecem e terminem nos pontos de cruzamento zero para qualquer combinação de 0's e 1's, uma variação de FSK chamada FSK de fase contínua é às vezes usada, onde o combinação de uma frequência baixa / alta representa um estado binário e a combinação de uma frequência alta / baixa representa o outro.

Isso também cria uma situação em que cada bit, seja 0 ou 1, leva exatamente a mesma quantidade de tempo para transmitir ao longo da rede:







Com tensões de sinal de onda senoidal, muitos dos problemas encontrados com sinais digitais de onda quadrada são minimizados, embora o circuito necessário para modular (e demodular) os sinais de rede seja mais complexo e caro.



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