Elektrische Signaltypen

FRFR: The 21st Century Guitar System | Line 6 (Juli 2019).

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Anonim

Elektrische Signaltypen

Kapitel 14 - Digitale Kommunikation


Mit BogusBus waren unsere Signale sehr einfach und unkompliziert: Jede Signalleitung (1 bis 5) enthielt ein einzelnes Bit digitaler Daten, wobei 0 Volt "Aus" und 24 Volt DC "Ein" darstellten. Weil alle Bits an ihrem Ziel angekommen waren gleichzeitig würden wir BogusBus eine parallele Netzwerktechnologie nennen. Wenn wir die Leistung von BogusBus verbessern würden, indem wir Binärcodierung (zum Senderende) und Decodierung (zum Empfängerende) hinzufügen würden, so dass mehr Schritte der Auflösung mit weniger Drähten verfügbar wären, wäre es immer noch ein paralleles Netzwerk. Wenn wir jedoch auf der Senderseite einen Parallel-Seriell-Wandler und auf der Empfängerseite einen Seriell-Parallel-Wandler hinzufügen würden, hätten wir etwas ganz anderes.

Es ist in erster Linie mit der Verwendung der seriellen Technologie, dass wir gezwungen sind, clevere Wege zur Übertragung von Datenbits zu erfinden. Da serielle Daten erfordern, dass wir alle Datenbits über den gleichen Verdrahtungskanal von Sender zu Empfänger senden, erfordert dies ein potenziell hohes Frequenzsignal auf der Netzwerkverdrahtung. Betrachten Sie die folgende Abbildung: Ein modifiziertes BogusBus-System kommuniziert digitale Daten in paralleler, binär codierter Form. Anstelle von 5 diskreten Bits wie dem ursprünglichen BogusBus senden wir 8 Bits vom Sender zum Empfänger. Der A / D-Wandler auf der Senderseite erzeugt jede Sekunde einen neuen Ausgang. Das bedeutet, dass 8 Bits pro Sekunde an den Empfänger gesendet werden. Zur Verdeutlichung sagen wir, dass der Sender bei jeder Aktualisierung (einmal pro Sekunde) zwischen einer Ausgabe von 10101010 und 10101011 springt:

Da sich nur das niedrigstwertige Bit (Bit 1) ändert, beträgt die Frequenz an diesem Draht (gegen Erde) nur 1/2 Hertz. Unabhängig davon, welche Zahlen zwischen den Aktualisierungen vom A / D-Wandler generiert werden, kann die Frequenz an jedem Kabel in diesem modifizierten BogusBus-Netzwerk 1/2 Hertz nicht überschreiten, da der A / D-Wandler so seine digitale Ausgabe aktualisiert. 1/2 Hertz ist ziemlich langsam und sollte keine Probleme für unsere Netzwerkverkabelung darstellen.

Wenn wir andererseits ein serielles 8-Bit-Netzwerk verwenden, müssen alle Datenbits nacheinander auf dem einzelnen Kanal erscheinen. Und diese Bits müssen vom Sender innerhalb des 1-Sekunden-Zeitfensters zwischen Aktualisierungen des A / D-Wandlers ausgegeben werden. Daher würde die alternierende digitale Ausgabe von 10101010 und 10101011 (einmal pro Sekunde) in etwa so aussehen:

Die Frequenz unseres BogusBus-Signals beträgt jetzt ungefähr 4 Hertz anstelle von 1/2 Hertz, eine achtfache Zunahme! Obwohl 4 Hertz immer noch ziemlich langsam ist und kein technisches Problem darstellt, sollten Sie wissen, was passieren könnte, wenn wir 32 oder 64 Datenbits pro Update zusammen mit den anderen für die Paritätsprüfung und die Signalsynchronisation notwendigen Bits übertragen würden mit einer Aktualisierungsrate von Tausenden von Malen pro Sekunde! Serielle Datennetzfrequenzen beginnen, in den Funkbereich einzutreten, und einfache Drähte fangen an, als Antennen, Drahtpaare als Übertragungsleitungen mit all ihren zugehörigen Macken aufgrund von induktiven und kapazitiven Reaktanzen zu wirken.

Was noch schlimmer ist, die Signale, die wir über ein serielles Netzwerk zu übertragen versuchen, haben die Form einer Rechteckwelle und sind binäre Informationsbits. Rechteckwellen sind eigenartige Dinge und entsprechen mathematisch einer unendlichen Reihe von Sinuswellen mit abnehmender Amplitude und zunehmender Frequenz. Eine einfache Rechteckwelle bei 10 kHz wird tatsächlich durch die Kapazität und Induktivität des Netzwerks als eine Reihe von mehreren Sinuswellenfrequenzen "gesehen", die sich bei signifikanten Amplituden in die Hunderte von kHz erstrecken. Was wir am anderen Ende eines langen 2-Leiter-Netzes erhalten, wird selbst unter besten Bedingungen nicht mehr wie eine saubere Rechteckwelle aussehen!

Wenn Ingenieure von Netzwerkbandbreite sprechen, beziehen sie sich auf die praktische Frequenzgrenze eines Netzwerkmediums. Bei der seriellen Kommunikation ist die Bandbreite ein Produkt aus Datenvolumen (Binärbits pro übertragenem "Wort") und Datengeschwindigkeit ("Wörter" pro Sekunde). Das Standardmaß für die Netzwerkbandbreite ist Bits pro Sekunde oder Bit / s . Eine veraltete Bandbreiteneinheit, die als Baud bezeichnet wird, wird manchmal fälschlicherweise mit Bits pro Sekunde gleichgesetzt, ist aber tatsächlich das Maß für Signalpegeländerungen pro Sekunde. Viele serielle Netzwerkstandards verwenden mehrere Spannungs- oder Strompegeländerungen, um ein einzelnes Bit darzustellen. Daher sind bps und Baud für diese Anwendungen nicht äquivalent.

Der allgemeine BogusBus-Entwurf, bei dem alle Bits Spannungen sind, die auf eine gemeinsame "Masse" -Verbindung bezogen sind, ist die Worst-Case-Situation für die Hochfrequenz-Rechteckwellen-Datenkommunikation. Alles funktioniert gut für kurze Entfernungen, wo induktive und kapazitive Effekte auf ein Minimum beschränkt werden können, aber für lange Strecken wird diese Methode sicherlich problematisch sein:

Eine robuste Alternative zu der Methode des gemeinsamen Massesignals ist die Differenzspannungsmethode, bei der jedes Bit durch die Spannungsdifferenz zwischen einem erdungsisolierten Leitungspaar anstelle einer Spannung zwischen einer Leitung und einer gemeinsamen Masse dargestellt wird. Dies neigt dazu, die kapazitiven und induktiven Effekte zu begrenzen, die jedem Signal auferlegt werden, und die Tendenz, dass die Signale aufgrund von äußerer elektrischer Interferenz verfälscht werden, wodurch die praktische Entfernung eines seriellen Netzwerks signifikant verbessert wird:

Die dreieckigen Verstärkersymbole repräsentieren Differenzverstärker, die ein Spannungssignal zwischen zwei Drähten ausgeben, von denen keiner elektrisch mit Masse verbunden ist. Nachdem irgendeine Beziehung zwischen dem Spannungssignal und der Masse eliminiert worden ist, ist die einzige signifikante Kapazität, die der Signalspannung auferlegt ist, diejenige, die zwischen den zwei Signaldrähten existiert. Die Kapazität zwischen einer Signalleitung und einem geerdeten Leiter ist viel weniger effektiv, da der kapazitive Pfad zwischen den zwei Signalleitungen über eine Masseverbindung zwei Kapazitäten in Reihe ist (von Signalleitung # 1 zu Masse, dann von Masse zu Signalleitung # 2) ), und Reihenkapazitätswerte sind immer kleiner als irgendeine der individuellen Kapazitäten. Darüber hinaus wird jegliche "Rausch" -Spannung, die zwischen den Signaldrähten und der Erde durch eine externe Quelle induziert wird, ignoriert, da diese Rauschspannung wahrscheinlich an beiden Signaldrähten gleichermaßen induziert wird und der Empfangsverstärker nur auf die Differenzspannung dazwischen anspricht die zwei Signaldrähte, anstatt die Spannung zwischen irgend einer von ihnen und Erde.

RS-232C ist ein Paradebeispiel für ein erdgebundenes serielles Netzwerk, während RS-422A ein Paradebeispiel für ein serielles Differenzspannungsnetzwerk ist. Die RS-232C findet eine breite Anwendung in Büroumgebungen, in denen nur wenig elektrische Störungen auftreten und die Verdrahtungsabstände kurz sind. RS-422A wird häufiger in industriellen Anwendungen eingesetzt, wo längere Verdrahtungsstrecken und ein größeres Potenzial für elektrische Störungen durch AC-Stromleitungen vorhanden sind.

Ein großer Teil des Problems mit digitalen Netzwerksignalen ist jedoch die Rechteckwellennatur solcher Spannungen, wie zuvor erwähnt wurde. Wenn wir nur alle Rechteckwellen vermeiden könnten, könnten wir viele ihrer inhärenten Schwierigkeiten in langen, hochfrequenten Netzen vermeiden. Eine Möglichkeit besteht darin, ein Sinuswellenspannungssignal mit unseren digitalen Daten zu modulieren . "Modulation" bedeutet, dass die Größe eines Signals die Kontrolle über irgendeinen Aspekt eines anderen Signals hat. Die Funktechnologie hat seit Jahrzehnten eine Modulation eingebaut, die es einem tonfrequenten Spannungssignal ermöglicht, entweder die Amplitude (AM) oder die Frequenz (FM) einer viel "höheren" Trägerspannung zu steuern, die dann zur Übertragung an die Antenne gesendet wird. Die Frequenzmodulations (FM) -Technik hat in digitalen Netzwerken mehr Verwendung gefunden als Amplitudenmodulation (AM), außer dass sie als Frequency Shift Keying (FSK) bezeichnet wird. Mit einfachen FSK werden Sinuswellen zweier unterschiedlicher Frequenzen verwendet, um die zwei binären Zustände 1 und 0 darzustellen:

Aufgrund der praktischen Probleme, die Niedrig- / Hochfrequenz-Sinuswellen an den Nulldurchgangspunkten für jede gegebene Kombination von Nullen und Einsen beginnen und enden zu lassen, wird manchmal eine FSK-Variation verwendet, die phasenkontinuierliche FSK genannt wird, wobei die aufeinanderfolgende Kombination von eine niedrige / hohe Frequenz repräsentiert einen binären Zustand und die Kombination einer hohen / niedrigen Frequenz repräsentiert den anderen. Dies führt auch dazu, dass jedes Bit, egal ob es 0 oder 1 ist, genau die gleiche Zeit benötigt, um es im Netzwerk zu übertragen:

Mit Sinuswellensignalspannungen werden viele der Probleme, die bei digitalen Rechteckwellensignalen auftreten, minimiert, obwohl die zum Modulieren (und Demodulieren) der Netzwerksignale erforderliche Schaltung komplexer und teurer ist.