Signaux électriques parallèles vs série : comment la tension différentielle et la modulation améliorent la fiabilité

Dans le système BogusBus, chacun des cinq fils de signal transportait un seul bit binaire : 0 V désignait « éteint » et 24 V CC représentait « allumé ». Comme tous les bits arrivaient simultanément, BogusBus est classé comme un réseau parallèle.

L'ajout d'un codage binaire à l'émetteur et d'un décodage au récepteur — pour transmettre plus de résolution sur moins de fils — ne change pas la nature parallèle de BogusBus.

L'introduction d'un convertisseur parallèle-série à l'émetteur et d'un convertisseur série-parallèle au récepteur transforme l'architecture en un réseau série.

La communication série nous oblige à développer des techniques plus sophistiquées pour transmettre les données.

Les données série transmettent chaque bit sur la même paire de conducteurs, exigeant un signal de plus haute fréquence pour suivre le débit de données.

Imaginez un BogusBus modifié qui envoie 8 bits par mise à jour au lieu des 5 originaux, toujours en utilisant une transmission parallèle à codage binaire.

Le convertisseur A/N côté émetteur génère une nouvelle sortie chaque seconde, résultant en 8 bits par seconde de données envoyées au récepteur.

Par exemple, l'émetteur alterne entre les sorties 10101010 et 10101011 une fois par seconde :

Puisque seul le bit de poids faible change, le signal sur un fil donné varie au maximum à 0,5 Hz — bien en dessous des fréquences de communication typiques.

En revanche, un réseau série 8 bits doit transmettre tous les bits séquentiellement sur le canal unique dans la fenêtre d'une seconde entre les mises à jour A/N. La forme d'onde résultante ressemblerait à ceci :

La représentation série oscille maintenant à environ 4 Hz — une augmentation huit fois supérieure au cas parallèle.

Bien que 4 Hz soit encore bénin, l'échelle à 32 ou 64 bits par mise à jour à des taux de mise à jour kilohertz pousse la fréquence requise dans le spectre radio.

Les fréquences des réseaux de données série entrent dans la gamme radio, transformant de simples fils en antennes et lignes de transmission, avec des réactances inductives et capacitives affectant les performances.

Les signaux numériques à onde carrée sont équivalents à une série infinie d'ondes sinusoïdales à amplitude décroissante et fréquence croissante. Une onde carrée à 10 kHz est perçue par la capacitance et l'inductance de la ligne comme un spectre de composantes de plus haute fréquence, donc sur de longs parcours la forme d'onde se dégrade.

Bande passante

Quand les ingénieurs parlent de bande passante de réseau, ils font référence à la limite de fréquence pratique d'un milieu. En communication série, la bande passante équivaut au volume de données (bits par mot) multiplié par la vitesse de données (mots par seconde).

La métrique standard est bits par seconde (bps). L'unité obsolète « baud » mesure les changements de niveau de signal par seconde et n'est pas synonyme de bps, surtout quand plusieurs niveaux de tension encodent un seul bit.

Méthode de référence commune (Common Ground)

La conception traditionnelle de BogusBus référence tous les bits à une masse commune, ce qui est le pire scénario pour la communication à onde carrée haute fréquence. Cela fonctionne bien sur de courtes distances mais devient problématique quand les signaux voyagent loin.

Méthode de tension différentielle

Une alternative robuste est la méthode de tension différentielle, où chaque bit est représenté par la différence de tension entre un couple de fils isolés de la masse, plutôt qu'une tension par rapport à la masse.

Cette approche réduit le chargement inductif et capacitif et atténue les interférences électriques externes, étendant la portée pratique des réseaux série.

Les amplificateurs différentiels sortent une tension entre deux fils de signal, éliminant toute référence à la masse. Seule la capacitance entre les deux fils de signal importe, et les capacitances en série sont plus petites que les individuelles.

Le bruit induit sur les deux fils de signal est ignoré car le récepteur ne répond qu'à la tension différentielle.

RS-232C est un standard série référencé à la masse adapté aux câblages de bureau courts et à faible interférence, tandis que RS-422A utilise la signalisation différentielle et est courant dans les environnements industriels avec de longs parcours et du bruit électrique élevé.

Malgré les avantages, de nombreux problèmes de réseau numérique découlent de la nature en onde carrée des signaux. Une façon d'éviter ces problèmes est de moduler une porteuse sinusoïdale avec des données numériques.

La modulation signifie que l'amplitude d'un signal contrôle un aspect d'un autre. La technologie radio a longtemps utilisé la modulation d'amplitude (AM) et la modulation de fréquence (FM) pour encoder de l'audio sur une porteuse de plus haute fréquence.

Le frequency-shift keying (FSK) est l'équivalent numérique de la FM. Le FSK simple utilise deux ondes sinusoïdales de fréquences distinctes pour représenter le binaire 1 et 0 :

Parce qu'il est difficile de démarrer et arrêter des ondes sinusoïdales exactement aux passages par zéro, le FSK à phase continue est souvent employé. Dans ce schéma, des paires consécutives de fréquences bas-haut et haut-bas encodent les états binaires, assurant que chaque bit prend le même temps de transmission.

L'utilisation de porteuses sinusoïdales atténue de nombreux problèmes d'onde carrée, bien que les circuits de modulation et démodulation soient plus complexes et coûteux.

FICHES DE TRAVAIL ASSOCIÉES :

• Fiche de travail sur les types de signaux électriques