Types de signaux électriques

Avec BogusBus, nos signaux étaient très simples et directs :chaque fil de signal (1 à 5) transportait un seul bit de données numériques, 0 volt représentant « off » et 24 volts CC représentant « on ». Parce que tous les bits sont arrivés à destination simultanément, nous appellerions BogusBus un parallèle technologie de réseau .

Si nous devions améliorer les performances de BogusBus en ajoutant un codage binaire (à l'extrémité de l'émetteur) et un décodage (à l'extrémité du récepteur), de sorte que plus d'étapes de résolution soient disponibles avec moins de fils, ce serait toujours un réseau parallèle.

Si, cependant, nous devions ajouter un convertisseur parallèle-série à l'émetteur et un convertisseur série-parallèle à l'extrémité récepteur, nous aurions quelque chose de tout à fait différent.

C'est principalement avec l'utilisation de la technologie série que nous sommes obligés d'inventer des moyens intelligents de transmettre des bits de données.

Parce que les données série nous obligent à envoyer tous les bits de données via le même canal de câblage de l'émetteur au récepteur , il nécessite un signal potentiellement haute fréquence sur le câblage du réseau.

Considérez l'illustration suivante :un système BogusBus modifié communique des données numériques sous une forme parallèle codée en binaire. Au lieu de 5 bits discrets comme le BogusBus d'origine, nous envoyons 8 bits de l'émetteur au récepteur.

Le convertisseur A/N côté émetteur génère une nouvelle sortie toutes les secondes. Cela fait 8 bits par seconde de données envoyées au récepteur.

Par exemple, l'émetteur rebondit entre une sortie de 10101010 et 10101011 à chaque mise à jour (une fois par seconde) :

Étant donné que seul le bit le moins significatif (Bit 1) change, la fréquence sur ce fil (vers la terre) n'est que de 1/2 Hertz. En fait, quels que soient les nombres générés par le convertisseur A/N entre les mises à jour, la fréquence sur n'importe quel fil de ce réseau BogusBus modifié ne peut pas dépasser 1/2 Hertz, car c'est la vitesse à laquelle l'A/N met à jour sa sortie numérique. 1/2 Hertz est assez lent et ne devrait présenter aucun problème pour notre câblage réseau.

D'autre part, si nous utilisons un réseau série 8 bits, tous les bits de données doivent apparaître sur le seul canal en séquence. Et ces bits doivent être émis par l'émetteur dans la fenêtre de temps d'une seconde entre les mises à jour du convertisseur A/N.

Par conséquent, la sortie numérique alternative de 10101010 et 10101011 (une fois par seconde) ressemblerait à ceci :

La fréquence de notre signal BogusBus est maintenant d'environ 4 Hertz au lieu de 1/2 Hertz, une multiplication par huit !

Bien que 4 Hertz soit encore assez lent et ne constitue pas un problème d'ingénierie, vous devriez être en mesure d'apprécier ce qui pourrait arriver si nous transmettions 32 ou 64 bits de données par mise à jour, ainsi que les autres bits nécessaires au contrôle de parité et à la synchronisation du signal. , à un taux de mise à jour de milliers de fois par seconde !

Les fréquences du réseau de données en série commencent à entrer dans la gamme radio, et de simples fils commencent à agir comme des antennes, des paires de fils comme des lignes de transmission, avec toutes leurs bizarreries associées dues aux réactances inductives et capacitives.

Les données en cours de traitement dans une communication de réseau série sont des données à ondes carrées contenant des bits d'information binaires. Les ondes carrées sont des choses particulières, étant mathématiquement équivalentes à une série infinie d'ondes sinusoïdales d'amplitude décroissante et de fréquence croissante.

Une simple onde carrée à 10 kHz est en fait « perçue » par la capacité et l'inductance du réseau comme une série de fréquences sinusoïdales multiples qui s'étendent jusqu'à des centaines de kHz à des amplitudes importantes. Ce que nous recevons à l'autre extrémité d'un long réseau à 2 conducteurs ne ressemblera plus à une onde carrée propre, même dans les meilleures conditions !

Bande passante

Quand les ingénieurs parlent de réseau bande passante , ils font référence à la limite de fréquence pratique d'un support réseau. Dans la communication série, la bande passante est le produit du volume de données (bits binaires par « mot » transmis) et de la vitesse des données (« mots » par seconde).

La mesure standard de la bande passante du réseau est de bits par seconde, ou bps . Une unité de bande passante obsolète connue sous le nom de baud est parfois faussement assimilé aux bits par seconde, mais est en fait la mesure des changements de niveau de signal par seconde.

De nombreuses normes de réseau série utilisent plusieurs changements de niveau de tension ou de courant pour représenter un seul bit. Par conséquent, pour ces applications, le bps et le baud ne sont pas équivalents.

Méthode du terrain commun

La conception générale de BogusBus, où tous les bits sont des tensions référencées à une connexion « terre » commune , est la situation la plus défavorable pour la communication de données à ondes carrées haute fréquence.

Tout fonctionnera bien pour les courtes distances, où les effets inductifs et capacitifs peuvent être réduits au minimum, mais pour les longues distances, cette méthode sera sûrement problématique :

Méthode de tension différentielle

Une alternative robuste à la méthode du signal de masse commune est le différentiel méthode de tension, où chaque bit est représenté par la différence de tension entre une paire de fils isolés à la terre, au lieu d'une tension entre un fil et une terre commune.

Cela tend à limiter les effets capacitifs et inductifs imposés à chaque signal et la tendance des signaux à être corrompus en raison d'interférences électriques extérieures, améliorant ainsi considérablement la distance pratique d'un réseau série :

Les symboles d'amplificateur triangulaires représentent les amplificateurs différentiels , qui délivrent un signal de tension entre deux fils, ni l'un ni l'autre électriquement commun avec la terre. Ayant éliminé toute relation entre le signal de tension et la masse, la seule capacité significative imposée à la tension de signal est celle existant entre les deux fils de signal.

La capacité entre un fil de signal et un conducteur mis à la terre a beaucoup moins d'effet, car le chemin capacitif entre les deux fils de signal via une connexion à la terre est de deux capacités en série (du fil de signal n°1 à la terre, puis de la terre au fil de signal n°2 ), et les valeurs de capacité en série sont toujours inférieures à l'une des capacités individuelles.

De plus, toute tension de « bruit » induite entre les fils de signal et la terre par une source externe sera ignorée, car cette tension de bruit sera probablement induite sur les deux fils de signal dans une mesure égale, et l'amplificateur de réception ne répond qu'au différentiel tension entre les deux fils de signal, plutôt que la tension entre l'un d'eux et la terre.

RS-232C est un excellent exemple de réseau série référencé à la terre, tandis que RS-422A est un excellent exemple de réseau série à tension différentielle. RS-232C trouve une application populaire dans les environnements de bureau où il y a peu d'interférences électriques et les distances de câblage sont courtes.

Le RS-422A est plus largement utilisé dans les applications industrielles où existent des distances de câblage plus longues et un plus grand potentiel d'interférences électriques provenant du câblage d'alimentation CA.

Cependant, une grande partie du problème avec les signaux de réseau numérique est la nature d'onde carrée de ces tensions, comme cela a été mentionné précédemment.

Si seulement nous pouvions éviter les ondes carrées dans leur ensemble, nous pourrions éviter bon nombre de leurs difficultés inhérentes aux longs réseaux haute fréquence. Une façon de faire est de moduler un signal de tension sinusoïdale avec nos données numériques.

« Modulation » signifie que l'amplitude d'un signal a le contrôle sur un aspect d'un autre signal. La technologie radio intègre la modulation depuis des décennies maintenant, en permettant à un signal de tension audiofréquence de contrôler soit l'amplitude (AM) soit la fréquence (FM) d'une tension «porteuse» de fréquence beaucoup plus élevée, qui est ensuite envoyée à l'antenne pour la transmission.

La technique de modulation de fréquence (FM) a trouvé plus d'utilisation dans les réseaux numériques que la modulation d'amplitude (AM), sauf qu'elle est appelée Frequency Shift Keying (FSK). Avec une FSK simple, des ondes sinusoïdales de deux fréquences distinctes sont utilisées pour représenter les deux états binaires, 1 et 0 :

En raison des problèmes pratiques liés au début et à la fin des ondes sinusoïdales basse/haute fréquence aux points de croisement zéro pour toute combinaison donnée de 0 et de 1, une variation de FSK appelée FSK à phase continue est parfois utilisée, où le combinaison d'une fréquence basse/haute représente un état binaire et la combinaison d'une fréquence haute/basse représente l'autre.

Cela crée également une situation où chaque bit, qu'il soit 0 ou 1, prend exactement le même temps pour transmettre sur le réseau :

Avec les tensions de signaux sinusoïdaux, bon nombre des problèmes rencontrés avec les signaux numériques à ondes carrées sont minimisés, bien que les circuits nécessaires pour moduler (et démoduler) les signaux du réseau soient plus complexes et plus coûteux.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les types de signaux électriques