Einführung in die digitale Kommunikation

Beim Entwurf großer und komplexer digitaler Systeme ist es oft erforderlich, dass ein Gerät digitale Informationen zu und von anderen Geräten überträgt. Ein Vorteil digitaler Informationen besteht darin, dass sie gegenüber übertragenen und interpretierten Fehlern tendenziell weitaus widerstandsfähiger sind als Informationen, die in einem analogen Medium symbolisiert werden.

Dies erklärt die Klarheit digital codierter Telefonverbindungen, Compact Audio Disks und einen Großteil der Begeisterung in der Ingenieursgemeinschaft für digitale Kommunikationstechnologie. Die digitale Kommunikation hat jedoch ihre eigenen einzigartigen Tücken und es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher und inkompatibler Wege, wie sie gesendet werden kann.

Hoffentlich werden Sie in diesem Kapitel über die Grundlagen der digitalen Kommunikation, ihre Vor- und Nachteile und praktischen Erwägungen aufgeklärt.

Angenommen, wir haben die Aufgabe, den Füllstand eines Wasserspeichers aus der Ferne zu überwachen. Unsere Aufgabe ist es, ein System zu entwickeln, das den Wasserstand im Tank misst und diese Informationen an einen entfernten Ort sendet, damit andere Personen sie überwachen können.

Das Messen des Tankfüllstands ist recht einfach und kann mit einer Reihe verschiedener Arten von Instrumenten durchgeführt werden, z

Beispiel für analoge Kommunikation

Zur Veranschaulichung verwenden wir ein analoges Füllstandsmessgerät mit einem Ausgangssignal von 4-20 mA. 4 mA stehen für einen Tankfüllstand von 0 %, 20 mA für einen Tankfüllstand von 100 % und alles zwischen 4 und 20 mA entspricht einem Tankfüllstand proportional zwischen 0 % und 100 %.

Wenn wir wollten, könnten wir dieses analoge 4-20-Milliampere-Stromsignal einfach über ein Paar Kupferdrähte an den Ort der Fernüberwachung senden, wo es eine Art Panel-Messgerät ansteuern würde, dessen Skala auf Reflexion kalibriert wurde die Wassertiefe im Tank, in beliebigen Maßeinheiten.

Dieses analoge Kommunikationssystem wäre einfach und robust. Für viele Anwendungen würde es für unsere Bedürfnisse vollkommen ausreichen. Aber es ist nicht das einzige Weg, um die Arbeit zu erledigen.

Um digitale Techniken zu erkunden, werden wir andere Methoden zur Überwachung dieses hypothetischen Panzers untersuchen, auch wenn die gerade beschriebene analoge Methode die praktischste ist.

Das analoge System, so einfach es auch sein mag, hat seine Grenzen. Eine davon ist das Problem der analogen Signalstörung. Da der Wasserstand des Tanks durch die Größe des Gleichstroms im Stromkreis symbolisiert wird, wird jedes „Rauschen“ in diesem Signal als Änderung des Wasserstands interpretiert.

Ohne Rauschen würde ein Diagramm des aktuellen Signals über die Zeit für einen konstanten Tankfüllstand von 50 % wie folgt aussehen:

Wenn die Drähte dieses Stromkreises beispielsweise zu nahe an Drähten mit 60 Hz Wechselstrom angeordnet sind, kann die induktive und kapazitive Kopplung ein falsches „Rauschen“-Signal erzeugen, das in diesen ansonsten Gleichstromkreis eingeführt wird.

Obwohl die niedrige Impedanz einer 4-20-mA-Schleife (typischerweise 250 Ω) bedeutet, dass kleine Störspannungen erheblich belastet (und dadurch durch die Ineffizienz der kapazitiv/induktiven Kopplung, die durch die Stromkabel gebildet wird) gedämpft werden, können solche Störungen erheblich sein genug, um Messprobleme zu verursachen:

Das obige Beispiel ist etwas übertrieben, aber das Konzept sollte klar sein:beliebig In ein analoges Messsystem eingebrachtes elektrisches Rauschen wird als Änderung der Messgröße interpretiert.

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, besteht darin, den Wasserstand des Tanks durch ein digitales Signal anstelle eines analogen Signals zu symbolisieren. Wir können dies wirklich grob tun, indem wir das analoge Sendegerät durch einen Satz Wasserstandsschalter ersetzen, die in verschiedenen Höhen am Tank montiert sind:

Jeder dieser Schalter ist so verdrahtet, dass er einen Stromkreis schließt und Strom an einzelne Lampen sendet, die an einer Schalttafel am Überwachungsort montiert sind. Wenn jeder Schalter geschlossen wurde, leuchtete seine jeweilige Lampe auf und wer auch immer auf das Bedienfeld schaute, sah eine 5-Lampen-Darstellung des Tankfüllstands.

Da jeder Lampenstromkreis digitaler Natur ist – entweder 100 % an oder 100 % Rabatt —elektrische Störungen durch andere Drähte entlang der Strecke haben einen viel geringeren Einfluss auf die Messgenauigkeit auf der Überwachungsseite als beim analogen Signal.

Ein riesiges ein Ausmaß an Interferenz wäre erforderlich, um ein „Aus“-Signal als „Ein“-Signal zu interpretieren oder umgekehrt. Die relative Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrischen Interferenzen ist ein Vorteil aller Formen der digitalen Kommunikation gegenüber der analogen.

Da wir nun wissen, dass digitale Signale weitaus widerstandsfähiger gegen durch „Rauschen“ verursachte Fehler sind, wollen wir dieses Tankfüllstandsmesssystem verbessern. Zum Beispiel könnten wir die Auflösung dieses Tankmesssystems erhöhen, indem wir weitere Schalter hinzufügen, um den Wasserstand genauer zu bestimmen.

Angenommen, wir installieren statt fünf 16 Schalter entlang der Höhe des Tanks. Dies würde unsere Messauflösung erheblich verbessern, jedoch auf Kosten einer erheblichen Erhöhung der Anzahl der Drähte, die zwischen dem Tank und der Überwachungsstelle aufgereiht werden müssen.

Eine Möglichkeit, diesen Verdrahtungsaufwand zu reduzieren, besteht darin, einen Prioritätscodierer zu verwenden, um die 16 Schalter zu verwenden und eine Binärzahl zu generieren, die dieselbe Information darstellt:

Jetzt werden nur 4 Drähte (plus alle erforderlichen Erdungs- und Stromkabel) benötigt, um die Informationen zu übertragen, im Gegensatz zu 16 Drähten (plus Erdungs- und Stromkabel). Am Überwachungsstandort bräuchten wir eine Art Anzeigegerät, das die 4-Bit-Binärdaten akzeptieren und eine leicht lesbare Anzeige für eine Person generieren könnte.

Ein Decoder, der so verdrahtet ist, dass er die 4-Bit-Daten als Eingang akzeptiert und 1-von-16-Ausgangslampen aufleuchtet, könnte für diese Aufgabe verwendet werden, oder wir könnten eine 4-Bit-Decoder-/Treiberschaltung verwenden, um eine Art numerischer Ziffer anzusteuern anzeigen.

Dennoch kann eine Auflösung von 1/16 Tankhöhe für unsere Anwendung nicht gut genug sein. Um den Wasserstand besser aufzulösen, benötigen wir mehr Bits in unserer Binärausgabe. Wir könnten noch mehr Schalter hinzufügen, aber das wird ziemlich schnell unpraktisch.

Eine bessere Option wäre, unseren ursprünglichen analogen Sender wieder am Tank anzubringen und seinen analogen 4-20-Milliampere-Ausgang elektronisch in eine Binärzahl mit weit mehr Bits umzuwandeln, als dies mit einem Satz diskreter Füllstandsschalter praktisch wäre.

Da das elektrische Rauschen, das wir zu vermeiden versuchen, auf der langen Kabelstrecke vom Tank zum Überwachungsort auftritt, kann diese A/D-Wandlung am Tank erfolgen (wo wir ein „sauberes“ 4-20 mA-Signal haben ). Es gibt eine Vielzahl von Methoden, um ein analoges Signal in ein digitales umzuwandeln, aber wir überspringen eine eingehende Diskussion dieser Techniken und konzentrieren uns auf die digitale Signalkommunikation selbst.

Die Art der digitalen Informationen, die von unseren Tankinstrumenten an die Überwachungsinstrumente gesendet werden, wird als parallel bezeichnet Digitale Daten. Das heißt, jedes binäre Bit wird über eine eigene dedizierte Leitung gesendet, sodass alle Bits gleichzeitig an ihrem Ziel ankommen.

Dies erfordert offensichtlich die Verwendung von mindestens einem Draht pro Bit, um mit der Überwachungsstelle zu kommunizieren. Wir könnten unseren Verdrahtungsbedarf weiter reduzieren, indem wir die Binärdaten über einen einzigen Kanal (eine Leitung + Masse) senden, sodass jedes Bit einzeln übertragen wird. Diese Art von Informationen wird als seriell bezeichnet digitale Daten.

Wir könnten einen Multiplexer oder ein Schieberegister verwenden, um die parallelen Daten vom A/D-Wandler (am Tanksender) zu nehmen und in serielle Daten umzuwandeln. Auf der Empfangsseite (dem Überwachungsort) könnten wir einen Demultiplexer oder ein anderes Schieberegister verwenden, um die seriellen Daten wieder in parallel zu konvertieren, um sie in der Anzeigeschaltung zu verwenden.

Die genauen Details, wie die Mux/Demux- oder Schieberegisterpaare synchron gehalten werden, sind wie die A/D-Wandlung ein Thema für eine andere Lektion. Glücklicherweise gibt es digitale IC-Chips namens UARTs (Universal Asynchronous Receiver-Transmitters), die all diese Details eigenständig verarbeiten und das Leben des Designers viel einfacher machen.

Vorerst müssen wir unsere Aufmerksamkeit weiterhin auf das aktuelle Thema richten:wie die digitalen Informationen vom Tank an die Überwachungsstelle übermittelt werden.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zur digitalen Kommunikation