Elektrische Signaltypen

Mit BogusBus waren unsere Signale sehr einfach und unkompliziert:Jeder Signaldraht (1 bis 5) trug ein einzelnes Bit digitaler Daten, wobei 0 Volt für „Aus“ und 24 Volt DC für „Ein“ stehen. Da alle Bits gleichzeitig an ihrem Ziel angekommen sind, würden wir BogusBus als parallel bezeichnen Netzwerktechnologie .

Wenn wir die Leistung von BogusBus verbessern würden, indem wir Binärkodierung (auf der Senderseite) und Dekodierung (auf der Empfängerseite) hinzufügen, sodass mehr Auflösungsstufen 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.

Vor allem durch die Verwendung der seriellen Technologie sind wir gezwungen, clevere Wege zur Übertragung von Datenbits zu erfinden.

Weil serielle Daten erfordern, dass wir alle Datenbits über denselben Kabelkanal vom Sender zum Empfänger senden , erfordert dies ein potenziell hochfrequentes Signal in der Netzwerkverkabelung.

Betrachten Sie die folgende Abbildung:Ein modifiziertes BogusBus-System übermittelt digitale Daten in paralleler, binär codierter Form. Anstelle von 5 diskreten Bits wie beim ursprünglichen BogusBus senden wir 8 Bits vom Sender zum Empfänger.

Der A/D-Wandler auf der Senderseite erzeugt jede Sekunde eine neue Ausgabe. Dadurch werden 8 Bit pro Sekunde an Daten an den Empfänger gesendet.

Zum Beispiel springt der Sender bei jedem Update (einmal pro Sekunde) zwischen einem Ausgang von 10101010 und 10101011:

Da sich nur das niedrigstwertige Bit (Bit 1) ändert, beträgt die Frequenz auf diesem Draht (zur Erde) nur 1/2 Hertz. Unabhängig davon, welche Zahlen der A/D-Wandler zwischen den Aktualisierungen generiert, kann die Frequenz auf jedem Kabel in diesem modifizierten BogusBus-Netzwerk 1/2 Hertz nicht überschreiten, da der A/D so schnell seinen digitalen Ausgang aktualisiert. 1/2 Hertz ist ziemlich langsam und sollte für unsere Netzwerkverkabelung keine Probleme bereiten.

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 A/D-Wandler-Updates ausgegeben werden.

Daher würde die alternierende digitale Ausgabe von 10101010 und 10101011 (einmal pro Sekunde) etwa so aussehen:

Die Frequenz unseres BogusBus-Signals beträgt jetzt etwa 4 Hertz statt 1/2 Hertz, eine Verachtfachung!

Obwohl 4 Hertz immer noch ziemlich langsam ist und kein technisches Problem darstellt, sollten Sie sich vorstellen können, was passieren könnte, wenn wir 32 oder 64 Datenbits pro Update übertragen würden, zusammen mit den anderen Bits, die für die Paritätsprüfung und Signalsynchronisation erforderlich sind , mit einer Aktualisierungsrate von Tausenden Mal pro Sekunde!

Die Frequenzen des seriellen Datennetzes beginnen, in den Funkbereich zu gelangen, und einfache Drähte beginnen, als Antennen zu fungieren, Drahtpaare als Übertragungsleitungen, mit all ihren zugehörigen Macken aufgrund induktiver und kapazitiver Reaktanzen.

Daten, die in einer seriellen Netzwerkkommunikation verarbeitet werden, sind Rechteckwellendaten, die binäre Informationsbits sind. Rechteckwellen sind eigenartige Dinge, die mathematisch einer unendlichen Reihe von Sinuswellen mit abnehmender Amplitude und zunehmender Frequenz entsprechen.

Eine einfache Rechteckwelle bei 10 kHz wird von der Kapazität und Induktivität des Netzwerks tatsächlich als eine Reihe mehrerer Sinuswellenfrequenzen „gesehen“, die sich bei signifikanten Amplituden in die Hunderte von kHz erstrecken. Was wir am anderen Ende eines langen 2-Leiter-Netzes erhalten, sieht selbst unter besten Bedingungen nicht mehr wie eine saubere Rechteckwelle aus!

Bandbreite

Wenn Ingenieure von Netzwerk-Bandbreite sprechen , beziehen sie sich auf die praktische Frequenzgrenze eines Netzwerkmediums. Bei der seriellen Kommunikation ist die Bandbreite ein Produkt aus Datenvolumen (binäre Bits pro übertragenem „Wort“) und Datengeschwindigkeit („Worte“ pro Sekunde).

Das Standardmaß für die Netzwerkbandbreite beträgt Bits pro Sekunde oder bps . Eine veraltete Bandbreiteneinheit, bekannt als Baud wird manchmal fälschlicherweise mit Bits pro Sekunde gleichgesetzt, ist aber eigentlich das Maß für Signalpegeländerungen pro Sekunde.

Viele serielle Netzwerkstandards verwenden mehrere Spannungs- oder Strompegeländerungen, um ein einzelnes Bit darzustellen, und daher sind bps und Baud für diese Anwendungen nicht gleichwertig.

Common Ground-Methode

Das allgemeine BogusBus-Design, bei dem alle Bits Spannungen sind, die sich auf eine gemeinsame „Masse“-Verbindung beziehen , ist die Worst-Case-Situation für die Hochfrequenz-Rechteckwellen-Datenkommunikation.

Für kurze Distanzen funktioniert alles gut, wo induktive und kapazitive Effekte auf ein Minimum beschränkt werden können, aber für lange Distanzen wird diese Methode sicherlich problematisch sein:

Differenzspannungsmethode

Eine robuste Alternative zur Common-Ground-Signalmethode ist die Differential Spannungsmethode, bei der jedes Bit durch die Spannungsdifferenz zwischen einem masseisolierten Leiterpaar dargestellt wird, anstatt durch eine Spannung zwischen einem Leiter und einer gemeinsamen Masse.

Dadurch werden die kapazitiven und induktiven Effekte, die jedem Signal auferlegt werden, und die Tendenz, dass die Signale aufgrund äußerer elektrischer Interferenzen verfälscht werden, begrenzt, wodurch die praktische Entfernung eines seriellen Netzwerks erheblich verbessert wird:

Die dreieckigen Verstärkersymbole stehen für Differenzverstärker , die ein Spannungssignal zwischen zwei Drähten ausgeben, von denen keiner elektrisch mit Masse verbunden ist. Nachdem jegliche Beziehung zwischen dem Spannungssignal und Masse beseitigt wurde, ist die einzige signifikante Kapazität, die der Signalspannung auferlegt wird, diejenige, die zwischen den beiden Signalleitungen vorhanden ist.

Die Kapazität zwischen einer Signalleitung und einem geerdeten Leiter ist von weitaus geringerer Wirkung, da der kapazitive Pfad zwischen den beiden 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 jede der einzelnen Kapazitäten.

Darüber hinaus wird jede durch eine externe Quelle zwischen den Signalleitungen und Masse induzierte „Störspannung“ ignoriert, da diese Störspannung wahrscheinlich auf beiden induziert wird Signalleitungen gleichermaßen, und der Empfangsverstärker reagiert nur auf das Differential Spannung zwischen den beiden Signaldrähten und nicht zwischen einer von ihnen und Masse.

RS-232C ist ein Paradebeispiel für ein serielles Netzwerk mit Massebezug, während RS-422A ein Paradebeispiel für ein serielles Netzwerk mit Differenzspannung ist. RS-232C findet eine beliebte Anwendung in Büroumgebungen, in denen es wenig elektrische Interferenzen gibt und die Kabelabstände kurz sind.

RS-422A wird häufiger in industriellen Anwendungen verwendet, bei denen längere Kabelabstände und ein größeres Potenzial für elektrische Störungen durch Wechselstromkabel bestehen.

Ein großer Teil des Problems bei digitalen Netzwerksignalen ist jedoch, wie bereits erwähnt, die Rechteckwellennatur solcher Spannungen.

Wenn wir nur Rechteckwellen insgesamt vermeiden könnten, könnten wir viele ihrer inhärenten Schwierigkeiten in langen Hochfrequenznetzen vermeiden. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, modulieren ein sinusförmiges Spannungssignal mit unseren digitalen Daten.

"Modulation" bedeutet, dass die Größe eines Signals die Kontrolle über einen Aspekt eines anderen Signals hat. Die Funktechnologie verwendet seit Jahrzehnten Modulation, die es einem Audiofrequenz-Spannungssignal ermöglicht, entweder die Amplitude (AM) oder die Frequenz (FM) einer viel höherfrequenten „Träger“-Spannung zu steuern, die dann zur Übertragung an die Antenne gesendet wird.

Die Frequenzmodulationstechnik (FM) hat in digitalen Netzwerken mehr Anwendung gefunden als die Amplitudenmodulation (AM), außer dass sie als Frequenzumtastung (FSK) bezeichnet wird. Beim einfachen FSK werden Sinuswellen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen verwendet, um die beiden binären Zustände 1 und 0 darzustellen:

Aufgrund der praktischen Probleme, die Nieder-/Hochfrequenz-Sinuswellen an den Nulldurchgangspunkten für jede gegebene Kombination von Nullen und Einsen beginnen und enden zu lassen, wird manchmal eine FSK-Variante verwendet, die als phasenkontinuierliche FSK bezeichnet wird, wobei die aufeinanderfolgenden Kombination einer niedrigen/hohen Frequenz repräsentiert einen binären Zustand und die Kombination einer hohen/niedrigen Frequenz repräsentiert den anderen.

Dies führt auch zu einer Situation, in der jedes Bit, egal ob 0 oder 1, genau die gleiche Zeit benötigt, um über das Netzwerk zu übertragen:

Bei sinusförmigen Signalspannungen werden viele der Probleme, die bei digitalen Rechtecksignalen auftreten, minimiert, obwohl die zum Modulieren (und Demodulieren) der Netzwerksignale erforderliche Schaltung komplexer und teurer ist.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zu elektrischen Signaltypen