С BogusBus™ наши сигналы были очень простыми и прямолинейными: каждый сигнальный провод (с 1 по 5) передавал один бит цифровых данных, 0 вольт означал «выключено», а 24 вольта постоянного тока – «включено». Поскольку все биты прибыли к месту назначения одновременно, мы вправе гордо называть BogusBus™ параллельной сетевой технологией.
Если бы мы улучшили производительность BogusBus™, добавив двоичное кодирование (на стороне передатчика) и декодирование (на стороне приёмника), чтобы было доступно больше шагов разрешения с меньшим количеством проводов, это всё равно была бы параллельная сеть.
Однако если бы мы добавили параллельно-последовательный преобразователь на стороне передатчика и последовательно-параллельный преобразователь на стороне приёмника, мы получили бы совсем другое.
В первую очередь использование последовательной технологии заставляет нас изобретать «умные» способы передачи битов данных.
Поскольку последовательные данные требуют, чтобы мы посылали все биты данных по одному и тому же проводному каналу от передатчика к приёмнику, это требует наличия потенциально высокочастотного сигнала в сетевой проводке.
Рассмотрим следующую иллюстрацию: модифицированная система BogusBus™ передает цифровые данные в параллельной двоично-кодированном виде. Вместо 5 дискретных битов, как в оригинальном BogusBus™, мы отправляем 8 битов от передатчика к приёмнику.
Аналого-цифровой преобразователь на стороне передатчика генерирует новый выходной сигнал каждую секунду. Это составляет 8 бит данных в секунду, отправляемых на приёмник.
Например, передатчик «прыгает» между выводом 10101010 и 10101011 при каждом обновлении (раз в секунду):
Рис. 1. Всплески сигнала на передатчике один раз в секунду.
Поскольку изменяется только младший значащий бит (бит 1), частота на этом проводе (на землю) составляет всего ½ герца. Фактически, независимо от того, какие числа генерируются аналого-цифровым преобразователем между обновлениями, частота на любом проводе в этой модифицированной сети BogusBus™ не может превышать ½ герца, потому что именно так быстро аналого-цифровой преобразователь обновляет свой цифровой выход. ½ Гц — это довольно медленно и не должно создавать проблем для нашей сетевой проводки.
С другой стороны, если бы мы использовали 8-битную последовательную сеть, все биты данных должны последовательно появляться на одном канале. И эти биты должны быть выведены передатчиком в течение односекундного интервала времени между обновлениями аналого-цифрового преобразователя.
Следовательно, чередующийся цифровой вывод 10101010 и 10101011 (один раз в секунду) будет выглядеть примерно так:
Рис. 2. Передатчик с 8-битной последовательной сетью.
Частота нашего сигнала BogusBus™ теперь составляет приблизительно 4 Герца вместо ½ Герца, то есть восьмикратное увеличение!
Хотя частота 4 Гц всё ещё довольно медленная и не представляет собой инженерной проблемы, вы должны понимать, что могло бы произойти, если бы мы передавали 32 или 64 бита данных за одно обновление вместе с другими битами, необходимыми для проверки чётности и синхронизации сигналов, с частотой обновления тысячи раз в секунду!
Частоты сетей последовательной передачи данных начинают проникать в радиодиапазон, и простые провода начинают действовать как антенны, пары проводов – как линии передачи со всеми связанными с ними нежелательными последствиями из-за индуктивных и ёмкостных реактивных сопротивлений.
Данные, обрабатываемые в последовательной сетевой связи, представляют собой прямоугольную волну, представляющую собой двоичные биты информации. Квадратные волны – странные явления, математически эквивалентные бесконечному ряду синусоид с уменьшающейся амплитудой и увеличивающейся частотой.
Простая прямоугольная волна на частоте 10 кГц фактически «видится» ёмкостью и индуктивностью сети как последовательность нескольких синусоидальных частот, которые простираются до сотен кГц при значительных амплитудах. То, что мы получаем на другом конце длинной двухпроводной сети, больше не будет выглядеть как чистая прямоугольная волна, даже в самых лучших условиях!
Пропускная способность
Когда инженеры говорят о пропускной способности сети, они имеют в виду практический предел частоты сетевой среды. В последовательной связи пропускная способность является произведением объёма данных (двоичных битов на передаваемое «слово») и скорости передачи данных («слов» в секунду).
Стандартная мера пропускной способности сети – биты в секунду или бит/с. Устаревшая единица пропускной способности, известная как бод, иногда ошибочно приравнивается к битам в секунду, но на самом деле является мерой изменения уровня сигнала в секунду.
Многие стандарты последовательных сетей используют несколько изменений уровня напряжения или тока для представления одного бита, поэтому для этих приложений биты в секунду и бод не эквивалентны.
Метод общего основания
Общая архитектура BogusBus™, в котором все биты представляют собой напряжения, относящиеся к общему заземлённому соединению, представляет собой наихудшую ситуацию для высокочастотной передачи данных в виде прямоугольной волны.
Всё будет хорошо работать на коротких дистанциях, где индуктивное и ёмкостное воздействие можно свести к минимуму, но на больших дистанциях этот метод наверняка будет проблематичным:
Рис. 3. Сигнал напряжения относительно «земли».
Метод дифференциального напряжения
Надёжной альтернативой методу общего сигнала заземления является метод дифференциального напряжения, в котором каждый бит представлен разностью напряжений между изолированной от «земли» парой проводов, а не напряжением между одним проводом и общей «землёй».
Это имеет тенденцию ограничивать ёмкостные и индуктивные эффекты, налагаемые на каждый сигнал, и тенденцию к искажению сигналов из-за внешних электрических помех, тем самым значительно увеличивая практическое расстояние последовательной сети:
Рис. 4. Сигнал дифференциального напряжения.
Треугольные символы усилителя представляют собой дифференциальные усилители, которые выводят сигнал напряжения между двумя проводами, ни один из которых не имеет общего заземления. Устранив любую «связь» между сигналом напряжения и землёй, единственная существенная ёмкость, накладываемая на сигнальное напряжение – это ёмкость, существующая между двумя сигнальными проводами.
Ёмкость между сигнальным проводом и заземляющим проводником имеет гораздо меньшее значение, потому что ёмкостной путь между двумя сигнальными проводами через заземляющее соединение представляет собой две последовательные ёмкости (от сигнального провода 1 к земле, затем от земли к сигнальному проводу 2), а значения последовательной ёмкости всегда меньше любой из отдельных ёмкостей.
Кроме того, любое «шумовое» напряжение, наведённое между сигнальными проводами и заземлением внешним источником, будет игнорироваться, потому что это «шумовое» напряжение, вероятно, будет индуцироваться на обоих сигнальных проводах в равной мере, а приёмный усилитель реагирует только на дифференциальное напряжение между ними (двумя сигнальными проводами), а не на напряжение между любым из них и заземлением.
RS-232C является ярким примером последовательной сети с привязкой к «земле», а RS-422A является ярким примером последовательной сети с дифференциальным напряжением. RS-232C находит популярное применение в офисной среде, где электрические помехи минимальны, а расстояние между проводами небольшое.
RS-422A более широко используется в промышленных приложениях, где существуют большие расстояния проводки и большая вероятность электрических помех от проводов питания переменного тока.
Однако большая часть проблемы с цифровыми сетевыми сигналами заключается в прямоугольной природе волн таких напряжений, как упоминалось ранее.
Если бы мы только могли полностью избежать прямоугольных волн, мы могли бы избежать многих присущих им проблем в длинных высокочастотных сетях. Один из способов сделать это – модулировать синусоидальный сигнал напряжения с помощью наших цифровых данных.
«Модуляция» означает, что величина одного сигнала контролирует некоторые аспекты другого сигнала. Радиотехнологии включают модуляцию уже несколько десятилетий, позволяя сигналу напряжения звуковой частоты управлять либо амплитудой (АМ), либо частотой (ЧМ) гораздо более высокочастотного «несущего» напряжения, которое затем отправляется на антенну для передачи.
Метод частотной модуляции (FM) нашел более широкое применение в цифровых сетях, чем амплитудная модуляция (AM), за исключением того, что он называется частотной манипуляцией (англ. FSK, т.е. Frequency Shift Keying). В простой FSK синусоидальные волны двух разных частот используются для представления двух бинарных состояний, 1 и 0:
Рис. 5. Диаграмма модуляции.
Из-за практических проблем с получением синусоидальных волн низкой/высокой частоты, которые начинаются и заканчиваются в точках пересечения нуля для любой заданной комбинации 0 и 1, иногда используется разновидность FSK, называемая фазонепрерывной FSK, где последовательная комбинация низкая/высокая частота представляет одно бинарное состояние, а комбинация высокой/низкой частоты представляет другое.
Это также приводит к ситуации, когда каждый бит, будь то 0 или 1, занимает одинаковое количество времени для передачи по сети:
Рис. 6. Напряжения синусоидального сигнала.
При синусоидальном сигнале многие проблемы, связанные с прямоугольными цифровыми сигналами, сводятся к минимуму, хотя схемы, необходимые для модуляции (и демодуляции) сетевых сигналов, более сложны и дороги.
