14.4: Tipos de señal eléctrica

Con BogusBus, nuestras señales eran muy simples y directas: cada cable de señal (1 a 5) llevaba un solo bit de datos digitales, 0 Voltios representando “off” y 24 Volts DC representando “on”. Debido a que todos los bits llegaron a su destino simultáneamente, llamaríamos a BogusBus una tecnología de red paralela. Si tuviéramos que mejorar el rendimiento de BogusBus agregando codificación binaria (al extremo del transmisor) y decodificación (al extremo del receptor), para que más pasos de resolución estuvieran disponibles con menos cables, seguiría siendo una red paralela. Sin embargo, si tuviéramos que agregar un convertidor paralelo a serie en el extremo del transmisor y un convertidor serie a paralelo en el extremo del receptor, tendríamos algo bastante diferente.

Es principalmente con el uso de la tecnología serie que nos vemos obligados a inventar formas inteligentes de transmitir bits de datos. Debido a que los datos en serie requieren que enviemos todos los bits de datos a través del mismo canal de cableado desde el transmisor al receptor, se necesita una señal potencialmente de alta frecuencia en el cableado de la red. Considere la siguiente ilustración: un sistema BogusBus modificado está comunicando datos digitales en forma paralela, codificada en binario. En lugar de 5 bits discretos como el BogusBus original, estamos enviando 8 bits del transmisor al receptor. El convertidor A/D en el lado del transmisor genera una nueva salida cada segundo. Eso hace que se envíen 8 bits por segundo de datos al receptor. Por el bien de la ilustración, digamos que el transmisor está rebotando entre una salida de 10101010 y 10101011 cada actualización (una vez por segundo):

Dado que solo el bit menos significativo (Bit 1) está cambiando, la frecuencia en ese cable (a tierra) es de solo 1/2 Hertz. De hecho, no importa qué números esté generando el convertidor A/D entre actualizaciones, la frecuencia en cualquier cable en esta red modificada de BogusBus no puede superar 1/2 Hertz, porque así es como rápido el A/D actualiza su salida digital. 1/2 Hertz es bastante lento, y no debería presentar problemas para nuestro cableado de red .

Por otro lado, si usamos una red serie de 8 bits, todos los bits de datos deben aparecer en el canal único en secuencia. Y estos bits deben ser emitidos por el transmisor dentro de la ventana de tiempo de 1 segundo entre las actualizaciones del convertidor A/D. Por lo tanto, la salida digital alterna de 10101010 y 10101011 (una vez por segundo) se vería así:

La frecuencia de nuestra señal BogusBus es ahora aproximadamente de 4 Hertz en lugar de 1/2 Hertz, ¡un aumento de ocho veces! Si bien 4 Hertz sigue siendo bastante lento, y no constituye un problema de ingeniería, debería poder apreciar lo que podría suceder si estuviéramos transmitiendo 32 o 64 bits de datos por actualización, junto con los otros bits necesarios para la comprobación de paridad y sincronización de señal, a una tasa de actualización de miles de ¡veces por segundo! Las frecuencias de la red de datos en serie comienzan a ingresar al rango de radio, y los cables simples comienzan a actuar como antenas, pares de cables como líneas de transmisión, con todas sus peculiares asociadas debido a las reactancias inductivas y capacitivas.

Lo que es peor, las señales que estamos tratando de comunicar a lo largo de una red serie son de forma de onda cuadrada, siendo bits binarios de información. Las ondas cuadradas son cosas peculiares, siendo matemáticamente equivalentes a una serie infinita de ondas sinusoidales de amplitud decreciente y frecuencia creciente. Una onda cuadrada simple a 10 kHz es realmente “vista” por la capacitancia e inductancia de la red como una serie de múltiples frecuencias de onda sinusoidal que se extienden a los cientos de kHz a amplitudes significativas. Lo que recibimos en el otro extremo de una larga red de 2 conductores ya no se verá como una onda cuadrada limpia, ¡incluso en las mejores condiciones!

Cuando los ingenieros hablan de ancho de banda de red, se refieren al límite práctico de frecuencia de un medio de red. En la comunicación serial, el ancho de banda es producto del volumen de datos (bits binarios por “palabra” transmitida) y la velocidad de los datos (“palabras” por segundo). La medida estándar del ancho de banda de la red es bits por segundo, o bps. Una unidad obsoleta de ancho de banda conocida como baudios a veces se equipara falsamente con bits por segundo, pero en realidad es la medida de los cambios de nivel de señal por segundo. Muchos estándares de red serie utilizan múltiples cambios de nivel de voltaje o corriente para representar un solo bit, y así para estas aplicaciones bps y baudios no son equivalentes.

El diseño general de BogusBus, donde todos los bits son voltajes referenciados a una conexión de “tierra” común, es la peor situación para la comunicación de datos de onda cuadrada de alta frecuencia. Todo funcionará bien para distancias cortas, donde los efectos inductivos y capacitivos se pueden mantener al mínimo, pero para largas distancias este método seguramente será problemático:

Una alternativa robusta al método de señal de tierra común es el método de voltaje diferencial, donde cada bit está representado por la diferencia de voltaje entre un par de cables aislados a tierra, en lugar de un voltaje entre un cable y una tierra común. Esto tiende a limitar los efectos capacitivos e inductivos impuestos sobre cada señal y la tendencia a que las señales se corrompan debido a interferencias eléctricas externas, mejorando así significativamente la distancia práctica de una red serie:

Los símbolos triangulares del amplificador representan amplificadores diferenciales, que emiten una señal de voltaje entre dos cables, ninguno eléctricamente común con tierra. Habiendo eliminado cualquier relación entre la señal de voltaje y tierra, la única capacitancia significativa impuesta a la tensión de la señal es la que existe entre los dos cables de señal. La capacitancia entre un cable de señal y un conductor conectado a tierra tiene mucho menos efecto, porque la trayectoria capacitiva entre los dos cables de señal a través de una conexión a tierra es de dos capacitancias en serie (del cable de señal #1 a tierra, luego de tierra al cable de señal #2), y los valores de capacitancia en serie son siempre menores que cualquiera de las capacitancias individuales. Además, cualquier voltaje de “ruido” inducido entre los cables de señal y tierra a tierra por una fuente externa será ignorado, porque ese voltaje de ruido probablemente se inducirá en ambos cables de señal en igual medida, y el amplificador receptor solo responde al voltaje diferencial entre los dos cables de señal, en lugar de la tensión entre cualquiera de ellos y tierra.

RS-232C es un excelente ejemplo de una red serial referenciada a tierra, mientras que RS-422A es un excelente ejemplo de una red serial de voltaje diferencial. RS-232C encuentra una aplicación popular en entornos de oficina donde hay poca interferencia eléctrica y las distancias de cableado son cortas. RS-422A se usa más ampliamente en aplicaciones industriales donde existen distancias de cableado más largas y un mayor potencial de interferencia eléctrica del cableado de alimentación de CA.

Sin embargo, una gran parte del problema con las señales digitales de red es la naturaleza de onda cuadrada de tales voltajes, como se mencionó anteriormente. Si tan solo pudiéramos evitar las ondas cuadradas todas juntas, podríamos evitar muchas de sus dificultades inherentes en redes largas y de alta frecuencia. Una forma de hacerlo es modular una señal de voltaje de onda sinusoidal con nuestros datos digitales. “Modulación” significa que la magnitud de una señal tiene control sobre algún aspecto de otra señal. La tecnología de radio ha incorporado la modulación desde hace décadas, al permitir que una señal de voltaje de audio frecuencia controle ya sea la amplitud (AM) o la frecuencia (FM) de una tensión “portadora” de frecuencia mucho mayor, que luego se envía a la antena para su transmisión. La técnica de modulación de frecuencia (FM) ha encontrado más uso en redes digitales que la modulación de amplitud (AM), excepto que se conoce como Frequency Shift Keying (FSK). Con FSK simple, se utilizan ondas sinusoidales de dos frecuencias distintas para representar los dos estados binarios, 1 y 0:

Debido a los problemas prácticos de conseguir que las ondas sinusoidales de baja/alta frecuencia comiencen y terminen en los puntos de cruce cero para cualquier combinación dada de 0 y 1, a veces se usa una variación de FSK llamada FSK de fase continua, donde la combinación consecutiva de una frecuencia baja/alta representa un estado binario y la combinación de una frecuencia alta/baja representa el otro. Esto también crea una situación en la que cada bit, ya sea 0 o 1, tome exactamente la misma cantidad de tiempo para transmitir a lo largo de la red:

Con los voltajes de señal de onda sinusoidal, muchos de los problemas encontrados con las señales digitales de onda cuadrada se minimizan, aunque la circuitería requerida para modular (y demodular) las señales de red es más compleja y costosa.