병렬 vs 직렬 전기 신호: 차동 전압과 변조가 신뢰성을 높이는 방법

개요

BogusBus 시스템에서 5개 신호 와이어 각각이 단일 이진 비트를 전송했습니다: 0V는 '오프', 24V DC는 '온'을 의미했습니다. 모든 비트가 동시에 도착하므로 BogusBus는 병렬 네트워크로 분류됩니다.

송신기에서 이진 인코딩과 수신기에서 디코딩을 추가하여 더 적은 와이어로 더 많은 해상도를 전달하더라도 BogusBus의 병렬 특성은 변하지 않습니다.

송신기에 병렬-직렬 변환기, 수신기에 직렬-병렬 변환기를 도입하면 아키텍처가 직렬 네트워크로 변환됩니다.

직렬 통신은 데이터를 전송하기 위한 더 정교한 기술 개발을 강제합니다.

직렬 데이터는 모든 비트를 동일한 도체 쌍으로 전송하므로, 데이터 속도를 유지하기 위해 더 높은 주파수 신호가 필요합니다.

수정된 BogusBus가 원래 5개 대신 업데이트당 8비트를 전송하면서 여전히 병렬, 이진 인코딩 전송을 사용한다고 상상해 보세요.

송신 측의 A/D 컨버터가 초당 새로운 출력을 생성하여 초당 8비트 데이터가 수신기로 전송됩니다.

예를 들어, 송신기가 10101010과 10101011 출력을 초당 한 번 번갈아 가며 출력한다고 해보겠습니다:

최하위 비트만 변경되므로, 주어진 와이어의 신호는 최대 0.5Hz로 변동합니다. 이는 일반적인 통신 주파수보다 훨씬 낮습니다.

반면, 8비트 직렬 네트워크는 A/D 업데이트 사이의 1초 윈도우 내에 모든 비트를 단일 채널을 통해 순차적으로 전송해야 합니다. 결과 파형은 다음과 같습니다:

직렬 표현은 이제 약 4Hz로 진동합니다. 병렬 경우보다 8배 증가했습니다.

4Hz는 여전히 무해하지만, 킬로헤르츠 업데이트 속도에서 32 또는 64비트 업데이트로 확장하면 필요 주파수가 무선 스펙트럼으로 진입합니다.

직렬 데이터 네트워크 주파수는 무선 범위에 진입하여, 단순한 와이어를 안테나와 전송선로로 만들고, 유도성 및 정전 용량성 리액턴스가 성능에 영향을 미칩니다.

사각파 디지털 신호는 진폭이 감소하고 주파수가 증가하는 무한 개의 사인파 시리즈와 동등합니다. 10kHz 사각파는 라인의 정전 용량과 인덕턴스에 의해 더 높은 주파수 성분의 스펙트럼으로 인식되므로, 긴 배선에서는 파형이 저하됩니다.

대역폭 (Bandwidth)

엔지니어가 네트워크 대역폭을 말할 때, 매체의 실용적 주파수 한계를 의미합니다. 직렬 통신에서 대역폭은 데이터 볼륨(워드당 비트) × 데이터 속도(초당 워드)입니다.

표준 단위는 초당 비트(bps)입니다. 구식 단위 '보드(baud)'는 초당 신호 레벨 변화를 측정하며, 특히 여러 전압 레벨이 단일 비트를 인코딩할 때 bps와 동의어가 아닙니다.

공통 그라운드 방식

전통적인 BogusBus 설계는 모든 비트를 공통 그라운드를 기준으로 참조하는데, 이는 고주파 사각파 통신에 최악의 시나리오입니다. 짧은 거리에서는 잘 작동하지만 신호가 멀리 이동하면 문제가 됩니다.

차동 전압 방식

강건한 대안은 차동 전압 방식으로, 각 비트가 그라운드 기준 전압이 아닌 그라운드에서 절연된 한 쌍의 와이어 간 전압 차이로 표현됩니다.

이 접근법은 유도성 및 정전 용량성 로딩을 줄이고 외부 전기적 간섭을 완화하여 직렬 네트워크의 실용적 도달 범위를 확장합니다.

차동 증폭기는 두 신호 와이어 사이의 전압을 출력하여 그라운드 참조를 제거합니다. 두 신호 와이어 사이의 정전 용량만 중요하며, 직렬 정전 용량은 개별 것보다 작습니다.

두 신호 와이어 모두에 유도된 노이즈는 수신기가 차동 전압에만 반응하므로 무시됩니다.

RS-232C는 짧은, 저간섭 사무실 배선에 적합한 그라운드 참조 직렬 표준인 반면, RS-422A는 차동 신호 방식을 사용하여 긴 배선과 높은 전기적 노이즈가 있는 산업 환경에서 흔히 사용됩니다.

이점에도 불구하고, 많은 디지털 네트워크 문제는 신호의 사각파 특성에서 기인합니다. 이 문제를 피하는 한 가지 방법은 디지털 데이터로 사인파 반송파를 변조하는 것입니다.

변조란 한 신호의 크기가 다른 신호의 어떤 측면을 제어하는 것을 의미합니다. 무선 기술은 오랫동안 진폭 변조(AM)와 주파수 변조(FM)를 사용하여 오디오를 더 높은 주파수 반송파에 인코딩해 왔습니다.

주파수 편이 키잉(FSK)은 FM의 디지털 등가물입니다. 단순 FSK는 두 개의 구별되는 주파수 사인파를 사용하여 이진 1과 0을 표현합니다:

사인파를 정확히 제로 크로싱에서 시작하고 정지하기 어렵기 때문에, 위상 연속 FSK가 종종 사용됩니다. 이 방식에서 연속된 로우-하이 및 하이-로우 주파수 쌍이 이진 상태를 인코딩하여 각 비트가 동일한 전송 시간을 갖도록 보장합니다.

사인파 반송파 사용은 많은 사각파 문제를 완화하지만, 변조 및 복조 회로가 더 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

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