パラレルとシリアル電気信号：差動電圧と変調が信頼性を高める仕組み

BogusBusシステムでは、5本の信号ワイヤーそれぞれが1つのバイナリビットを伝送：0 Vが「オフ」、24 V DCが「オン」を表す。すべてのビットが同時に到着するため、BogusBusはパラレルネットワークに分類されます。

送信側でバイナリエンコーディング、受信側でデコーディングを導入し、より少ないワイヤーでより多くの分解能を伝達しても、BogusBusのパラレル性は変わりません。

送信側にパラレル-シリアルコンバータ、受信側にシリアル-パラレルコンバータを導入すると、アーキテクチャがシリアルネットワークに変わります。

シリアル通信では、データ伝送により洗練された技術の開発が強制されます。

シリアルデータはすべてのビットを同一の導体ペアで伝送するため、データレートに追従するためにより高周波の信号が必要です。

元の5ビットではなく、パラレル・バイナリエンコード伝送で8ビット/更新を送る改良版BogusBusを想像してください。

送信側のA/Dコンバータが毎秒新しい出力を生成し、1秒あたり8ビットのデータが受信側に送られます。

例えば、送信側が1秒ごとに10101010と10101011を交互に出力するとします：

最下位ビットのみが変化するため、任意のワイヤー上の信号は最大0.5 Hzで変化——典型的な通信周波数よりはるかに低いです。

対照的に、8ビットシリアルネットワークでは、A/D更新間の1秒ウィンドウ内にすべてのビットを単一チャネルで順次伝送しなければなりません。結果の波形は以下のようになります：

シリアル表現は今や約4 Hzで振動——パラレルケースの8倍の増加です。

4 Hzはまだ無害ですが、32または64ビット/更新をキロヘルツ更新レートでスケーリングすると、必要周波数は無線スペクトルに押し上げられます。

シリアルデータネットワーク周波数が無線帯域に入ると、シンプルなワイヤーがアンテナと伝送路になり、誘導性と容量性リアクタンスが性能に影響します。

矩形波デジタル信号は、振幅が減衰し周波数が増加する無限の正弦波系列と等価です。10 kHz矩形波は、ラインの容量とインダクタンスからはより高周波成分のスペクトルとして認識されるため、長距離では波形が劣化します。

帯域幅

エンジニアがネットワーク帯域幅を語るとき、媒質の実用的周波数限界を指します。シリアル通信では、帯域幅はデータ量（ワードあたりビット数）× データ速度（秒あたりワード数）に等しいです。

標準指標はビット/秒（bps）。廃れた単位「ボーレート」は秒あたり信号レベル変化数を測り、特に複数電圧レベルで1ビットをエンコードする場合、bpsと同義ではありません。

コモングランド方式

従来のBogusBus設計はすべてのビットをコモングランドを参照させます。これは高周波矩形波通信の最悪シナリオです。短距離ではうまく機能しますが、信号が遠くまで伝わると問題になります。

差動電圧方式

堅牢な代替案は差動電圧方式です。ここでは各ビットが、グラウンド基準の電圧ではなく、グラウンドから絶縁されたワイヤーペア間の電圧差で表現されます。

このアプローチは誘導性と容量性負荷を減らし、外部電気干渉を軽減し、シリアルネットワークの実用的到達距離を延ばします。

差動アンプは2本の信号線間の電圧を出力し、グラウンド参照を排除します。2本の信号線間の容量のみが重要で、直列容量は個別のものより小さくなります。

両信号線に誘導されるノイズは、受信側が差動電圧のみに応答するため無視されます。

RS-232Cは短距離・低干渉オフィス配線向けのグラウンド参照シリアル標準であるのに対し、RS-422Aは差動信号を使用し、長距離配線と高電気ノイズのある産業環境で一般的です。

利点があるにもかかわらず、多くのデジタルネットワーク問題は信号の矩形波性質に起因します。これらを回避する1つの方法は、正弦波キャリアをデジタルデータで変調することです。

変調とは、ある信号の大きさが別の信号の何らかの側面を制御することです。無線技術は長らく振幅変調（AM）と周波数変調（FM）を用いて、オーディオをより高周波キャリアにエンコードしてきました。

周波数シフトキーイング（FSK）はFMのデジタル相当物です。シンプルなFSKでは、異なる周波数の2つの正弦波でバイナリ1と0を表現：

正弦波をゼロクロッシングで正確に開始/停止するのは難しいため、位相連続FSKがよく採用されます。この方式では、連続するロー-ハイとハイ-ローペアでバイナリ状態をエンコードし、各ビットが同じ伝送時間を取ることを保証します。

正弦波キャリアを使用すると多くの矩形波問題が緩和されますが、変調/復調回路がより複雑かつ高コストになります。

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