Teoría de la comunicación de datos digitales

Teoría de la comunicación de datos digitales

Uno de los grandes beneficios de la tecnología digital es la capacidad de comunicar grandes cantidades de información a través de redes. Este mismo libro de texto que está leyendo se transmitió en forma digital a través de la red electrónica que llamamos Internet: una hazaña casi imposible con cualquier tipo de tecnología electrónica analógica. El principal beneficio de la comunicación de datos digitales en el control industrial es simple: ya no debemos dedicar un solo par de cables a todas y cada una de las variables que deseamos medir y controlar en una instalación como es necesario con señalización analógica (4-20 mA). Con la señalización digital, un solo par de cables o cable coaxial puede transmitir un número teóricamente ilimitado de puntos de datos.

Sin embargo, este beneficio tiene un precio: para comunicar múltiples variables (puntos de datos) a través de un solo canal (par de cables), debemos transmitir y recibir esas señales una a la vez. Esto significa que un sistema de comunicaciones digitales necesariamente exhibirá cierto grado de retraso en la adquisición, transmisión, recepción e interpretación de una señal. Los sistemas analógicos, por el contrario, son prácticamente instantáneos19. Por lo tanto, vemos un contraste entre la comunicación analógica y la digital que enfrenta la capacidad del canal con la velocidad:

Con la tecnología electrónica moderna es posible construir sistemas de comunicación digital que son tan rápidos que los retrasos de tiempo son insignificantes para la mayoría de los procesos industriales, lo que hace que la segunda comparación (instantánea versus retardada) sea discutible. Si el tiempo ya no es un problema, la ventaja que tiene la comunicación digital sobre la analógica en términos de uso del canal la convierte en la mejor opción.

Otra ventaja importante de la comunicación de datos digitales para procesos industriales es una mayor inmunidad al ruido. Los datos analógicos son continuos por naturaleza: una señal de 11.035 miliamperios tiene un significado diferente que una señal de 11.036 miliamperios, porque cualquier incremento medible en la señal representa un incremento correspondiente en la variable física representada por esa señal. Sin embargo, un valor de voltaje en un sistema de señalización digital de 0-5 voltios de 0.03 voltios significa exactamente lo mismo que un valor de voltaje de 0.04 voltios: cualquiera de los dos todavía se interpreta como un estado "0" o "bajo". Cualquier cantidad de ruido eléctrico impuesto a una señal analógica corrompe esa señal hasta cierto punto. Sin embargo, una señal digital puede tolerar una cantidad sustancial de ruido eléctrico sin ningún tipo de corrupción.

Sin embargo, no es sorprendente que la inmunidad al ruido que disfrutan las señales digitales tenga un precio: un sacrificio en la resolución. Las señales analógicas pueden representar los cambios imaginables más pequeños porque son continuamente variables. Las señales digitales están limitadas en resolución por el número de bits en cada "palabra" de datos. Por lo tanto, vemos otro contraste entre la representación de datos analógicos y digitales:

Sin embargo, con la tecnología electrónica digital moderna, el problema de la “resolución limitada” es casi inexistente. Los conjuntos de chips convertidores de 16 bits están comúnmente disponibles en la actualidad para módulos de entrada / salida (E / S) en sistemas digitales, proporcionando una resolución de 216 (65536) recuentos, o ± 0,00153%, lo que es lo suficientemente bueno para la gran mayoría de las mediciones industriales y aplicaciones de control.

Esta sección se centrará en la transmisión de datos en serie, en lugar de en paralelo. Para transmitir datos digitales en forma paralela, la cantidad de cables se escala directamente con la cantidad de bits en cada "palabra" de datos. Por ejemplo, si un chip ADC de 16 bits comunicara sus datos a algún otro dispositivo digital utilizando una red paralela, necesitaría un cable con 16 hilos (más un hilo de "tierra" común) como mínimo21. Dado que este enfoque socava la ventaja de "menos cables" que teóricamente disfrutan las comunicaciones digitales sobre la comunicación analógica, la transmisión de datos en paralelo rara vez se ve en la industria, excepto dentro de la construcción interna de un dispositivo digital (por ejemplo, un bus de datos en paralelo dentro de una computadora personal, o dentro de un bastidor PLC o DCS).

En los sistemas de comunicaciones en serie, los datos digitales se envían a través de un par de cables (o cable de fibra óptica o canal de radio) bit a bit. Una “palabra” digital de 16 bits (dos bytes de longitud) requerirá una sucesión de 16 bits transmitidos uno tras otro en el tiempo. Cómo representamos cada bit como una señal eléctrica, cómo organizamos esos bits en el tiempo para agruparlos en "palabras" significativas y cómo varios dispositivos comparten el acceso a un canal de comunicaciones común, es nuestro próximo tema de exploración: los detalles técnicos de la serie comunicación de datos.

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