Pengantar Komunikasi Digital

Dalam desain sistem digital yang besar dan kompleks, seringkali diperlukan satu perangkat untuk mengomunikasikan informasi digital ke dan dari perangkat lain. Salah satu keuntungan dari informasi digital adalah bahwa ia cenderung jauh lebih tahan terhadap kesalahan yang ditransmisikan dan diinterpretasikan daripada informasi yang disimbolkan dalam media analog.

Ini menjelaskan kejelasan koneksi telepon yang dikodekan secara digital, disk audio yang ringkas, dan sebagian besar antusiasme dalam komunitas teknik untuk teknologi komunikasi digital. Namun, komunikasi digital memiliki jebakan uniknya sendiri, dan ada banyak cara berbeda dan tidak kompatibel untuk mengirimkannya.

Semoga bab ini akan mencerahkan Anda tentang dasar-dasar komunikasi digital, kelebihan, kekurangan, dan pertimbangan praktisnya.

Misalkan kita diberi tugas untuk memantau ketinggian tangki penyimpanan air dari jarak jauh. Tugas kami adalah merancang sistem untuk mengukur ketinggian air di tangki dan mengirimkan informasi ini ke lokasi yang jauh sehingga orang lain dapat memantaunya.

Mengukur level tangki cukup mudah, dan dapat dilakukan dengan sejumlah jenis instrumen yang berbeda, seperti sakelar apung, pemancar tekanan, detektor level ultrasonik, probe kapasitansi, pengukur regangan, atau detektor level radar.

Contoh Komunikasi Analog

Untuk ilustrasi ini, kami akan menggunakan alat pengukur level analog dengan sinyal keluaran 4-20 mA. 4 mA mewakili level tangki 0%, 20 mA mewakili level tangki 100%, dan apa pun di antara 4 dan 20 mA mewakili level tangki secara proporsional antara 0% dan 100%.

Jika kita mau, kita cukup mengirim sinyal arus analog 4-20 miliampere ini ke lokasi pemantauan jarak jauh melalui sepasang kabel tembaga, di mana ia akan menggerakkan semacam panel meter, skala yang dikalibrasi untuk mencerminkan kedalaman air dalam tangki, dalam satuan pengukuran apa pun yang diinginkan.

Sistem komunikasi analog ini akan sederhana dan kuat. Untuk banyak aplikasi, itu akan cukup untuk kebutuhan kita dengan sempurna. Tapi, ini bukan satu-satunya cara menyelesaikan pekerjaan.

Untuk tujuan mengeksplorasi teknik digital, kami akan mengeksplorasi metode lain untuk memantau tangki hipotetis ini, meskipun metode analog yang baru saja dijelaskan mungkin yang paling praktis.

Sistem analog, sesederhana mungkin, memang memiliki keterbatasan. Salah satunya adalah masalah gangguan sinyal analog. Karena ketinggian air tangki dilambangkan dengan besarnya arus DC di sirkuit, setiap “suara” dalam sinyal ini akan ditafsirkan sebagai perubahan ketinggian air.

Tanpa noise, plot sinyal saat ini dari waktu ke waktu untuk level tangki yang stabil sebesar 50% akan terlihat seperti ini:

Jika kabel dari sirkuit ini diatur terlalu dekat dengan kabel yang membawa daya AC 60 Hz, misalnya, kopling induktif dan kapasitif dapat membuat sinyal "noise" palsu untuk dimasukkan ke sirkuit DC ini.

Meskipun impedansi rendah dari loop 4-20 mA (250 , biasanya) berarti bahwa tegangan noise kecil dimuat secara signifikan (dan dengan demikian dilemahkan oleh inefisiensi kopling kapasitif/induktif yang dibentuk oleh kabel daya), kebisingan tersebut dapat menjadi signifikan. cukup untuk menyebabkan masalah pengukuran:

Contoh di atas agak berlebihan, tetapi konsepnya harus jelas:apa saja derau listrik yang dimasukkan ke dalam sistem pengukuran analog akan ditafsirkan sebagai perubahan besaran yang diukur.

Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan melambangkan ketinggian air tangki melalui sinyal digital, bukan sinyal analog. Kita dapat melakukannya dengan sangat kasar dengan mengganti perangkat pemancar analog dengan satu set sakelar ketinggian air yang dipasang pada ketinggian berbeda di tangki:

Masing-masing sakelar ini dihubungkan untuk menutup sirkuit, mengirimkan arus ke masing-masing lampu yang dipasang pada panel di lokasi pemantauan. Saat setiap sakelar ditutup, lampunya masing-masing akan menyala, dan siapa pun yang melihat panel akan melihat representasi 5 lampu dari ketinggian tangki.

Karena setiap rangkaian lampu bersifat digital—baik 100% on atau 100% diskon —interferensi listrik dari kabel lain di sepanjang proses memiliki efek yang jauh lebih kecil pada keakuratan pengukuran di ujung pemantauan daripada dalam kasus sinyal analog.

Sebuah besar jumlah interferensi akan diperlukan untuk menyebabkan sinyal "mati" ditafsirkan sebagai sinyal "hidup" atau sebaliknya. Resistensi relatif terhadap interferensi listrik merupakan keuntungan yang dinikmati oleh semua bentuk komunikasi digital dibandingkan analog.

Sekarang kita tahu sinyal digital jauh lebih tahan terhadap kesalahan yang disebabkan oleh "noise", mari kita tingkatkan sistem pengukuran level tangki ini. Misalnya, kami dapat meningkatkan resolusi sistem pengukuran tangki ini dengan menambahkan lebih banyak sakelar, untuk penentuan ketinggian air yang lebih tepat.

Misalkan kita memasang 16 sakelar di sepanjang ketinggian tangki, bukan lima. Ini akan meningkatkan resolusi pengukuran kami secara signifikan tetapi dengan mengorbankan peningkatan jumlah kabel yang perlu digantung antara tangki dan lokasi pemantauan.

Salah satu cara untuk mengurangi biaya pemasangan kabel ini adalah dengan menggunakan encoder prioritas untuk mengambil 16 sakelar dan menghasilkan angka biner yang mewakili informasi yang sama:

Sekarang, hanya 4 kabel (ditambah kabel arde dan kabel daya yang diperlukan) untuk menyampaikan informasi, bukan 16 kabel (ditambah kabel arde dan kabel listrik apa pun). Di lokasi pemantauan, kita memerlukan semacam perangkat tampilan yang dapat menerima data biner 4-bit dan menghasilkan tampilan yang mudah dibaca untuk dilihat seseorang.

Sebuah dekoder, yang disambungkan untuk menerima data 4-bit sebagai input dan lampu output 1-dari-16, dapat digunakan untuk tugas ini, atau kita dapat menggunakan rangkaian dekoder/driver 4-bit untuk menggerakkan semacam digit numerik tampilan.

Namun, resolusi tinggi tangki 1/16 mungkin tidak cukup baik untuk aplikasi kita. Untuk mengatasi level air dengan lebih baik, kami membutuhkan lebih banyak bit dalam output biner kami. Kami masih dapat menambahkan lebih banyak sakelar, tetapi ini menjadi tidak praktis dengan cepat.

Pilihan yang lebih baik adalah memasang kembali pemancar analog asli kami ke tangki dan secara elektronik mengubah keluaran analog 4-20 miliampnya menjadi bilangan biner dengan bit yang jauh lebih banyak daripada yang praktis menggunakan satu set sakelar level diskrit.

Karena kebisingan listrik yang kami coba hindari ditemui di sepanjang kabel jangka panjang dari tangki ke lokasi pemantauan, konversi A/D ini dapat terjadi di tangki (di mana kami memiliki sinyal 4-20 mA "bersih" ). Ada berbagai metode untuk mengubah sinyal analog ke digital, tetapi kita akan melewatkan diskusi mendalam tentang teknik tersebut dan berkonsentrasi pada komunikasi sinyal digital itu sendiri.

Jenis informasi digital yang dikirim dari instrumentasi tangki kami ke instrumentasi pemantauan disebut sebagai paralel data digital. Artinya, setiap bit biner dikirim melalui kabel khusus sendiri, sehingga semua bit tiba di tujuannya secara bersamaan.

Ini jelas membutuhkan penggunaan setidaknya satu kabel per bit untuk berkomunikasi dengan lokasi pemantauan. Kami selanjutnya dapat mengurangi kebutuhan kabel kami dengan mengirimkan data biner sepanjang saluran tunggal (satu kabel + ground), sehingga setiap bit dikomunikasikan satu per satu. Jenis informasi ini disebut sebagai serial data digital.

Kita dapat menggunakan multiplexer atau register geser untuk mengambil data paralel dari konverter A/D (pada pemancar tangki), dan mengubahnya menjadi data serial. Di ujung penerima (lokasi pemantauan) kita dapat menggunakan demultiplexer atau register geser lain untuk mengubah data serial menjadi paralel lagi untuk digunakan dalam sirkuit tampilan.

Detail yang tepat tentang bagaimana pasangan mux/demux atau register geser dipertahankan dalam sinkronisasi, seperti konversi A/D, topik untuk pelajaran lain. Untungnya, ada chip IC digital yang disebut UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitters) yang menangani semua detail ini sendiri dan membuat hidup perancang lebih sederhana.

Untuk saat ini, kita harus terus memusatkan perhatian kita pada masalah yang ada:bagaimana mengkomunikasikan informasi digital dari tangki ke lokasi pemantauan.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Komunikasi Digital