Tipologie di segnali digitali

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I segnali con cui si ha a che fare nei sistemi digitali sono spesso di tipo single ended o sbilanciati: la tensione è misurata rispetto ad un riferimento comune indicato come massa (o anche come reference o signal ground). Due esempi di tali segnali sono, per rimanere nel campo dei sistemi di comunicazione:

la porta parallela Centronics: tensioni maggiori di 2 V indicano l’uno logico, tensioni minori di 0.8 V identificano lo zero logico, definizioni coincidenti con quelle utilizzate per i segnali TTL
la porta seriale RS232: l'uno logico è identificato da una tensione negativa compresa, in modulo, tra 3 e 15 V e lo zero da una tensione positiva maggiore di 3 V.

Per trasmettere un singolo bit usando un segnale sbilanciato è evidentemente necessario usare un solo filo oltre alla massa che è unica e comune a tutti i segnali.

I limiti nell'uso di segnali non bilanciati nella trasmissione di informazioni derivano da due considerazioni:

Se è vero, almeno in prima approssimazione, che il potenziale di massa è univocamente definito in un circuito di piccole dimensioni, tale concetto diventa una illusione quando le distanze sono elevate; infatti la corrente, scorrendo nel filo di riferimento, produce differenze di potenziali a causa dell'impedenza elettrica del collegamento. Questo fatto è già abbastanza rilevante in corrente continua (quando occorre tener conto della sola resistenza del cavo) ma è fondamentale quando, usando segnali ad alta velocità, l'induttanza del cavo diviene la l'elemento predominante dell'impedenza.
Lungo un filo di lunghezza non trascurabile la tensione subisce l'influsso casuale e continuamente variabile dei disturbi esterni: il ricevitore quindi osserva un segnale digitale sovrapposto a "rumore" che, se elevato, potrebbe portare ad interpretazioni errate del valore logico. Tale effetto si verifica in modo casuale sia nei confronti del segnale sia nei confronti del riferimento, per di più con diversa intensità considerando che l'impedenza equivalente verso massa è diversa.

Una soluzione ad entrambi i problemi è quella di adottare elevate escursioni del segnale al fine di aumentare il rapporto tra segnale e disturbo (p.e. la RS232 prevede escursioni tipiche di 24 V) oppure mantenere corti i i collegamenti (soluzione ovviamente improponibile se i due oggetti da collegare sono fisicamente distanti) oppure ancora usare, almeno per il segnale di riferimento, cavi di elevata sezione (opzione con evidenti impatti negativi e comunque che porta a benefici solo marginali).

Il secondo dei due problemi accennati è inoltre parzialmente risolvibile utilizzando cavi schermati.

Nei sistemi bilanciati o differenziali la tensione associata alla trasmissione di un singolo bit è misurata come differenza di potenziale tra due fili, tra loro identici e pilotati da trasmettitori con la stessa impedenza di uscita: se la tensione è maggiore su un filo rispetto all'altro il valore logico è associato ad uno zero, se è minore ad un uno. Non ha invece nessuna importanza la tensione dei due fili rispetto a massa.

Questo metodo permette di superare i due problemi appena descritti:

Il valore logico è associati alla differenza di potenziale tra due fili: il potenziale assoluto della massa è quindi teoricamente ininfluente. In questo modo, anche se sul filo di massa scorrono correnti e quindi si creano differenze di potenziale, non si generano effetti sui valori logici.
Si usa dire che un sistema di trasmissione differenziale non è sensibile alla tensione di modo comune (Vcm), definita come la media della tensione dei due fili che trasportano il segnale misurata rispetto alla massa locale.
Visto che la coppia di fili su cui il segnale viaggia è costituita da un "doppino" pilotato da trasmettitori con la stessa impedenza di uscita, i disturbi sono fortemente attenuati, come descritto in uno dei seguenti paragrafi.

Esistono ovviamente anche degli svantaggi:

È necessario prevedere un numero doppio di conduttori: per ogni singolo segnale servono due fili, oltre alla massa comune a tutti i segnali ed in genere necessaria.
Sono richiesti driver e ricevitori più complessi. Utilizzando circuiti integrati appositamente studiati e largamente diffusi, questo problema è però facilmente superabile.

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