2015年08月31日

番外編 -デジタル通信のルール(電圧レベル、シングルエンド・差動)

前回は文字コードについて説明し、最後に「電気信号で通信するといっても通信には様々なルールがあります。」と書きました。
通信に関するルールはとても多くありますが、電子工作をする上では、電圧レベル、シングルエンド・差動、シリアル・パラレル、同期・非同期を知っておくと便利です。全部説明すると長いので、今回は電圧レベルとシングルエンド・差動について説明していきます。

なお、通信と書きましたが、今回扱う通信とは「0と1をやり取りする有線のデジタル通信」のことです。


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目次



1. 電圧レベル

デジタル通信では電気信号でHigh(=1)とLow(=0)のやり取りを行います。電圧レベルとは何[V]をHigh、Lowとして扱うかというルールです。

電子工作で主に使われるのは5.0[V]をHigh、0.0[V]をLowとする5[V]系と、3.3[V]をHigh、0.0[V]をLowとする3.3[V]系です。

30_通信方式1_1_1.png

30_通信方式1_2_1.png

デジタル通信は2つ以上の機器や部品で行いますが、それらは全て同じ電圧レベルでなければ通信できません。もし、5[V]系の部品と3.3[V]を通信させたいのであれば電圧レベル変換用の部品や回路が必要です。


2. シングルエンド・差動

さて電圧レベルでは5[V](もしくは3.3[V])と0[V]を使って通信を行う方法を説明しましたが、これはシングルエンド(Single-Ended)という方式です。シングルエンドの対になる方式として、差動(Differential)という方式があります。それぞれの方式で線の接続法High/Lowの認識が異なります。

シングルエンド

シングルエンドは今までArduinoでものを作ってきたときにも使ってきた方式です。必要な線は信号線とGND線(=0[V])の2種類です。

30_通信方式1_4.png

High/Lowの認識は信号の電圧で決まります。電圧がHigh付近ならばHighLow付近ならばLowHighとLowの中間ならば不明です。

30_通信方式1_3.png


なお、シングルエンドとは関係ありませんが、上のデジタル波形は今までのように長方形でなく、台形で描いています。これは時間を厳密に考えるときの描き方です。

理想では下図のような一瞬でHigh/Lowが変化するデジタル波形が望ましいです。

30_通信方式1_5.png

ですが、現実にそのようなデジタル波形を作るのは難しく、High/Lowが変化するのに時間がかかってしまい、台形のようになってしまいます。

30_通信方式1_6.png

普段はHigh/Lowの変化時間は無視して直方体のような描き方でよいですが、時間を厳密に考慮するとHigh/Lowの変化時間が無視できないため台形のような描き方にします。

差動

差動は今回初めて扱う方式です。差動でもシングルエンドと同じように信号線とGND線がありますが、シングルエンドと違い信号線に+(プラス)側-(マイナス)側があります。ですので、必要な線は3本です。

30_通信方式1_7.png

差動方式ではHigh/Lowの認識に2つの信号線の差を活用します。差動方式の場合、+側と-側の信号は互いがクロスするように変化します。+側の電圧が-側より高ければHigh、+側の電圧が-側より低ければLowです。

30_通信方式1_8_2.png

差動方式の利点はノイズに強いということです。電気信号は外部からのノイズ(主に電波)によって波形が乱れます。波形の乱れ具合によってはHigh/Lowを正しく認識することができず、通信エラーが発生してしまいます。通信の種類もノイズに影響しており、高速通信遠距離通信だとノイズが増えやすいです。

30_通信方式1_9.png

差動方式はシングルエンド方式よりもノイズに強いです。ですので、高速通信や遠距離通信などで少しでも通信エラーを減らしたい場合は差動方式が用いられている場合が多いです。
一方、シングルエンド方式は差動方式よりノイズに弱いとはいえ、電子工作で使う分にはほぼ通信エラーおきません。また信号線が差動方式より1本少なくて済みます。ですので、電子工作に使用する部品の大半はシングルエンド方式です。


今回説明したことをまとめました

  • 電圧レベル:High/Lowを認識する電圧。主に5[V]系と3.3[V]系がある。Arduinoは5[V]系
  • シングルエンド:1つの信号線で通信を行う方式。電子工作の大半はこの方式
  • 差動:+側と-側、2つの信号線で通信を行う方式。ノイズに強いため高速通信や遠距離通信で用いられる

次回はシリアル・パラレル、同期・非同期について説明します。


参考資料

  1. 作者名:村田製作所. "高速の伝送が、なぜ差動伝送になっているのか?". サイト名:村田製作所. http://www.murata.com/ja-jp/products/emiconfun/emc/2013/10/15/en-20131015-p1, (参照日:2015-08-31)




posted by ました at 16:54| Comment(0) | TrackBack(0) | 電子工作の知識 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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