Дифференциальная сигнализация
Метод электрической передачи информации

Сигнал, переданный дифференциально. Обратите внимание на увеличенную амплитуду на приемном конце.

Дифференциальная передача сигналов — это метод электрической передачи информации с использованием двух дополнительных сигналов . Методика посылает тот же электрический сигнал, что и дифференциальная пара сигналов, каждый в своем собственном проводнике . Пара проводников может быть проводами в витой паре или ленточном кабеле или дорожками на печатной плате .

С электрической точки зрения два проводника переносят сигналы напряжения , которые равны по величине , но имеют противоположную полярность . Приемная схема реагирует на разницу между двумя сигналами, что приводит к сигналу с величиной в два раза большей.

Симметричные сигналы дифференциальной сигнализации можно назвать сбалансированными , но этот термин более уместно применять к сбалансированным схемам и сбалансированным линиям , которые подавляют синфазные помехи при подаче в дифференциальный приемник. Дифференциальная сигнализация не делает линию сбалансированной, и подавление шума в сбалансированных схемах не требует дифференциальной сигнализации.

Дифференциальную сигнализацию следует противопоставлять несимметричной сигнализации , при которой сигнал подается только на один проводник, а другой подключен к фиксированному опорному напряжению.

Преимущества

Вопреки распространенному мнению, дифференциальная сигнализация не влияет на шумоподавление. Сбалансированные линии с дифференциальными приемниками будут подавлять шум независимо от того, является ли сигнал дифференциальным или односторонним, [1] [2], но поскольку для подавления шума в сбалансированной линии в любом случае требуется дифференциальный приемник, дифференциальная сигнализация часто используется на сбалансированных линиях. Некоторые из преимуществ дифференциальной сигнализации включают в себя:

  • Удвоенное напряжение сигнала между дифференциальной парой (по сравнению с несимметричным сигналом того же номинального уровня ), что дает дополнительный запас по уровню в 6 дБ . [1]
  • Синфазный шум между двумя усилителями (например, из-за несовершенного подавления сигнала источника питания ) легко подавляется дифференциальным приемником.
  • Благодаря повышенной помехоустойчивости и дополнительному запасу по уровню в 6 дБ возможна более длинная прокладка кабеля.
  • На более высоких частотах выходное сопротивление выходного усилителя может измениться, что приведет к небольшому дисбалансу. При работе в дифференциальном режиме двумя идентичными усилителями это изменение сопротивления будет одинаковым для обеих линий и, таким образом, будет отменено. [1]

Дифференциальная передача сигналов работает как для аналоговых сигналов, таких как сбалансированный звук , так и для цифровых сигналов, таких как RS-422 , RS-485 , Ethernet по витой паре , PCI Express , DisplayPort , HDMI и USB .

Пригодность для использования с низковольтной электроникой

Дифференциальные усилители реагируют на дифференциальные сигналы, усиливая разницу между напряжениями на двух входах усилителя.

Электронная промышленность , особенно в портативных и мобильных устройствах, постоянно стремится снизить напряжение питания для экономии энергии. [ требуется цитата ] Однако низкое напряжение питания снижает помехоустойчивость. Дифференциальная передача сигналов помогает уменьшить эти проблемы, поскольку при заданном напряжении питания она обеспечивает вдвое большую помехоустойчивость, чем однотактная система.

Чтобы понять, почему, рассмотрим однопроводную цифровую систему с напряжением питания . Высокий логический уровень равен , а низкий логический уровень равен 0 В. Следовательно, разница между двумя уровнями равна . Теперь рассмотрим дифференциальную систему с тем же напряжением питания. Разница напряжений в высоком состоянии, когда один провод равен , а другой равен 0 В, равна . Разница напряжений в низком состоянии, когда напряжения на проводах меняются местами, равна . Следовательно, разница между высоким и низким логическими уровнями равна . Это в два раза больше разницы однопроводной системы. Если шум напряжения на одном проводе не коррелирует с шумом на другом, то для возникновения ошибки в дифференциальной системе требуется в два раза больше шума, чем в однопроводной системе. Другими словами, дифференциальная передача сигналов удваивает помехоустойчивость. [ необходима цитата ] В С {\displaystyle V_{S}} В С {\displaystyle V_{S}\,} В С − 0 В = В С {\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}} В С {\displaystyle V_{S}\,} В С − 0 В = В С {\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}} 0 В − В С = − В С {\displaystyle 0\,\mathrm {V} -V_{S}=-V_{S}} В С − ( − В С ) = 2 В С {\displaystyle V_{S}-(-V_{S})=2V_{S}\,}

Сравнение с односторонним сигналом

В односторонней сигнализации передатчик генерирует одно напряжение, которое приемник сравнивает с фиксированным опорным напряжением, оба относительно общего заземления, разделяемого обоими концами. Во многих случаях односторонняя конструкция невозможна. Другая трудность заключается в электромагнитных помехах, которые могут быть созданы односторонней системой сигнализации, которая пытается работать на высокой скорости. [ необходима цитата ]

Отношение к сбалансированным интерфейсам

При дифференциальной передаче сигналов между двумя единицами оборудования это обычно делается через сбалансированный интерфейс. Интерфейс представляет собой подсистему, содержащую три части: драйвер, линию и приемник. Эти три компонента завершают полную цепь для прохождения сигнала, а импедансы этой цепи определяют, является ли интерфейс в целом сбалансированным или нет: [3] «Сбалансированная цепь представляет собой двухпроводниковую цепь, в которой оба проводника и все цепи, подключенные к ним, имеют одинаковое сопротивление относительно земли и всех других проводников». [4] Сбалансированные интерфейсы были разработаны как схема защиты от шума. Теоретически она может подавлять любые помехи, если они являются синфазными (напряжения, которые появляются с одинаковой величиной и одинаковой полярностью в обоих проводниках). [3]

Существует большая путаница относительно того, что представляет собой сбалансированный интерфейс и как он соотносится с дифференциальной сигнализацией. На самом деле это две совершенно независимые концепции: сбалансированный интерфейс касается подавления шума и помех, в то время как дифференциальная сигнализация касается только запаса по мощности. Баланс импеданса цепи не определяет сигналы, которые она может передавать, и наоборот. [3]

Использование дифференциальных пар

Эта технология сводит к минимуму электронные перекрестные помехи и электромагнитные помехи , как излучение шума , так и принятие шума, и позволяет достичь постоянного или известного характеристического импеданса , что позволяет использовать методы согласования импеданса, важные в высокоскоростной линии передачи сигнала или высококачественной симметричной линии и сбалансированной схеме аудиосигнального тракта.

Дифференциальные пары включают в себя:

Дифференциальные пары обычно передают дифференциальные или полудифференциальные сигналы, такие как высокоскоростные цифровые последовательные интерфейсы, включая дифференциальный LVDS ECL , PECL , LVPECL , Hypertransport , Ethernet по витой паре , последовательный цифровой интерфейс , RS-422 , RS-485 , USB , Serial ATA , TMDS , FireWire и HDMI и т. д., или же высококачественные и/или высокочастотные аналоговые сигналы (например, видеосигналы , сбалансированные аудиосигналы и т. д.).

Дифференциальная передача сигналов часто использует провода или проводники согласованной длины, которые применяются в высокоскоростных последовательных соединениях . [5]

Примеры скорости передачи данных

Скорости передачи данных некоторых интерфейсов, реализованных с использованием дифференциальных пар, включают следующее:

Линии электропередачи

Тип линии передачи , соединяющей два устройства (чипы, модули), часто диктует тип сигнализации. Односторонняя сигнализация обычно используется с коаксиальными кабелями , в которых один проводник полностью экранирует другой от окружающей среды. Все экраны (или щиты) объединены в один кусок материала для формирования общего заземления. Дифференциальная сигнализация, однако, обычно используется с сбалансированной парой проводников. Для коротких кабелей и низких частот эти два метода эквивалентны, поэтому дешевые односторонние схемы с общим заземлением могут использоваться с дешевыми кабелями. По мере того, как скорости передачи сигналов становятся выше, провода начинают вести себя как линии передачи.

Использование в компьютерах

Дифференциальная передача сигналов часто используется в компьютерах для снижения электромагнитных помех , поскольку полное экранирование невозможно с помощью микрополосковых линий и чипов в компьютерах из-за геометрических ограничений и того факта, что экранирование не работает на постоянном токе. Если линия питания постоянного тока и линия сигнала низкого напряжения имеют одну и ту же землю, ток питания, возвращающийся через землю, может индуцировать в ней значительное напряжение. Заземление с низким сопротивлением в некоторой степени уменьшает эту проблему. Сбалансированная пара микрополосковых линий является удобным решением, поскольку ей не нужен дополнительный слой печатной платы, как это делает полосковая линия . Поскольку каждая линия вызывает соответствующий ток изображения в плоскости заземления, который в любом случае требуется для подачи питания, пара выглядит как четыре линии и, следовательно, имеет более короткое расстояние перекрестных помех, чем простая изолированная пара. Фактически, она ведет себя так же хорошо, как витая пара. Низкие перекрестные помехи важны, когда много линий упакованы в небольшом пространстве, как на типичной печатной плате. [ необходима цитата ]

Высоковольтная дифференциальная сигнализация

Высоковольтная дифференциальная (HVD) сигнализация использует сигналы высокого напряжения . В компьютерной электронике высокое напряжение обычно означает 5 вольт или более.

Варианты SCSI -1 включали реализацию высоковольтного дифференциального (HVD) кабеля, максимальная длина которого во много раз превышала однопроводную версию. Например, оборудование SCSI допускает максимальную общую длину кабеля 25 метров при использовании HVD, в то время как однопроводная версия SCSI допускает максимальную длину кабеля от 1,5 до 6 метров в зависимости от скорости шины. Версии LVD SCSI допускают длину кабеля менее 25 м не из-за более низкого напряжения, а потому, что эти стандарты SCSI допускают гораздо более высокие скорости, чем старый HVD SCSI.

Общий термин « высоковольтная дифференциальная сигнализация» описывает множество систем. Низковольтная дифференциальная сигнализация (LVDS), с другой стороны, является конкретной системой, определенной стандартом TIA/EIA.

Переключение полярности

Некоторые интегральные схемы, работающие с дифференциальными сигналами, предоставляют аппаратную возможность (через опции обвязки , под управлением прошивки или даже автоматически) менять полярность двух дифференциальных сигналов, называемую заменой дифференциальной пары , реверсией полярности , инверсией дифференциальной пары , инверсией полярности или инверсией полос . Это можно использовать для упрощения или улучшения маршрутизации высокоскоростных дифференциальных пар дорожек на печатных платах при разработке оборудования, чтобы помочь справиться с распространенными ошибками кабельной разводки из-за переставленных проводов или легко исправить распространенные ошибки проектирования под управлением прошивки. [6] [7] [8] [9] [10] Многие трансиверы Ethernet PHY поддерживают эту функцию как автоматическое определение и коррекцию полярности (не путать с аналогичной функцией автоматического кроссовера ). [11] PCIe и USB SuperSpeed ​​также поддерживают инверсию полярности линий.

Другой способ борьбы с ошибками полярности — использование линейных кодов, нечувствительных к полярности .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Blyth, Graham (2009). "Проблемы балансировки звука". Белые документы . Soundcraft . Архивировано из оригинала 2010-07-31 . Получено 2010-12-30 . Давайте проясним это с самого начала: если бы исходное сопротивление каждого из этих сигналов не было идентичным, т. е. сбалансированным, метод полностью бы потерпел неудачу, а согласование дифференциальных аудиосигналов было бы несущественным, хотя и желательным с точки зрения запаса по уровню.(3 страницы)
  2. ^ "Часть 3: Усилители". Звуковое системное оборудование (Третье изд.). Женева, Швейцария: Международная электротехническая комиссия . 2000. стр. 111–. IEC 602689-3:2001. Только баланс синфазного импеданса драйвера, линии и приемника играет роль в подавлении шума или помех. Это свойство подавления шума или помех не зависит от наличия желаемого дифференциального сигнала.
  3. ^ abc Ballou, Glenn M. (2015). Справочник для звукорежиссеров (Пятое изд.). Taylor & Francis . С.  1267– 1268.
  4. ^ Отт, Генри В. (1988). Методы снижения шума в электронных системах (второе издание). John Wiley & Sons . стр. 116.
  5. ^ Ледин, Джим; Фарли, Дэйв (2022-05-04). Современная компьютерная архитектура и организация: изучите архитектуры x86, ARM и RISC-V, а также проектирование смартфонов, ПК и облачных серверов. Packt Publishing. ISBN 978-1-80323-823-4.
  6. ^ «Могу ли я поменять местами положительные (p) и отрицательные (n) сигналы дифференциальной пары?». Устранение неполадок. Intel . 2012-09-11. Идентификатор: 000085787. Архивировано из оригинала 2022-02-25 . Получено 2022-02-25 .
  7. ^ "Понимание смены полос и полярности". Teledyne LeCroy . 2013-01-09. Архивировано из оригинала 2021-04-13 . Получено 2022-02-25 .
  8. ^ "TUSB73x0 Board Design and Layout Guidelines - User's Guide" (PDF) . Texas Instruments Incorporated . Февраль 2016 г. [Июнь 2011 г.]. Номер литературы: SLLU149E. Архивировано (PDF) из оригинала 2021-05-06 . Получено 2022-02-25 .(45 страниц)
  9. ^ "Упростите трассировку с помощью обмена выводами, деталями и дифференциальными парами". Технические документы . Altium. 2020-10-27 [2017-02-10]. Архивировано из оригинала 2021-06-14 . Получено 2022-02-25 .
  10. ^ "Можно ли поменять местами пары трансформаторов Ethernet". Knowledge. Microchip Technology . 2020-03-03. Архивировано из оригинала 2020-08-09 . Получено 2022-02-25 .
  11. ^ "New Generation Ethernet PHY with LinkMD" (PDF) . Сан-Хосе, Калифорния, США: Micrel Incorporated / Microchip Technology . Июнь 2005 г. Application Note 127, KS8001, M9999-060105, (408) 955-1690 . Получено 25.02.2022 .(5 страниц)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Дифференциальная_сигнализация&oldid=1255360967#Автоматическая_полярность"