Дифференциальная сигнализация - Differential signalling

Сигнал передается дифференциально. Обратите внимание на увеличенную амплитуду на приемном конце.

Дифференциальная сигнализация - это метод электрической передачи информации с использованием двух дополнительных сигналов . Этот метод передает тот же электрический сигнал, что и дифференциальная пара сигналов, каждый в своем собственном проводнике. Пара проводников может быть витой парой или ленточным кабелем или дорожками на печатной плате .

Электрически два проводника несут сигналы напряжения одинаковой величины, но противоположной полярности. Приемная схема реагирует на разницу между двумя сигналами, в результате чего получается сигнал с вдвое большей амплитудой. Любые сигналы, излучаемые проводниками, имеют тенденцию подавляться, что приводит к уменьшению излучения, которое может повлиять на близлежащие цепи.

Симметричные сигналы дифференциальной сигнализации часто называют «сбалансированными», но этот термин следует зарезервировать для сбалансированных цепей и линий, которые отклоняют синфазные помехи при подаче в дифференциальный приемник. Дифференциальная сигнализация не делает линию сбалансированной, а подавление шума в симметричных схемах не требует дифференциальной сигнализации.

Дифференциальную сигнализацию следует противопоставить несимметричной сигнализации, при которой сигнал управляется только одним проводником, а другой подключен к фиксированному опорному напряжению.

Преимущества

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

• Электромагнитное поле вокруг дифференциальной линии в идеале равно нулю, что снижает перекрестные помехи в соседние кабели, что полезно для телефонных пар.
• Хотя уровень сигнала не изменится из-за стандартизации номинального уровня , максимальный выход дифференциальных драйверов в два раза больше, что дает дополнительный запас на 6 дБ .
• Увеличение емкости кабеля на длинных участках снижает уровень сигнала, при котором ослабляются высокие частоты. Если каждый провод несет половину размаха напряжения сигнала, как в полностью дифференциальных выходах, можно использовать более длинные кабели без потери высоких частот.
• Шум, который коррелирует между двумя усилителями (например, из-за несовершенного отказа источника питания ), будет нейтрализован. Коррелированный шум будет отображаться на линии в виде синфазных напряжений, которые легко отклоняются дифференциальным приемником.
• На более высоких частотах выходной импеданс выходного усилителя может измениться, что приведет к небольшому дисбалансу. При управлении в дифференциальном режиме от двух идентичных усилителей это изменение импеданса будет одинаковым для обеих линий и, таким образом, будет нейтрализовано.

Дифференциальная передача сигналов работает как для аналоговой передачи сигналов, как в сбалансированном аудио , так и в цифровой передаче сигналов, например, в RS-422 , RS-485 , Ethernet по витой паре , PCI Express , DisplayPort , HDMI и USB .

Возможность 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. Однако низкое напряжение питания снижает помехозащищенность. Дифференциальная сигнализация помогает уменьшить эти проблемы, поскольку при заданном напряжении питания она обеспечивает в два раза большую помехозащищенность по сравнению с несимметричной системой.

Чтобы понять почему, рассмотрим несимметричную цифровую систему с напряжением питания . Высокий логический уровень равен, а низкий логический уровень равен 0 В. Таким образом, разница между двумя уровнями составляет . Теперь рассмотрим дифференциальную систему с таким же напряжением питания. Разница напряжений в высоком состоянии, когда один провод находится в состоянии, а другой - в 0 В, составляет . Разница напряжений в низком состоянии, когда происходит обмен напряжений на проводах, составляет . Таким образом, разница между высоким и низким логическими уровнями . Это вдвое больше, чем у несимметричной системы. Если шум напряжения на одном проводе не коррелирует с шумом на другом, требуется вдвое больше шума, чтобы вызвать ошибку в дифференциальной системе, чем в несимметричной системе. Другими словами, дифференциальная сигнализация удваивает помехоустойчивость. ${\ displaystyle V_ {S}}$${\ Displaystyle V_ {S} \,}$${\ Displaystyle V_ {S} -0 \, \ mathrm {V} = V_ {S}}$${\ Displaystyle V_ {S} \,}$${\ Displaystyle V_ {S} -0 \, \ mathrm {V} = V_ {S}}$${\ displaystyle 0 \, \ mathrm {V} -V_ {S} = - V_ {S}}$${\ Displaystyle V_ {S} - (- V_ {S}) = 2V_ {S} \,}$

Сравнение с несимметричной сигнализацией

При несимметричной передаче сигналов передатчик генерирует одно напряжение, которое приемник сравнивает с фиксированным опорным напряжением, оба относительно общего заземления, общего для обоих концов. Во многих случаях односторонние конструкции невозможны. Другая трудность - это электромагнитные помехи, которые могут создаваться несимметричной системой сигнализации, которая пытается работать на высокой скорости.

Отношение к сбалансированным интерфейсам

При передаче сигналов по-разному между двумя частями оборудования это обычно делается через сбалансированный интерфейс. Интерфейс представляет собой подсистему , содержащую три части: водитель, линия, и приемник. Эти три компонента образуют полную цепь для прохождения сигнала, и именно импедансы этой цепи определяют, сбалансирован ли интерфейс в целом или нет: «Сбалансированная цепь - это двухпроводная цепь, в которой оба проводника и все цепи чтобы подключенные к ним имели одинаковое сопротивление относительно земли и ко всем другим проводникам ». Сбалансированные интерфейсы были разработаны как схема защиты от шума. Теоретически он может подавлять любые помехи, если он является синфазным (напряжения, которые появляются на обоих проводниках).

Существует большая путаница относительно того, что составляет сбалансированный интерфейс и как это связано с дифференциальной передачей сигналов. На самом деле это две полностью независимые концепции: сбалансированный интерфейс касается подавления шума и помех, а дифференциальная сигнализация касается запаса по уровню и перекрестных помех. Баланс импеданса цепи не определяет сигналы, которые она может передавать, и наоборот.

Обобщение: ансамблевая сигнализация

Недостатком дифференциальной передачи сигнала является то, что для нее требуется в два раза больше проводов, чем для несимметричной передачи сигнала. Ансамблевые сигналы улучшают это за счет использования проводов для передачи дифференциальных сигналов. Для , это эквивалентно дифференциальной сигнализации. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle n-1}$${\ displaystyle n = 2}$

Двухпроводная ансамблевая сигнализация

Двухпроводная ансамблевая сигнализация кодирует один сигнал с использованием двух проводов. На стороне кодировщика, используя матрицу генератора

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} + 1 & 1 \\ - 1 & 1 \ end {pmatrix}}}$

а входной вектор дает два сигнала для передачи. ${\ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2})}$${\ Displaystyle у = \ mathbf {G} \ cdot x}$

На стороне декодера с помощью матрицы управления ${\ Displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^ {- 1}}$

${\ Displaystyle \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} + 1/2 & -1 / 2 \\\; \; 1/2 & \; \; 1/2 \ end {pmatrix}}}$

а входной вектор дает начальный вектор . ${\ displaystyle y}$${\ Displaystyle х: = \ mathbf {H} \ cdot y}$

Однако только он нечувствителен к синфазным помехам, в то время как очень чувствителен к синфазным помехам. Удаление из расчета дает нормальную дифференциальную сигнализацию: ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle x_ {2}}$

${\ Displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} +1 \\ - 1 \ end {pmatrix}} \;}$ а также ${\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} + 1/2 & -1 / 2 \\\ end {pmatrix}}}$

Четырехпроводная ансамблевая сигнализация

Четырехпроводная ансамблевая сигнализация кодирует три сигнала с использованием четырех проводов. На стороне кодировщика, используя матрицу генератора

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 & -1 / 3 & -1 / 3 & 1/3 \\ - 1/3 & 1 & -1 / 3 & 1/3 \\ - 1/3 & -1 / 3 & 1 & 1 / 3 \\ - 1/3 и -1 / 3 и -1 / 3 и 1/3 \ end {pmatrix}}}$

а входной вектор дает четыре сигнала для передачи. ${\ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2}, x_ {3}, x_ {4})}$${\ Displaystyle у = \ mathbf {G} \ cdot x}$

На стороне декодера с помощью матрицы управления ${\ Displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^ {- 1}}$

${\ displaystyle \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} 3/4 & 0 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 3/4 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 0 & 3/4 & -3 / 4 \\ 3/4 & 3/4 & 3/4 & 3 / 4 \ конец {pmatrix}}}$

а входной вектор дает начальный вектор . ${\ displaystyle y}$${\ Displaystyle х: = \ mathbf {H} \ cdot y}$

Однако , и нечувствительны к синфазным помехам, в то время как очень чувствительны к синфазным помехам. Удаление из расчета дает матрицы для ансамблевой сигнализации с использованием четырех проводов для дифференциальной передачи трех сигналов. ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle x_ {3}}$${\ displaystyle x_ {4}}$${\ displaystyle x_ {4}}$

${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 & -1 / 3 & -1 / 3 \\ - 1/3 & 1 & -1 / 3 \\ - 1/3 & -1 / 3 & 1 \\ - 1 / 3 & -1 / 3 & -1 / 3 \ end {pmatrix}} \;}$ а также ${\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} 3/4 & 0 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 3/4 & 0 & -3 / 4 \\ 0 & 0 & 3/4 & -3 / 4 \ end {pmatrix}}}$

${\ displaystyle n}$-проводная ансамблевая сигнализация

${\ displaystyle n}$-проводная ансамблевая сигнализация кодирует сигналы с помощью проводов. ${\ displaystyle n-1}$${\ displaystyle n}$

${\ Displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 & \ cdots & -1 / (n-1) \\\ vdots & \ ddots & \ vdots \\ - 1 / (n-1) & \ cdots & 1 \\ - 1 / (n-1) & \ cdots & -1 / (n-1) \ end {pmatrix}} \;}$ а также ${\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} (n-1) / n & \ cdots & 0 & - (n-1) / n \\\ vdots & \ ddots & \ vdots & - (n -1) / n \\ 0 & \ cdots & (n-1) / n & - (n-1) / n \ end {pmatrix}}}$

Использование дифференциальных пар

Метод сводит к минимуму электронные перекрестные помехи и электромагнитные помехи , как шум излучение и принятие шума, и может обеспечить постоянную или известную характеристический импеданс , что позволяет соответсвующей импеданса методы важные в сигнал высокоскоростной линии передачи или высокого качества симметричной линии и сбалансированные цепи звукового сигнального тракта .

Дифференциальные пары включают:

• кабели витая пара , экранированные и неэкранированные
• микрополосковые и полосковые методы разводки дифференциальных пар на печатных платах

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

Примеры скорости передачи данных

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

• Serial ATA - 1,5 Гбит / с
• Гипертранспорт - 1,6 Гбит / с
• Infiniband - 2,5 Гбит / с
• PCI Express - 2,5 Гбит / с
• Serial ATA Revision 2.0 - 2,4 Гбит / с
• XAUI - 3,125 Гбит / с
• Serial ATA Revision 3.0 - 6 Гбит / с
• PCI Express 2.0 - 5,0 Гбит / с на полосу
• 10 Gigabit Ethernet - 10 Гбит / с (четыре дифференциальные пары, работающие со скоростью 2,5 Гбит / с каждая)
• DDR SDRAM - 3,2 Гбит / с (дифференциальные стробоскопы фиксируют несимметричные данные)

Линии передачи

Тип линии передачи, соединяющей два устройства (микросхемы, модули), часто определяет тип сигнализации. Несимметричная сигнализация обычно используется с коаксиальными кабелями , в которых один проводник полностью экранирует другой от окружающей среды. Все экраны (или экраны) объединены в единый кусок материала, чтобы сформировать общую основу. Однако дифференциальная сигнализация обычно используется с симметричной парой проводов. Для коротких кабелей и низких частот эти два метода эквивалентны, поэтому дешевые несимметричные схемы с общим заземлением можно использовать с дешевыми кабелями. По мере того, как скорость передачи сигналов увеличивается, провода начинают вести себя как линии передачи .

Использование в компьютерах

Дифференциальная сигнализация часто используется в компьютерах для уменьшения электромагнитных помех , потому что полное экранирование невозможно с микрополосками и чипами в компьютерах из-за геометрических ограничений и того факта, что экранирование не работает на постоянном токе. Если линия источника питания постоянного тока и сигнальная линия низкого напряжения используют одну и ту же землю, силовой ток, возвращающийся через землю, может вызвать в ней значительное напряжение. Заземление с низким сопротивлением в некоторой степени снижает эту проблему. Сбалансированная пара микрополосковых линий - удобное решение, поскольку не требует дополнительного слоя печатной платы, как 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. По сути, ведет себя так же хорошо, как и витая пара. Низкие перекрестные помехи важны, когда много линий упаковано в небольшое пространство, как на типичной печатной плате.

Дифференциальная сигнализация высокого напряжения

В высоковольтной дифференциальной сигнализации (HVD) используются сигналы высокого напряжения . В компьютерной электронике «высокое напряжение» обычно означает 5 вольт или более.

Варианты SCSI-1 включали реализацию высоковольтного дифференциала (HVD), максимальная длина кабеля которой во много раз превышала длину несимметричной версии. Оборудование SCSI, например, допускает максимальную общую длину кабеля 25 метров с использованием HVD, в то время как несимметричный 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 более старые HVD SCSI.

Общий термин высоковольтная дифференциальная сигнализация описывает множество систем. С другой стороны, низковольтная дифференциальная сигнализация ( LVDS ) - это особая система, определенная стандартом TIA / EIA.

Смотрите также

• Объединительные платы
• Сигнализация токовой петли
• Логика текущего режима (CML)
• DDR SDRAM
• Дифференциальный усилитель
• Дифференциальный TTL
• DisplayPort
• Хамбакер
• Продольное напряжение
• Целостность сигнала
• несимметричная сигнализация
• Дифференциальная сигнализация с минимальным переходом (TMDS)

использованная литература