Дифференциальная сигнализация

Дифференциальная передача сигналов — 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 проводнике . Парой проводников могут быть провода витой пары или ленточного кабеля , а также дорожки на печатной плате .

Электрически два проводника несут сигналы напряжения , равные по величине , но противоположной полярности . Приемная схема реагирует на разницу между двумя сигналами, в результате чего получается сигнал с вдвое большей амплитудой.

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

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

Преимущества

Вопреки распространенному мнению, дифференциальная передача сигналов не влияет на шумоподавление. Сбалансированные линии с дифференциальными приемниками подавляют шум независимо от того, является ли сигнал дифференциальным или несимметричным. ^[1]^[2] но поскольку для подавления шума сбалансированной линии в любом случае требуется дифференциальный приемник, дифференциальная передача сигналов часто используется на симметричных 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 на 6 дБ . ^[1]
Синфазный шум между двумя усилителями (например, из-за несовершенного подавления напряжения питания ) легко подавляется дифференциальным приемником.
Возможна более длинная длина кабеля благодаря повышенной помехоустойчивости и дополнительному запасу по высоте на 6 дБ.
На более высоких частотах выходное сопротивление выходного усилителя может измениться, что приведет к небольшому дисбалансу. При работе в дифференциальном режиме от двух одинаковых усилителей это изменение импеданса будет одинаковым для обеих линий и, таким образом, компенсируется. ^[1]

Дифференциальная сигнализация работает как для аналоговой сигнализации, например, для балансного звука , так и для цифровой сигнализации, например, для RS-422 , RS-485 , Ethernet по витой паре , PCI Express , DisplayPort , HDMI и USB .

Пригодность для использования с низковольтной электроникой.

Электронная промышленность , особенно портативные и мобильные устройства, постоянно стремится снизить напряжение питания для экономии энергии. ^{[ нужна ссылка ]} Однако низкое напряжение питания снижает помехоустойчивость. Дифференциальная передача сигналов помогает уменьшить эти проблемы, поскольку при заданном напряжении питания она обеспечивает удвоенную помехозащищенность по сравнению с несимметричной системой.

Чтобы понять почему, рассмотрим несимметричную цифровую систему с напряжением питания $V_{S}$ . Высокий логический уровень $V_{S}\,$ а низкий логический уровень равен 0 В. Таким образом, разница между двумя уровнями равна $V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}$ . Теперь рассмотрим дифференциальную систему с таким же напряжением питания. Разница напряжений в высоком состоянии, когда один провод находится под напряжением. $V_{S}\,$ а другой при 0 В $V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}$ . Разность напряжений в низком состоянии, когда происходит обмен напряжениями на проводах, равна $0\,\mathrm {V} -V_{S}=-V_{S}$ . Таким образом, разница между высоким и низким логическим уровнями равна $V_{S}-(-V_{S})=2V_{S}\,$ . Это в два раза больше, чем у несимметричной системы. Если шум напряжения на одном проводе не коррелирует с шумом на другом, то для возникновения ошибки в дифференциальной системе требуется вдвое больше шума, чем в несимметричной. Другими словами, дифференциальная передача сигналов удваивает помехоустойчивость. ^{[ нужна ссылка ]}

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 заключается в электромагнитных помехах, которые могут создаваться несимметричной системой сигнализации, пытающейся работать на высокой скорости. ^{[ нужна ссылка ]}

Отношение к балансным интерфейсам

При дифференциальной передаче сигналов между двумя частями оборудования обычно это делается через балансный интерфейс. Интерфейс — это подсистема , состоящая из трех частей: драйвера, линии и приемника. Эти три компонента образуют полную цепь, по которой проходит сигнал, и импедансы этой цепи определяют, является ли интерфейс в целом сбалансированным или нет: ^[3] «Сбалансированная цепь — это двухпроводная цепь, в которой оба проводника и все подключенные к ним цепи имеют одинаковое сопротивление относительно земли и всех других проводников». ^[4] Сбалансированные интерфейсы были разработаны как схема защиты от шума. Теоретически он 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 связан с дифференциальной передачей сигналов. На самом деле это две совершенно независимые концепции: сбалансированный интерфейс касается подавления шума и помех, тогда как дифференциальная передача сигналов касается только запаса мощности. Баланс импеданса цепи не определяет сигналы, которые она может передавать, и наоборот. ^[3]

Использование дифференциальных пар

Этот метод сводит к минимуму электронные перекрестные и электромагнитные помехи , как излучение шума , так и прием шума, и может обеспечить постоянное или известное характеристическое сопротивление , что позволяет использовать методы согласования импеданса, важные для высокоскоростной линии передачи сигнала или высококачественной симметричной линии и аудиосигнала симметричной схемы. путь.

К дифференциальным парам относятся:

витая пара Кабели , экранированные и неэкранированные.
микрополосковых и полосковых линий 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 , гипертранспорт , Ethernet по витой паре , последовательный цифровой интерфейс , RS-422 , RS-485 , USB , последовательный интерфейс. ATA , TMDS , FireWire , HDMI и т. д. или же высококачественные и/или высокочастотные аналоговые сигналы (например, видеосигналы , балансные 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 версии 2.0 – 2,4 Гбит/с
XAUI – 3,125 Гбит/с
Serial ATA версии 3.0 – 6 Гбит/с
PCI Express 2.0 – 5,0 Гбит/с на линию
10 Gigabit Ethernet – 10 Гбит/с (четыре дифференциальные пары со скоростью 2,5 Гбит/с каждая)
DDR SDRAM – 3,2 Гбит/с (дифференциальные стробы фиксируют несимметричные данные)

Линии электропередачи

Тип линии передачи , соединяющей два устройства (чипы, модули), часто определяет тип передачи сигналов. Несимметричная передача сигналов обычно используется с коаксиальными кабелями , в которых один проводник полностью экранирует другой от окружающей среды. Все экраны (или экраны) объединены в единый кусок материала, образуя общее заземление. Однако дифференциальная передача сигналов обычно используется с симметричной парой проводников. Для коротких кабелей и низких частот эти два метода эквивалентны, поэтому с дешевыми кабелями можно использовать дешевые несимметричные схемы с общим заземлением. По мере увеличения скорости передачи сигналов провода начинают вести себя как линии передачи.

Использование в компьютерах

Дифференциальная передача сигналов часто используется в компьютерах для уменьшения электромагнитных помех , поскольку полное экранирование невозможно с помощью микрополосок и чипов в компьютерах из-за геометрических ограничений и того факта, что экранирование не работает при постоянном токе. Если линия питания постоянного тока и сигнальная линия низкого напряжения имеют одну и ту же землю, ток мощности, возвращающийся через землю, может индуцировать в ней значительное напряжение. Заземление с низким сопротивлением в некоторой степени уменьшает эту проблему. Балансная пара микрополосковых линий является удобным решением, поскольку для нее не требуется дополнительный слой печатной платы, как для полосковой линии . Поскольку каждая линия вызывает соответствующий ток изображения в плоскости заземления, который в любом случае необходим для подачи питания, пара выглядит как четыре линии и, следовательно, имеет более короткое расстояние перекрестных помех, чем простая изолированная пара. По сути, она ведет себя так же, как и витая пара. Низкие перекрестные помехи важны, когда много линий упакованы в небольшое пространство, как на типичной печатной плате. ^{[ нужна ссылка ]}

Дифференциальная сигнализация высокого напряжения

В дифференциальной сигнализации высокого напряжения (HVD) используются высокого напряжения сигналы . В компьютерной электронике высокое напряжение обычно означает 5 В и более.

Варианты SCSI -1 включали реализацию с высоким дифференциальным напряжением (HVD), максимальная длина кабеля которой была во много раз больше, чем у несимметричной версии. Например, оборудование SCSI допускает максимальную общую длину кабеля 25 метров с использованием HVD, тогда как несимметричный SCSI допускает максимальную длину кабеля от 1,5 до 6 метров, в зависимости от скорости шины. Версии SCSI LVD 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 старый HVD SCSI.

Общий термин «дифференциальная сигнализация высокого напряжения» описывает множество систем. С другой стороны, низковольтная дифференциальная сигнализация (LVDS) представляет собой особую систему, определенную стандартом TIA/EIA.

Переключение полярности

Некоторые интегральные схемы, работающие с дифференциальными сигналами, предоставляют аппаратную возможность (с помощью опций связывания , под контролем встроенного программного обеспечения или даже автоматически) для смены полярности двух дифференциальных сигналов, что называется заменой дифференциальной пары , изменением полярности , инверсией дифференциальной пары , инверсией полярности или инверсия полосы движения . Это можно использовать для упрощения или улучшения трассировки высокоскоростных дифференциальных пар дорожек на печатных платах при разработке аппаратного обеспечения, чтобы помочь справиться с распространенными ошибками в кабелях из-за перестановки проводов или легко исправить распространенные ошибки проектирования под управлением встроенного ПО. ^[5]^[6]^[7]^[8]^[9] Многие Ethernet PHY приемопередатчики поддерживают функцию автоматического обнаружения и коррекции полярности (не путать с аналогичной функцией автоматического кроссовера ). ^[10] PCIe и USB SuperSpeed также поддерживают инверсию полярности полос.

Другой способ борьбы с ошибками полярности — использовать линейные коды, нечувствительные к полярности .

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Блит, Грэм (2009). «Проблемы с балансировкой звука» . Белые книги . Саундкрафт . Архивировано из оригинала 31 июля 2010 г. Проверено 30 декабря 2010 г. Давайте с самого начала проясним: если бы импеданс источника каждого из этих сигналов не был идентичным, то есть сбалансированным, метод был бы полностью неэффективным, поскольку согласование дифференциальных аудиосигналов не имеет значения, хотя и желательно с точки зрения запаса мощности. (3 страницы)
^ «Часть 3: Усилители». Звуковое оборудование (Третье изд.). Женева, Швейцария: Международная электротехническая комиссия . 2000. стр. 111–. МЭК 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 присутствия полезного дифференциального сигнала.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Баллоу, Гленн М. (2015). Справочник для звукорежиссеров (Пятое изд.). Тейлор и Фрэнсис . стр. 1267–1268.
^ Отт, Генри В. (1988). Методы снижения шума в электронных системах (второе изд.). Джон Уайли и сыновья . п. 116.
^ «Могу ли я поменять местами положительные (p) и отрицательные (n) сигналы дифференциальной пары?» . Поиск неисправностей. Интел . 11 сентября 2012 г. ID: 000085787. Архивировано из оригинала 25 февраля 2022 г. Проверено 25 февраля 2022 г.
^ «Понимание разворота полосы движения и полярности» . Теледайн ЛеКрой . 09.01.2013. Архивировано из оригинала 13 апреля 2021 г. Проверено 25 февраля 2022 г.
^ «Руководство пользователя по проектированию и компоновке платы TUSB73x0» (PDF) . Техас Инструментс Инкорпорейтед . Февраль 2016 г. [июнь 2011 г.]. Номер литературы: SLLU149E. Архивировано (PDF) из оригинала 06 мая 2021 г. Проверено 25 февраля 2022 г. (45 страниц)
^ «Упрощение маршрутизации за счет замены выводов, деталей и дифференциальных пар» . Белые книги . Альтиум. 27 октября 2020 г. [10 февраля 2017 г.]. Архивировано из оригинала 14 июня 2021 г. Проверено 25 февраля 2022 г.
^ «Можно ли поменять пары трансформаторов Ethernet» . Знание. Микрочиповая технология . 03.03.2020. Архивировано из оригинала 9 августа 2020 г. Проверено 25 февраля 2022 г.
^ «Физический уровень Ethernet нового поколения с LinkMD» (PDF) . Сан-Хосе, Калифорния, США: Micrel Incorporated / Microchip Technology . Июнь 2005 г. Примечание по заявке 127, KS8001, M9999-060105, (408) 955-1690 . Проверено 25 февраля 2022 г. (5 страниц)

[Blyth_2009-1] Jump up to: ^а ^б ^с Блит, Грэм (2009). «Проблемы с балансировкой звука» . Белые книги . Саундкрафт . Архивировано из оригинала 31 июля 2010 г. Проверено 30 декабря 2010 г. Давайте с самого начала проясним: если бы импеданс источника каждого из этих сигналов не был идентичным, то есть сбалансированным, метод был бы полностью неэффективным, поскольку согласование дифференциальных аудиосигналов не имеет значения, хотя и желательно с точки зрения запаса мощности. (3 страницы)

[IEC_2001-2] «Часть 3: Усилители». Звуковое оборудование (Третье изд.). Женева, Швейцария: Международная электротехническая комиссия . 2000. стр. 111–. МЭК 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 присутствия полезного дифференциального сигнала.

[AES_2015-3] Jump up to: ^а ^б ^с Баллоу, Гленн М. (2015). Справочник для звукорежиссеров (Пятое изд.). Тейлор и Фрэнсис . стр. 1267–1268.

[Ott_1988-4] Отт, Генри В. (1988). Методы снижения шума в электронных системах (второе изд.). Джон Уайли и сыновья . п. 116.

[Intel_2012-5] «Могу ли я поменять местами положительные (p) и отрицательные (n) сигналы дифференциальной пары?» . Поиск неисправностей. Интел . 11 сентября 2012 г. ID: 000085787. Архивировано из оригинала 25 февраля 2022 г. Проверено 25 февраля 2022 г.

[Teledyne_2013-6] «Понимание разворота полосы движения и полярности» . Теледайн ЛеКрой . 09.01.2013. Архивировано из оригинала 13 апреля 2021 г. Проверено 25 февраля 2022 г.

[TI_2016-7] «Руководство пользователя по проектированию и компоновке платы TUSB73x0» (PDF) . Техас Инструментс Инкорпорейтед . Февраль 2016 г. [июнь 2011 г.]. Номер литературы: SLLU149E. Архивировано (PDF) из оригинала 06 мая 2021 г. Проверено 25 февраля 2022 г. (45 страниц)

[Altium_2020-8] «Упрощение маршрутизации за счет замены выводов, деталей и дифференциальных пар» . Белые книги . Альтиум. 27 октября 2020 г. [10 февраля 2017 г.]. Архивировано из оригинала 14 июня 2021 г. Проверено 25 февраля 2022 г.

[Microchip_2020-9] «Можно ли поменять пары трансформаторов Ethernet» . Знание. Микрочиповая технология . 03.03.2020. Архивировано из оригинала 9 августа 2020 г. Проверено 25 февраля 2022 г.

[Micrel_2005-10] «Физический уровень Ethernet нового поколения с LinkMD» (PDF) . Сан-Хосе, Калифорния, США: Micrel Incorporated / Microchip Technology . Июнь 2005 г. Примечание по заявке 127, KS8001, M9999-060105, (408) 955-1690 . Проверено 25 февраля 2022 г. (5 страниц)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]