Дифференциальная сигнализация

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Дифференциальная сигнализация»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( январь 2021 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Устранение шума за счет использования дифференциальной сигнализации.

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 проводами (обычно скрученными вместе) или дорожками на печатной плате. Приемная цепь реагирует на электрическую разницу между двумя сигналами, а не на разницу между одиночным проводом и землей . Противоположный метод называется несимметричной сигнализацией .

Дифференциальные пары обычно встречаются на печатных платах , в витых парах и ленточных кабелях , а также в разъемах.

Преимущества [ править ]

При условии, что импедансы двух проводников в цепи равны (она сбалансирована ), внешние электромагнитные помехи имеют тенденцию воздействовать на оба проводника одинаково. Поскольку приемная цепь определяет только разницу между проводами, методика противостоит электромагнитному шуму по сравнению с одним проводом с несимметричным опорным сигналом (соединение с землей с низким сопротивлением).

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. Это улучшает соотношение сигнал / шум, снижает электромагнитные помехи и делает сигнал более устойчивым к токам заземления или разности сигналов. ^[1]

Этот метод 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 .

Пригодность для использования с низковольтной электроникой [ править ]

Электронная промышленность, особенно в портативных и мобильных устройствах, постоянно стремится снизить напряжение питания для экономии энергии. ^{[ необходима цитата ]} 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${\ 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} \,}$. 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 помехозащищенность. ^{[ необходима цитата ]}

Устойчивость к электромагнитным помехам [ править ]

Это преимущество связано не напрямую с самой дифференциальной сигнализацией, а с обычной практикой передачи дифференциальных сигналов по симметричным линиям . ^{[2] [3]} Несимметричные сигналы по-прежнему устойчивы к помехам, если линии сбалансированы и оконечены дифференциальным усилителем.

Сравнение с односторонней сигнализацией [ править ]

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. ^{[ необходима цитата ]}

Обобщение: ансамблевая сигнализация [ править ]

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 [ править ]

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}}$

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

Четырехпроводная ансамблевая сигнализация [ править ]

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

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

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

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

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

а входной вектор дает начальный вектор .${\displaystyle y}$${\displaystyle x:=\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}}$

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

${\displaystyle n}$-проводная ансамблевая сигнализация [ править ]

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

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

Использование дифференциальных пар [ править ]

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 через витую пару , последовательный цифровой интерфейс , RS-422 , RS-485 , USB , последовательный 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 [ править ]

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 [ править ]

Тип линии передачи, соединяющей два устройства (микросхемы, модули), определяет тип сигнализации. Несимметричная сигнализация 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. Дифференциальная сигнализация 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 [ править ]

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.делает. 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.

Высоковольтная дифференциальная сигнализация [ править ]

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.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]