Diferenciální signalizace - Differential signalling

Signál přenášený diferencovaně. Všimněte si zvýšené amplitudy na přijímacím konci.

Diferenciální signalizace je metoda pro elektrický přenos informací pomocí dvou komplementárních signálů . Tato technika vysílá stejný elektrický signál jako diferenciální pár signálů, každý ve svém vlastním vodiči. Dvojicí vodičů mohou být vodiče v krouceném páru nebo plochý kabel nebo stopy na desce s plošnými spoji .

Elektricky oba vodiče nesou napěťové signály stejné velikosti, ale s opačnou polaritou. Přijímací obvod reaguje na rozdíl mezi těmito dvěma signály, což má za následek signál s dvakrát větší velikostí. Jakékoli signály vyzařované vodiči mají tendenci se rušit, což má za následek snížení emisí, které by mohly ovlivnit blízké obvody.

Symetrické signály diferenciální signalizace jsou často označovány jako „vyvážené“, ale tento termín by měl být vyhrazen pro vyvážené obvody a linky, které při napájení do diferenciálního přijímače odmítají rušení ve společném režimu. Diferenciální signalizace nevytváří vyváženou linku ani potlačení šumu ve vyvážených obvodech nevyžaduje diferenciální signalizaci.

Diferenciální signalizace má být v kontrastu k signalizaci na jednom konci, která řídí signál pouze jedním vodičem, zatímco druhý je připojen k pevnému referenčnímu napětí.

Výhody

Na rozdíl od všeobecného přesvědčení diferenciální signalizace neovlivňuje potlačení hluku. Vyvážené linky s diferenciálními přijímači budou odmítat šum bez ohledu na to, zda je signál diferenciální nebo jednostranný, ale protože vyvážené potlačení šumu linky vyžaduje stejně diferenciální přijímač, na vyvážených linkách se často používá diferenciální signalizace. Mezi výhody diferenciální signalizace patří:

• Elektromagnetické pole kolem diferenciální linky je v ideálním případě nulové, což snižuje přeslechy do sousedních kabelů, užitečné pro telefonní páry.
• Ačkoli úroveň signálu by nebyla změněna kvůli standardizaci nominální úrovně , maximální výkon z diferenciálních budičů je dvakrát větší, což poskytuje 6 dB navíc světlou výšku .
• Zvýšení kapacity kabelu při dlouhých kabelových trasách snižuje úroveň signálu, při které jsou zeslabeny vysoké frekvence. Pokud každý vodič nese polovinu kolísání signálního napětí jako u plně diferenciálních výstupů, lze použít delší kabelové trasy bez ztráty vysokých frekvencí.
• Hluk, který koreluje mezi dvěma zesilovači (například z nedokonalého odmítnutí napájení ), by byl zrušen. Korelovaný šum by se na lince objevil jako napětí běžného režimu, které by diferenciální přijímač snadno odmítl.
• Při vyšších frekvencích se výstupní impedance výstupního zesilovače může měnit, což má za následek malou nerovnováhu. Když jsou v diferenciálním režimu poháněny dvěma identickými zesilovači, bude tato změna impedance stejná pro obě linky, a tedy zrušena.

Diferenciální signalizace funguje jak pro analogovou signalizaci, jako u vyváženého zvuku , tak pro digitální signalizaci, jako u RS-422 , RS-485 , ethernet přes kroucenou dvojlinku , PCI Express , DisplayPort , HDMI a USB .

Vhodnost pro použití s ​​nízkonapěťovou elektronikou

Diferenciální zesilovače reagují na diferenciální signály zesílením rozdílu mezi napětími na dvou vstupech zesilovače.

Elektronický průmysl, zejména v přenosných a mobilních zařízeních, se neustále snaží snižovat napájecí napětí, aby šetřil energii. Nízké napájecí napětí však snižuje odolnost proti rušení. Diferenciální signalizace pomáhá tyto problémy omezit, protože pro dané napájecí napětí poskytuje dvojnásobnou odolnost proti rušení systému s jedním koncem.

Chcete-li zjistit proč, zvažte digitální systém s jedním koncem s napájecím napětím . Vysoká logická úroveň je a nízká logická úroveň je 0 V. Rozdíl mezi těmito dvěma úrovněmi tedy je . Nyní zvažte diferenciální systém se stejným napájecím napětím. Rozdíl napětí ve vysokém stavu, kde jeden vodič je na a druhý na 0 V, je . Rozdíl napětí v nízkém stavu, kde dochází k výměně napětí na vodičích, je . Rozdíl mezi vysokou a nízkou logickou úrovní tedy je . To je dvojnásobek rozdílu systému s jedním koncem. Je-li napěťový šum na jednom vodiči nekorelovaný se šumem na druhém vodiči, vyžaduje dvakrát větší šum, než způsobí chybu v diferenciálním systému než v systému s jedním koncem. Jinými slovy, diferenciální signalizace zdvojnásobuje odolnost proti rušení. ${\ 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} \,}$

Porovnání se signalizací s jedním koncem

Při signalizaci na jednom konci vysílač generuje jediné napětí, které přijímač porovnává s pevným referenčním napětím, obojí ve vztahu ke společnému zemnímu spojení sdílenému na obou koncích. V mnoha případech nejsou návrhy s jedním koncem proveditelné. Další obtíž je elektromagnetické rušení, které může být generováno jednostranným signalizačním systémem, který se pokouší pracovat vysokou rychlostí.

Vztah k vyváženým rozhraním

Při přenosu signálů rozdílně mezi dvěma kusy zařízení je běžné to provádět prostřednictvím vyváženého rozhraní. Rozhraní je subsystém obsahuje tři části: ovladač, linie, a přijímač. Tyto tři komponenty dokončují plný obvod pro přenos signálu a impedance tohoto obvodu určuje, zda je rozhraní jako celek vyvážené nebo ne: „Vyvážený obvod je dvouvodičový obvod, ve kterém oba vodiče a všechny obvody k nim připojené mají stejnou impedanci vůči zemi a všem ostatním vodičům. “ Vyvážená rozhraní byla vyvinuta jako schéma ochrany proti hluku. Teoreticky může odmítnout jakékoli rušení, pokud je v běžném režimu (napětí, která se objevují na obou vodičích).

Existuje velký zmatek v tom, co tvoří vyvážené rozhraní a jak to souvisí s diferenciální signalizací. Ve skutečnosti jde o dva zcela nezávislé koncepty: vyvážené rozhraní se týká odmítnutí šumu a rušení, zatímco diferenciální signalizace se týká světlé výšky a přeslechu. Vyvážení impedance obvodu neurčuje signály, které může přenášet, a naopak.

Zobecnění: souborová signalizace

Nevýhodou diferenciálního přenosu signálu je, že vyžaduje dvakrát tolik vodičů než přenos signálu na jednom konci. Souhrnná signalizace to vylepšuje používáním vodičů k přenosu diferenciálních signálů. Pro to je ekvivalentní k diferenciální signalizace. ${\ displaystyle n}$${\ Displaystyle n-1}$${\ displaystyle n = 2}$

Dvouvodičová souborová signalizace

Dvouvodičová signalizace souboru kóduje jeden signál pomocí dvou vodičů. Na straně kodéru pomocí matice generátoru

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

a vstupní vektor dává dva signály k přenosu. ${\ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2})}$${\ Displaystyle y = \ mathbf {G} \ cdot x}$

Na straně dekodéru pomocí řídicí matice ${\ Displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^{-1}}$

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

a vstupní vektor udává počáteční vektor . ${\ displaystyle y}$${\ Displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$

Pouze je však necitlivý na interference v běžném režimu, zatímco je vysoce citlivý na interference v běžném režimu. Odebráním z výpočtu získáte normální diferenciální signalizaci: ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle x_ {2}}$

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

Čtyřvodičová souborová signalizace

Čtyřvodičová signalizace souboru kóduje tři signály pomocí čtyř vodičů. Na straně kodéru pomocí matice generátoru

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

a vstupní vektor dává čtyři signály k přenosu. ${\ Displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2}, x_ {3}, x_ {4})}$${\ Displaystyle y = \ mathbf {G} \ cdot x}$

Na straně dekodéru pomocí řídicí matice ${\ Displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^{-1}}$

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

a vstupní vektor udává počáteční vektor . ${\ displaystyle y}$${\ Displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$

Nicméně , a nejsou citlivé na common-režim interferencí, přičemž je velmi citlivý na rušení common-mode. Odebráním z výpočtu získáme matice pro souborovou signalizaci pomocí čtyř vodičů k přenosu tří signálů odlišně. ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle x_ {3}}$${\ displaystyle x_ {4}}$${\ displaystyle x_ {4}}$

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

${\ displaystyle n}$-signalizace kabelového souboru

${\ displaystyle n}$-signalizace kabelového souboru kóduje signály pomocí vodičů. ${\ Displaystyle n-1}$${\ displaystyle n}$

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

Použití diferenciálních párů

Technika minimalizuje elektronický přeslechy a elektromagnetickému rušení , jak hluk emise a přijetí hluku, a lze dosáhnout konstantní nebo známý charakteristické impedance , což umožňuje přizpůsobení výkonu techniky důležité v vysokorychlostní signál přenosového vedení , nebo vysoce kvalitní dáno vedení a vyvážený obvod zvukové cestě signálu .

Diferenciální páry zahrnují:

• kroucené dvojlinky , stíněné i nestíněné
• techniky směrování diferenciálních párů mikropáskových a páskových linek na deskách plošných spojů

Diferenciální páry obecně přenášejí diferenciální nebo semi-diferenciální signály, jako jsou vysokorychlostní digitální sériová rozhraní včetně diferenciálního ECL LVDS , PECL , LVPECL , Hypertransport , ethernet přes kroucený pár , sériové digitální rozhraní , RS-422 , RS-485 , USB , sériové ATA , TMDS , FireWire a HDMI atd. Nebo také vysoce kvalitní a/nebo vysokofrekvenční analogové signály (např. Video signály , vyvážené zvukové signály atd.).

Příklady rychlosti přenosu dat

Datové rychlosti některých rozhraní implementovaných s diferenciálními páry zahrnují následující:

• Serial ATA - 1,5 Gbit/s
• Hypertransport - 1,6 Gbit/s
• Infiniband - 2,5 Gbit/s
• PCI Express - 2,5 Gbit/s
• Serial ATA Revision 2.0 - 2,4 Gbit/s
• XAUI - 3,125 Gbit/s
• Serial ATA Revision 3.0 - 6 Gbit/s
• PCI Express 2.0 - 5,0 Gbit/s na pruh
• 10 Gigabit Ethernet - 10 Gbit/s (čtyři diferenciální páry běžící po 2,5 Gbit/s)
• DDR SDRAM -3,2 Gbit/s (diferenciální záblesky se západkou dat na jednom konci)

Přenosové linky

Typ přenosové linky, která spojuje dvě zařízení (čipy, moduly), často určuje typ signalizace. Jednostranná signalizace se obvykle používá u koaxiálních kabelů , ve kterých jeden vodič zcela stíní druhý z okolí. Všechny obrazovky (nebo štíty) jsou sloučeny do jednoho kusu materiálu a tvoří společný základ. Diferenciální signalizace se však obvykle používá s vyváženým párem vodičů. U krátkých kabelů a nízkých frekvencí jsou tyto dvě metody ekvivalentní, takže s levnými kabely lze použít levné jednostranné obvody se společnou zemí. Jak se signalizační rychlosti zrychlují, vodiče se začínají chovat jako přenosové linky .

Použití v počítačích

Diferenciální signalizace se často používá v počítačích ke snížení elektromagnetického rušení , protože úplné stínění není možné u mikropásků a čipů v počítačích kvůli geometrickým omezením a skutečnosti, že stínění nefunguje na DC. Pokud stejnosměrné napájecí vedení a nízkonapěťové signální vedení sdílejí stejné uzemnění, napájecí proud vracející se zemí může v něm vyvolat značné napětí. Zem s nízkým odporem tento problém do jisté míry zmenšuje. Vyvážený pár mikropáskových linek je praktickým řešením, protože nepotřebuje další vrstvu PCB, jako to dělá pásková linka . Protože každý řádek způsobuje odpovídající obrazový proud v základní rovině, který je každopádně nutný pro napájení, vypadá dvojice jako čtyři řádky, a proto má kratší vzdálenost přeslechu než jednoduchý izolovaný pár. Ve skutečnosti se chová stejně jako kroucená dvojice. Nízký přeslech je důležitý, když je mnoho linek zabaleno do malého prostoru, jako na typickém PCB.

Diferenční signalizace vysokého napětí

Signalizace rozdílu vysokého napětí (HVD) používá signály vysokého napětí . V počítačové elektronice „vysoké napětí“ obvykle znamená 5 voltů nebo více.

Variace SCSI-1 zahrnovaly implementaci vysokonapěťového rozdílu (HVD), jejíž maximální délka kabelu byla mnohonásobně vyšší než u verze s jedním koncem. Zařízení SCSI například umožňuje maximální celkovou délku kabelu 25 metrů pomocí HVD, zatímco jednostranné SCSI umožňuje maximální délku kabelu 1,5 až 6 metrů v závislosti na rychlosti sběrnice. Verze SCSI LVD umožňují méně než 25 m délky kabelu ne kvůli nižšímu napětí, ale proto, že tyto standardy SCSI umožňují mnohem vyšší rychlosti než starší HVD SCSI.

Obecný termín vysokonapěťová diferenciální signalizace popisuje různé systémy. Nízkonapěťová diferenciální signalizace ( LVDS ) je na druhé straně specifický systém definovaný standardem TIA/EIA.

Viz také

• Zadní letadla
• Signalizace proudové smyčky
• Logika aktuálního režimu (CML)
• DDR SDRAM
• Diferenciální zesilovač
• Diferenciální TTL
• DisplayPort
• Humbucker
• Podélné napětí
• Integrita signálu
• signalizace na jednom konci
• Přechodově minimalizovaná diferenciální signalizace (TMDS)

Reference