Дифференциальная сигнализация

редактировать

Устранение шума с помощью 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 и в разъемах.

Содержание

1 Преимущества
- 1.1 Пригодность для использования с низковольтной электроникой
- 1.2 Устойчивость к электромагнитным помехам
2 Сравнение с несимметричной сигнализацией
3 Обобщение: ансамблевые сигналы
- 3.1 2-проводная групповая сигнализация (кодирование одного сигнала с использованием двух проводов)
- 3.2 4-проводная групповая сигнализация (кодирование трех сигналов с использованием четырех проводов)
- 3.3 n-проводная групповая сигнализация (кодирование n-1 сигналов с использованием n проводов)
4 Использует
- 4.1 Скорости передачи данных некоторых интерфейсов, реализованные с помощью дифференциальных пар
5 Линии передачи
6 Использование в компьютерах
7 Высоковольтная дифференциальная сигнализация
8 См. Также
9 Ссылки

Преимущества

При условии, что полное сопротивление источника и приемника в цепи одинаковое (оно сбалансировано ), внешние электромагнитные помехи имеют тенденцию воздействовать на оба проводника одинаково. Так как приемная схема определяет только разницу между проводами, этот метод противостоит электромагнитному шуму по сравнению с одним проводником 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 SNR, снижает EMI и делает сигнал более устойчивым к токам заземления или различиям.

Этот метод работает как для аналоговой сигнализации, как в сбалансированном аудио, так и для цифровой сигнализации, как в RS-422, RS-485, Ethernet по витой паре, PCI Express, DisplayPort, HDMI и USB.

В системе с дифференциальным приемником полезные сигналы добавляются, а шум вычитается.

Пригодность для использования с низковольтной электроникой

Электроника 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, потому что при заданном напряжении питания она обеспечивает в два раза большую помехозащищенность по сравнению с несимметричной системой.

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

Устойчивость к электромагнитным помехам

Это преимущество связано не напрямую с самой дифференциальной сигнализацией, а с обычной практикой передачи дифференциальных сигналов на сбалансированные линии. Несимметричные сигналы по-прежнему устойчивы к помехам, если линии сбалансированы и оконечены дифференциальным усилителем.

Сравнение с несимметричной передачей сигналов

В несимметричной передаче сигналов передатчик генерирует одно напряжение, которое приемник сравнивает с фиксированным опорным напряжением, оба относительно общего заземления, совместно используемого обоими заканчивается. Во многих случаях односторонние конструкции неосуществимы. Другая трудность - это электромагнитные помехи, которые могут быть вызваны несимметричной системой передачи сигналов, которая пытается работать на высокой скорости.

Обобщение: ансамблевые сигналы

Недостатком передачи дифференциального сигнала является то, что она требует вдвое больше проводов, чем несимметричная передача сигнала.

Ансамблевые сигналы улучшают это за счет использования n проводов для передачи n-1 дифференциальных сигналов. $n = 2 {\ displaystyle n = 2}$ $п = 2$ эквивалентно дифференциальной сигнализации.

2-проводная групповая сигнализация (кодирование одного сигнала с помощью двух проводов)

Кодировщик: с использованием матрицы генератора

G: = (+ 1 1 - 1 1) {\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} + 1 1 \\ - 1 1 \ end {pmatrix}}}

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

и входной вектор $x: = (x 1, x 2) {\ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2})}$ ${\ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2})}$ вы получите $y = G ⋅ x {\ displaystyle y = \ mathbf {G} \ cdot x}$ ${\ displaystyle y = \ mathbf {G} \ cdot x}$ , два сигнала для передачи.

Декодер: использование матрицы управления $H: = G - 1 {\ displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^ {- 1}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {H}: = \ mathbf {G} ^ {- 1}}$

H: = (+ 1/2 - 1/2 1/2 1/2 1/2) {\ displaystyle \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} + 1/2 -1/2 \\\; \; 1/2 \; \ ; 1/2 \ end {pmatrix}}}

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

и входной вектор $y {\ displaystyle y}$ $y$ вы получите свой начальный вектор $x: = H ⋅ y {\ displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$ ${\ displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$ .

Но: Только $x 1 {\ displaystyle x_ {1}}$ $x_ {1}$ нечувствителен к синфазным помехам, $x 2 {\ displaystyle x_ {2}}$ $x_ {2}$ очень чувствителен к синфазным помехам.

Удалив $x 2 {\ displaystyle x_ {2}}$ $x_ {2}$ из расчета вы получите нормальную дифференциальную сигнализацию:

G: = (+ 1-1) {\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} +1 \\ - 1 \ end {pmatrix}} \ ;}

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

H: = (+ 1/2 - 1/2) {\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} + 1/2 -1 / 2 \\\ end {pmatrix}}}

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

4-проводная ансамблевая сигнализация (кодирование трех сигналов с помощью четырех проводов)

Кодер: Использование генератора m atrix

G: = (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) {\ 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}}}

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

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

H: = (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) {\ 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}}}

{\ 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 и 3/4 и 3/4 и 3/4 \ end {pmatrix}}}

и вектор ввода $y {\ displaystyle y}$ $y$ вы получите свой начальный вектор $x: = H ⋅ y {\ displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$ ${\ displaystyle x: = \ mathbf {H} \ cdot y}$ .

Но: $x 1 {\ displaystyle x_ {1}}$ $x_ {1}$ , $x 2 {\ displaystyle x_ {2}}$ $x_ {2}$ и $x 3 {\ displaystyle x_ {3}}$ $x_ {3}$ нечувствителен к синфазным помехам, $x 4 {\ displaystyle x_ {4}}$ $x_ {4}$ очень чувствителен к синфазным помехам.

Удалив $x 4 { \ displaystyle x_ {4}}$ $x_ {4}$ из расчета вы получаете матрицы для ансамблевой передачи сигналов с использованием четырех проводов для дифференциальной передачи трех сигналов.

G: = (1 - 1/3 - 1/3 - 1/3 1 - 1/3 - 1/3 - 1/3 1 - 1/3 - 1/3 - 1/3) {\ 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}} \;}

{\ 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}} \;}

H: = (3/4 0 0 - 3/4 0 3/4 0 - 3/4 0 0 3 / 4–3 / 4) {\ 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 \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} 3/4 0 0 -3 / 4 \\ 0 3 / 4 0 -3 / 4 \\ 0 0 3/4 -3 / 4 \ end {pmatrix}}}

n-проводная ансамблевая сигнализация (кодирование n − 1 сигналов с использованием n проводов)

$G: = (1 ⋯ - 1 / (n - 1) ⋮ ⋱ ⋮ - 1 / (n - 1) ⋯ 1 - 1 / (n - 1) ⋯ - 1 / (n - 1)) {\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 \ cdots -1 / (n-1) \\\ vdots \ ddots \ vdots \\ - 1 / (n-1) \ cdots 1 \\ - 1 / (n-1) \ cdots -1 / (n-1) \ end { pmatrix}} \;}$ ${\ displaystyle \ mathbf {G}: = {\ begin {pmatrix} 1 \ cdots -1 / (n-1) \\\ vdots \ ddots \ vdots \\ - 1 / (n-1) \ cdots 1 \\ - 1 / (n-1) \ cdots -1 / ( п-1) \ end {pmatrix}} \;}$ и $H: = ((n - 1) / n ⋯ 0 - (n - 1) / n ⋮ ⋱ ⋮ - (n - 1) / n 0 ⋯ (n - 1) / n - (n - 1) / n) {\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} (n-1) / n \ cdots 0 - (n-1) / n \\\ vdots \ ddots \ vdots - (n-1) / n \\ 0 \ cdots (n-1) / n - (n-1) / n \ end {pmatrix}}}$ ${\ displaystyle \; \ mathbf {H}: = {\ begin {pmatrix} (n-1) / n \ cdots 0 - (n-1) / n \\\ vdots \ ddots \ vdots - (n-1) / n \\ 0 \ cdots (n-1) / n - (n-1) / n \ конец {pmatrix}}}$ .

Использует

Техн. ique минимизирует электронные перекрестные помехи и электромагнитные помехи, как излучение шума, так и прием шума, и может достигать постоянного или известного характеристического импеданса, что позволяет методы согласования импеданса, важные в высокоскоростной линии передачи сигнала или высококачественной симметричной линии и симметричной схеме тракта аудиосигнала.

Дифференциальные пары включают:

кабели с витой парой, экранированные и неэкранированные
микрополосковые и полосковые методы прокладки дифференциальных пар на печатные платы

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, Serial ATA, TMDS, FireWire и HDMI и т. д. или же высококачественные и / или высокочастотные аналоговые сигналы (например, видеосигналы, сбалансированные аудиосигналы и т. д.).

Скорости передачи данных некоторых интерфейсов, реализованные с помощью дифференциальных пар

Serial ATA 1,5 Гбит / с
Hypertransport 1,6 Гбит / с
Infiniband 2,5 Гбит / с
PCI Express 2,5 Гбит / с
Serial ATA, версия 2.0 2,4 Гбит / с
XAUI 3,125 Гбит / с
Serial ATA, версия 3.0 6 Гбит / с
PCI Express 2.0 5,0 Гбит / с на линию
10 Gigabit Ethernet 10 Гбит / с (4 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, которая соединяет 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 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, 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 имеют 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, так как 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 витая пара. Низкие перекрестные помехи важны, когда много линий размещено в небольшом пространстве, как на типичной печатной плате.

Высоковольтная дифференциальная сигнализация

Высоковольтная дифференциальная сигнализация (HVD) использует 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 несимметричного варианта. SCSI оборудование, 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 или LVDS - это особая система, определенная стандартом TIA / EIA.

См. Также

Ссылки