تعتبر إرسال الإشارات أمرًا شائعًا جدًا في حياتنا اليومية، كما هو الحال في الهواتف المحمولة وأجهزة التلفزيون والإنترنت.

إرسال الإشارات أحادي الطرف هو نوع من إرسال الإشارات نستخدمه في معظم الأوقات.

تشير الإشارة أحادية الطرف إلى إشارة يتم إرسالها باستخدام خط إشارة واحد فقط. يرسل الإشارة من خلال موصل واحد ويستخدم بشكل شائع في الإشارات الصوتية والمرئية أحادية الطرف - على سبيل المثال، تعد سماعات الرأس أجهزة تستقبل إشارات أحادية الطرف. في الإشارة أحادية الطرف، يتم ترميز الإشارة وإرسالها باستخدام الجهد أو التيار بالنسبة إلى مستوى مرجعي أو أرضي. على سبيل المثال، قد يمثل الجهد الأعلى من المستوى الأرضي المنطق "1"، بينما قد يمثل الجهد الأقل من المستوى الأرضي المنطق "0". هذا هو إرسال الإشارات أحادي الطرف: بسيط، ولكنه عرضة للغاية للتداخل.

لنفترض أنك تجري مكالمة في بيئة صاخبة. سيتداخل الضجيج المحيط بمكالمتك، مما يجعل من الصعب على الشخص الآخر سماعك بوضوح. هذا مشابه لكيفية تعرض إرسال الإشارات أحادي الطرف للتداخل، إلا أن التداخل في إرسال الإشارات هو التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). كيف تحل هذه المشكلة؟ الجواب هو استخدام إرسال الإشارات التفاضلية.

الإشارات التفاضلية هي تقنية إرسال إشارات تتميز بإرسال إشارتين في وقت واحد عبر سلكين. هاتان الإشارتان لهما نفس السعة ولكن طوران متعاكسان - وهما الإشارات التفاضلية. إذن، ما هي فوائد هذا النهج؟ يرجى الرجوع إلى الرسم التخطيطي أدناه:

1. يستخدم "المرسل" (نهاية الإرسال) سلكين لإرسال الإشارات عند إرسال الإشارات عبر الخط: يرسل السلك السفلي الإشارة الأصلية، بينما يرسل السلك العلوي الإشارة المعكوسة.
2. أثناء الإرسال، تحدث إشارة ضوضاء ("ضوضاء") وتتراكب على إشارات كل من الأسلاك العلوية والسفلية. كما يتضح، تظهر الإشارات في كلا السلكين نفس التقلب.
3. يحدد "المستقبل" (نهاية الاستقبال) ما إذا كان المرسل قد أرسل المنطق 0 أو المنطق 1 من خلال مقارنة فرق الجهد بين هاتين الإشارتين. (في الاتصالات الرقمية، يتم تمثيل المعلومات وإرسالها في شكل ثنائي، أي باستخدام مجموعات من 0 و 1 لتمثيل رموز أو بيانات مختلفة.)

• قدرة قوية على مقاومة التداخل: يتم تطبيق ضوضاء التداخل بشكل عام على سلكي الإشارة التفاضلية في وقت واحد، لكن المستقبل يهتم فقط باختلاف الإشارة بين هذين السلكين. لذلك، ليس للضوضاء أي تأثير على المعنى المنطقي للإشارة، مما يحقق إلغاء الضوضاء الكامل.

  التطبيق العملي: في نقل البيانات عالي السرعة، يمكن للإشارات التفاضلية أن تقلل بشكل فعال من تشوه الإشارة الناتج عن التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي، مما يضمن دقة البيانات وسلامتها.

• القمع الفعال للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI): نظرًا لأن سلكي الإشارة التفاضلية يوضعان بالقرب من بعضهما البعض ولهما سعات إشارة متساوية، فإن المجالات الكهرومغناطيسية المقترنة بين كل سلك والأرض لها أيضًا سعات متساوية. في الوقت نفسه، تكون قطبيات الإشارة الخاصة بهم متعاكسة، لذا فإن مجالاتهم الكهرومغناطيسية تلغي بعضها البعض. وبالتالي، تتسبب الإشارات التفاضلية في تداخل كهرومغناطيسي أقل للعالم الخارجي.

  التطبيق العملي: تستخدم الإشارات التفاضلية على نطاق واسع في أنظمة الاتصالات ومعالجة الإشارات، خاصة في السيناريوهات التي تحتاج فيها إلى تقليل الإشعاع الكهرومغناطيسي والتداخل - كما هو الحال في إلكترونيات السيارات والمجالات الفضائية.

• تحديد التوقيت الدقيق: يحكم مستقبل الإشارات التفاضلية انتقال المنطق 0/1 بناءً على النقطة التي يتغير فيها فرق السعة بين السلكين من موجب إلى سالب (أو العكس). هذه الطريقة أكثر دقة من الإشارات أحادية الطرف (التي تعتمد على حكم جهد العتبة)، لأنها أقل تأثرًا بنسبة جهد العتبة إلى جهد سعة الإشارة. لذلك فهي أكثر ملاءمة للإشارات منخفضة السعة.

  التطبيق العملي: في نقل البيانات عالي السرعة والقياس الدقيق، يضمن تحديد التوقيت الدقيق للإشارات التفاضلية تزامن البيانات والمعالجة الدقيقة، مما يحسن أداء النظام واستقراره.

1. بالمقارنة مع الإشارات أحادية الطرف، تتطلب الإشارات التفاضلية سلكي إشارة لإرسال نفس المعلومات. هذا يعني أنه عند إرسال نفس كمية البيانات، تحتاج الإشارات التفاضلية إلى المزيد من أسلاك الإشارات، مما يزيد من عدد توصيلات الدوائر والطلب على منطقة PCB (لوحة الدوائر المطبوعة).
2. يجب أن تكون آثار التفاضلية سلكين متساويين في الطول والعرض والقرب، وتقع على نفس الطبقة.
3. خطر توليد إشارة الوضع المشترك: إذا كان تصميم الإشارة التفاضلية غير صحيح، فقد يتم إنشاء إشارات الوضع المشترك على أسلاك الإشارة. لا تؤدي إشارات الوضع المشترك إلى زيادة مشكلات EMI فحسب، بل قد تؤثر أيضًا على جودة إرسال الإشارات التفاضلية.

تستخدم الإشارات التفاضلية على نطاق واسع في سيناريوهات مختلفة تتطلب إرسال إشارات عالية الجودة وقدرات مضادة للتداخل. فيما يلي بعض مجالات التطبيق الرئيسية:

• إرسال الكابلات: على سبيل المثال، تستخدم الكابلات الشائعة مثل USB (الناقل التسلسلي العام) وHDMI (واجهة الوسائط المتعددة عالية الدقة) وEthernet (المستخدمة لكابلات الشبكة) جميعها إشارات تفاضلية. يتيح ذلك جودة إشارة أفضل وقدرات أقوى لمكافحة التداخل.
• معدات الصوت: تستخدم الإشارات التفاضلية على نطاق واسع في إرسال الإشارات لمعدات الصوت الاحترافية، لأنها يمكن أن تقلل الضوضاء وتحسين جودة الصوت.
• اتصال البيانات: في اتصالات البيانات عالية السرعة (على سبيل المثال، في الخوادم وأجهزة الشبكات)، يمكن للإشارات التفاضلية توفير معدلات نقل بيانات أعلى مع تقليل معدلات الخطأ.
• المعدات الطبية: في بعض الأجهزة الطبية التي تتطلب دقة عالية ونسبة إشارة إلى ضوضاء عالية - مثل مخططات كهربية القلب (ECGs) ومخططات كهربية الدماغ (EEGs) - تستخدم الإشارات التفاضلية أيضًا على نطاق واسع.
• أنظمة التحكم الصناعية: في البيئات الصناعية، حيث يكون التداخل الكهرومغناطيسي قويًا، غالبًا ما تستخدم الإشارات التفاضلية للاتصال بين المستشعرات وأجهزة التحكم لتحسين موثوقية النظام واستقراره.

هذه هي مجالات التطبيق الرئيسية للإشارات التفاضلية، لكنها لا تقتصر عليها. يمكن استخدام الإشارات التفاضلية في أي سيناريو يتطلب إرسال إشارات عالية الجودة وقدرات مضادة للتداخل.

باختصار، الإشارات التفاضلية هي طريقة فعالة للغاية لإرسال الإشارات. لديها قدرات قوية لمكافحة التداخل، ويمكنها قمع التداخل الكهرومغناطيسي بشكل فعال، وتوفر تحديد توقيت دقيق. على الرغم من أنها تحتوي على قيود معينة في الأسلاك، إلا أن هذا لا يؤثر على تطبيقها الواسع في العديد من المجالات.