Signaaloverdracht komt veel voor in ons dagelijks leven, zoals in mobiele telefoons, televisies en het internet.

Single-ended signaaloverdracht is een type signaaloverdracht dat we het vaakst gebruiken.

Een single-ended signaal verwijst naar een signaal dat wordt verzonden met slechts één signaallijn. Het stuurt het signaal via een enkele geleider en wordt het meest gebruikt in single-ended audio- en videosignalen - bijvoorbeeld, hoofdtelefoons zijn apparaten die single-ended signalen ontvangen. In een single-ended signaal wordt het signaal gecodeerd en verzonden met behulp van spanning of stroom ten opzichte van een referentieniveau of aarde. Een spanning die hoger is dan het aardniveau kan bijvoorbeeld logica "1" vertegenwoordigen, terwijl een spanning die lager is dan het aardniveau logica "0" kan vertegenwoordigen. Dit is single-ended signaaloverdracht: eenvoudig, maar zeer gevoelig voor interferentie.

Stel dat je een telefoongesprek voert in een lawaaierige omgeving. Het omgevingsgeluid zal je gesprek verstoren, waardoor de andere persoon je moeilijk duidelijk kan horen. Dit is vergelijkbaar met hoe single-ended signaaloverdracht gevoelig is voor interferentie, behalve dat de interferentie bij signaaloverdracht elektromagnetische interferentie (EMI) is. Hoe dit probleem op te lossen? Het antwoord is om differentiële signaaloverdracht te gebruiken.

Differentiële signalering is een signaaloverdrachtstechnologie die wordt gekenmerkt door het gelijktijdig verzenden van twee signalen via twee draden. Deze twee signalen hebben dezelfde amplitude maar tegengestelde fasen - en dat zijn de differentiële signalen. Dus, wat zijn de voordelen van deze aanpak? Raadpleeg de onderstaande afbeelding:

1. De "Zender" (verzendeinde) gebruikt twee draden om signalen te verzenden bij het verzenden van signalen over de lijn: de onderste draad verzendt het originele signaal, terwijl de bovenste draad het geïnverteerde signaal verzendt.
2. Tijdens de transmissie treedt een ruissignaal ("Ruis") op en wordt het over de signalen van zowel de bovenste als de onderste draden gelegd. Zoals te zien is, vertonen de signalen in beide draden dezelfde fluctuatie.
3. De "Ontvanger" (ontvangeinde) bepaalt of de zender logica 0 of logica 1 heeft verzonden door het spanningsverschil tussen deze twee signalen te vergelijken. (In digitale communicatie wordt informatie weergegeven en verzonden in binaire vorm, d.w.z. met behulp van combinaties van 0's en 1's om verschillende symbolen of gegevens weer te geven.)

• Sterke anti-interferentiecapaciteit: Interferentieruis wordt over het algemeen gelijk en gelijktijdig toegepast op de twee differentiële signaaldraden, maar de ontvanger let alleen op het signaalverschil tussen deze twee draden. Daarom heeft ruis geen invloed op de logische betekenis van het signaal, waardoor volledige ruisonderdrukking wordt bereikt.

  Praktische toepassing: Bij snelle gegevensoverdracht kunnen differentiële signalen signaalvervorming veroorzaakt door externe elektromagnetische interferentie effectief verminderen, waardoor de nauwkeurigheid en integriteit van de gegevens worden gewaarborgd.

• Effectieve onderdrukking van elektromagnetische interferentie (EMI): Omdat de twee differentiële signaaldraden dicht bij elkaar worden geplaatst en gelijke signaalamplitudes hebben, hebben de gekoppelde elektromagnetische velden tussen elke draad en de aarde ook gelijke amplitudes. Tegelijkertijd zijn hun signaalpolariteiten tegengesteld, dus hun elektromagnetische velden heffen elkaar op. Differentiële signalen veroorzaken dus minder elektromagnetische interferentie naar de buitenwereld.

  Praktische toepassing: Differentiële signalen worden veel gebruikt in communicatie- en signaalverwerkingssystemen, vooral in scenario's waar elektromagnetische straling en interferentie moeten worden verminderd - zoals in de auto-elektronica en de lucht- en ruimtevaart.

• Nauwkeurige timingpositionering: De ontvanger van differentiële signalen beoordeelt de logische 0/1-overgang op basis van het punt waar het amplitudverschil tussen de twee draden verandert van positief naar negatief (of omgekeerd). Deze methode is nauwkeuriger dan single-ended signalen (die afhankelijk zijn van drempelspanningsbeoordeling), omdat deze minder wordt beïnvloed door de verhouding van drempelspanning tot signaalamplitude. Het is daarom geschikter voor signalen met een lage amplitude.

  Praktische toepassing: Bij snelle gegevensoverdracht en precisie-meting zorgt de nauwkeurige timingpositionering van differentiële signalen voor datasynchronisatie en nauwkeurige verwerking, waardoor de systeemprestaties en -stabiliteit worden verbeterd.

1. In vergelijking met single-ended signalen vereisen differentiële signalen twee signaaldraden om dezelfde informatie te verzenden. Dit betekent dat bij het verzenden van dezelfde hoeveelheid gegevens differentiële signalen meer signaaldraden nodig hebben, waardoor het aantal circuitverbindingen en de behoefte aan PCB (Printed Circuit Board) -oppervlakte toeneemt.
2. Differentiële sporen moeten twee draden zijn met gelijke lengte, gelijke breedte, dicht bij elkaar en op dezelfde laag.
3. Risico op generatie van common-mode signalen: Als het differentiële signaalontwerp onjuist is, kunnen common-mode signalen worden gegenereerd op de signaaldraden. Common-mode signalen verhogen niet alleen EMI-problemen, maar kunnen ook de transmissiekwaliteit van differentiële signalen beïnvloeden.

Differentiële signalen worden veel gebruikt in verschillende scenario's die hoogwaardige signaaloverdracht en anti-interferentiecapaciteiten vereisen. Hieronder volgen enkele belangrijke toepassingsgebieden:

• Kabeloverdracht: Bijvoorbeeld, veelvoorkomende kabels zoals USB (Universal Serial Bus), HDMI (High-Definition Multimedia Interface) en Ethernet (gebruikt voor netwerkkabels) gebruiken allemaal differentiële signalen. Dit maakt een betere signaalkwaliteit en sterkere anti-interferentiecapaciteiten mogelijk.
• Audio-apparatuur: Differentiële signalen worden veel gebruikt in signaaloverdracht voor professionele audio-apparatuur, omdat ze ruis kunnen verminderen en de audiokwaliteit kunnen verbeteren.
• Gegevenscommunicatie: In snelle gegevenscommunicatie (bijv. in servers en netwerkapparaten) kunnen differentiële signalen hogere gegevensoverdrachtsnelheden bieden en tegelijkertijd het foutenpercentage verlagen.
• Medische apparatuur: In sommige medische apparaten die hoge precisie en een hoge signaal-ruisverhouding vereisen - zoals elektrocardiografen (ECG's) en elektro-encefalografen (EEG's) - worden differentiële signalen ook veel gebruikt.
• Industriële controlesystemen: In industriële omgevingen, waar elektromagnetische interferentie sterk is, worden differentiële signalen vaak gebruikt voor communicatie tussen sensoren en controllers om de betrouwbaarheid en stabiliteit van het systeem te verbeteren.

Dit zijn de belangrijkste toepassingsgebieden van differentiële signalen, maar ze zijn niet beperkt tot deze. Differentiële signalen kunnen worden gebruikt in elk scenario dat hoogwaardige signaaloverdracht en anti-interferentiecapaciteiten vereist.

Kortom, differentiële signalering is een zeer effectieve signaaloverdrachtsmethode. Het heeft sterke anti-interferentiecapaciteiten, kan elektromagnetische interferentie effectief onderdrukken en biedt nauwkeurige timingpositionering. Hoewel het bepaalde beperkingen heeft in de bedrading, heeft dit geen invloed op de brede toepassing ervan in veel gebieden.