Signalübertragung ist in unserem täglichen Leben sehr verbreitet, beispielsweise in Mobiltelefonen, Fernsehgeräten und dem Internet.

Die Single-Ended-Signalübertragung ist eine Art der Signalübertragung, die wir am häufigsten verwenden.

Ein Single-Ended-Signal bezieht sich auf ein Signal, das nur über eine Signalleitung übertragen wird. Es sendet das Signal über einen einzigen Leiter und wird am häufigsten bei Single-Ended-Audio- und -Videosignalen verwendet – beispielsweise sind Kopfhörer Geräte, die Single-Ended-Signale empfangen. Bei einem Single-Ended-Signal wird das Signal unter Verwendung von Spannung oder Strom relativ zu einem Referenzpegel oder Masse codiert und übertragen. Beispielsweise kann eine Spannung, die höher als der Massepegel ist, die Logik "1" darstellen, während eine Spannung, die niedriger als der Massepegel ist, die Logik "0" darstellen kann. Dies ist die Single-Ended-Signalübertragung: einfach, aber sehr anfällig für Störungen.

Angenommen, Sie telefonieren in einer lauten Umgebung. Der Umgebungslärm stört Ihr Gespräch und erschwert es der anderen Person, Sie klar zu verstehen. Dies ähnelt der Anfälligkeit der Single-Ended-Signalübertragung für Störungen, mit dem Unterschied, dass die Störung bei der Signalübertragung elektromagnetische Interferenz (EMI) ist. Wie lässt sich dieses Problem lösen? Die Antwort ist die Verwendung der differentiellen Signalübertragung.

Die differentielle Signalisierung ist eine Signalübertragungstechnologie, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei Signale gleichzeitig über zwei Drähte übertragen werden. Diese beiden Signale haben die gleiche Amplitude, aber entgegengesetzte Phasen – und sie sind die differentiellen Signale. Was sind also die Vorteile dieses Ansatzes? Bitte beachten Sie das Diagramm unten:

1. Der "Sender" (Sendeseite) verwendet zwei Drähte, um Signale zu übertragen, wenn er Signale über die Leitung sendet: Der untere Draht überträgt das Originalsignal, während der obere Draht das invertierte Signal überträgt.
2. Während der Übertragung tritt ein Rauschsignal ("Rauschen") auf und überlagert sich den Signalen sowohl des oberen als auch des unteren Drahtes. Wie zu sehen ist, weisen die Signale in beiden Drähten die gleiche Schwankung auf.
3. Der "Empfänger" (Empfangsseite) bestimmt, ob der Sender die Logik 0 oder die Logik 1 gesendet hat, indem er die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Signalen vergleicht. (In der digitalen Kommunikation werden Informationen in binärer Form dargestellt und übertragen, d. h. unter Verwendung von Kombinationen aus 0en und 1en, um verschiedene Symbole oder Daten darzustellen.)

• Starke Störfestigkeit: Störgeräusche werden im Allgemeinen gleichmäßig und gleichzeitig auf die beiden differentiellen Signaldrähte angewendet, aber der Empfänger beachtet nur die Signaldifferenz zwischen diesen beiden Drähten. Daher hat das Rauschen keinen Einfluss auf die logische Bedeutung des Signals, wodurch eine vollständige Rauschunterdrückung erreicht wird.

  Praktische Anwendung: Bei der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung können differentielle Signale Signalverzerrungen, die durch externe elektromagnetische Störungen verursacht werden, effektiv reduzieren und so die Datenrichtigkeit und -integrität gewährleisten.

• Effektive Unterdrückung elektromagnetischer Interferenz (EMI): Da die beiden differentiellen Signaldrähte eng beieinander liegen und gleiche Signalamplituden aufweisen, haben die gekoppelten elektromagnetischen Felder zwischen jedem Draht und der Masse ebenfalls gleiche Amplituden. Gleichzeitig sind ihre Signalpolaritäten entgegengesetzt, so dass sich ihre elektromagnetischen Felder gegenseitig aufheben. Daher verursachen differentielle Signale weniger elektromagnetische Störungen für die Außenwelt.

  Praktische Anwendung: Differentielle Signale werden häufig in Kommunikations- und Signalverarbeitungssystemen verwendet, insbesondere in Szenarien, in denen elektromagnetische Strahlung und Störungen reduziert werden müssen – beispielsweise in der Automobilelektronik und in der Luft- und Raumfahrt.

• Genaue Zeitpositionierung: Der Empfänger differentieller Signale beurteilt den Logik-0/1-Übergang basierend auf dem Punkt, an dem sich die Amplitudendifferenz zwischen den beiden Drähten von positiv nach negativ (oder umgekehrt) ändert. Diese Methode ist genauer als Single-Ended-Signale (die sich auf die Schwellenspannungsbeurteilung verlassen), da sie weniger vom Verhältnis der Schwellenspannung zur Signalamplitudenspannung beeinflusst wird. Sie ist daher besser für Signale mit geringer Amplitude geeignet.

  Praktische Anwendung: Bei der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und Präzisionsmessung gewährleistet die genaue Zeitpositionierung differentieller Signale die Datensynchronisation und -verarbeitung und verbessert so die Systemleistung und -stabilität.

1. Im Vergleich zu Single-Ended-Signalen benötigen differentielle Signale zwei Signaldrähte, um die gleichen Informationen zu übertragen. Dies bedeutet, dass differentielle Signale bei der Übertragung der gleichen Datenmenge mehr Signaldrähte benötigen, was die Anzahl der Schaltungsanschlüsse und den Bedarf an Leiterplattenfläche (PCB) erhöht.
2. Differentielle Leiterbahnen müssen zwei Drähte gleicher Länge, gleicher Breite, in unmittelbarer Nähe und auf derselben Ebene sein.
3. Risiko der Erzeugung von Gleichtaktsignalen: Wenn das differentielle Signaldesign unsachgemäß ist, können Gleichtaktsignale auf den Signaldrähten erzeugt werden. Gleichtaktsignale erhöhen nicht nur die EMI-Probleme, sondern können auch die Übertragungsqualität differentieller Signale beeinträchtigen.

Differentielle Signale werden in verschiedenen Szenarien eingesetzt, die eine hochwertige Signalübertragung und Störfestigkeit erfordern. Im Folgenden sind einige Hauptanwendungsbereiche aufgeführt:

• Kabelübertragung: Beispielsweise verwenden gängige Kabel wie USB (Universal Serial Bus), HDMI (High-Definition Multimedia Interface) und Ethernet (für Netzwerkkabel) alle differentielle Signale. Dies ermöglicht eine bessere Signalqualität und eine stärkere Störfestigkeit.
• Audiogeräte: Differentielle Signale werden häufig in der Signalübertragung für professionelle Audiogeräte verwendet, da sie Rauschen reduzieren und die Audioqualität verbessern können.
• Datenkommunikation: In der Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation (z. B. in Servern und Netzwerkgeräten) können differentielle Signale höhere Datenübertragungsraten bieten und gleichzeitig die Fehlerraten senken.
• Medizinische Geräte: In einigen medizinischen Geräten, die hohe Präzision und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erfordern – wie beispielsweise Elektrokardiographen (EKGs) und Elektroenzephalographen (EEGs) – werden differentielle Signale ebenfalls häufig verwendet.
• Industrielle Steuerungssysteme: In industriellen Umgebungen, in denen elektromagnetische Störungen stark sind, werden differentielle Signale häufig für die Kommunikation zwischen Sensoren und Controllern verwendet, um die Systemzuverlässigkeit und -stabilität zu verbessern.

Dies sind die Hauptanwendungsbereiche differentieller Signale, aber sie sind nicht darauf beschränkt. Differentielle Signale können in jedem Szenario verwendet werden, das eine hochwertige Signalübertragung und Störfestigkeit erfordert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die differentielle Signalisierung eine hochwirksame Signalübertragungsmethode ist. Sie verfügt über eine starke Störfestigkeit, kann elektromagnetische Störungen effektiv unterdrücken und bietet eine genaue Zeitpositionierung. Obwohl sie gewisse Einschränkungen bei der Verkabelung aufweist, beeinträchtigt dies nicht ihre breite Anwendung in vielen Bereichen.