La trasmissione del segnale è molto comune nella nostra vita quotidiana, come nei telefoni cellulari, nei televisori e in Internet.

La trasmissione del segnale single-ended è un tipo di trasmissione del segnale che utilizziamo la maggior parte delle volte.

Un segnale single-ended si riferisce a un segnale trasmesso utilizzando una sola linea di segnale. Invia il segnale attraverso un singolo conduttore ed è più comunemente utilizzato nei segnali audio e video single-ended: ad esempio, le cuffie sono dispositivi che ricevono segnali single-ended. In un segnale single-ended, il segnale è codificato e trasmesso utilizzando la tensione o la corrente rispetto a un livello di riferimento o alla massa. Ad esempio, una tensione superiore al livello di massa può rappresentare la logica "1", mentre una tensione inferiore al livello di massa può rappresentare la logica "0". Questa è la trasmissione del segnale single-ended: semplice, ma altamente suscettibile alle interferenze.

Supponiamo che tu stia facendo una chiamata in un ambiente rumoroso. Il rumore ambientale interferirà con la tua chiamata, rendendo difficile per l'altra persona sentirti chiaramente. Questo è simile a come la trasmissione del segnale single-ended è soggetta a interferenze, tranne per il fatto che l'interferenza nella trasmissione del segnale è l'interferenza elettromagnetica (EMI). Come risolvere questo problema? La risposta è utilizzare la trasmissione del segnale differenziale.

La segnalazione differenziale è una tecnologia di trasmissione del segnale caratterizzata dalla trasmissione simultanea di due segnali su due fili. Questi due segnali hanno la stessa ampiezza ma fasi opposte, e sono i segnali differenziali. Quindi, quali sono i vantaggi di questo approccio? Fare riferimento al diagramma sottostante:

1. Il "Mittente" (estremità di trasmissione) utilizza due fili per trasmettere i segnali quando invia segnali sulla linea: il filo inferiore trasmette il segnale originale, mentre il filo superiore trasmette il segnale invertito.
2. Durante la trasmissione, si verifica un segnale di rumore ("Rumore") che si sovrappone ai segnali di entrambi i fili superiore e inferiore. Come si può vedere, i segnali in entrambi i fili mostrano la stessa fluttuazione.
3. Il "Ricevitore" (estremità di ricezione) determina se il mittente ha trasmesso la logica 0 o la logica 1 confrontando la differenza di tensione tra questi due segnali. (Nella comunicazione digitale, le informazioni sono rappresentate e trasmesse in forma binaria, ovvero utilizzando combinazioni di 0 e 1 per rappresentare diversi simboli o dati.)

• Forte capacità anti-interferenza: Il rumore di interferenza viene generalmente applicato in modo uguale e simultaneo ai due fili del segnale differenziale, ma il ricevitore si preoccupa solo della differenza di segnale tra questi due fili. Pertanto, il rumore non ha alcun impatto sul significato logico del segnale, ottenendo una completa cancellazione del rumore.

  Applicazione pratica: Nella trasmissione dati ad alta velocità, i segnali differenziali possono ridurre efficacemente la distorsione del segnale causata da interferenze elettromagnetiche esterne, garantendo l'accuratezza e l'integrità dei dati.

• Efficace soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI): Poiché i due fili del segnale differenziale sono posizionati vicini e hanno ampiezze di segnale uguali, anche i campi elettromagnetici accoppiati tra ciascun filo e la massa hanno ampiezze uguali. Allo stesso tempo, le loro polarità del segnale sono opposte, quindi i loro campi elettromagnetici si annullano a vicenda. Pertanto, i segnali differenziali causano meno interferenze elettromagnetiche al mondo esterno.

  Applicazione pratica: I segnali differenziali sono ampiamente utilizzati nei sistemi di comunicazione ed elaborazione del segnale, in particolare in scenari in cui è necessario ridurre le radiazioni elettromagnetiche e le interferenze, come nell'elettronica automobilistica e nei settori aerospaziali.

• Posizionamento temporale accurato: Il ricevitore dei segnali differenziali giudica la transizione logica 0/1 in base al punto in cui la differenza di ampiezza tra i due fili passa da positiva a negativa (o viceversa). Questo metodo è più accurato dei segnali single-ended (che si basano sul giudizio della tensione di soglia), in quanto è meno influenzato dal rapporto tra la tensione di soglia e la tensione di ampiezza del segnale. È quindi più adatto per segnali a bassa ampiezza.

  Applicazione pratica: Nella trasmissione dati ad alta velocità e nella misurazione di precisione, l'accurato posizionamento temporale dei segnali differenziali garantisce la sincronizzazione dei dati e l'elaborazione accurata, migliorando le prestazioni e la stabilità del sistema.

1. Rispetto ai segnali single-ended, i segnali differenziali richiedono due fili di segnale per trasmettere le stesse informazioni. Ciò significa che quando si trasmette la stessa quantità di dati, i segnali differenziali necessitano di più fili di segnale, aumentando il numero di connessioni del circuito e la richiesta di area PCB (Printed Circuit Board).
2. Le tracce differenziali devono essere due fili con lunghezza uguale, larghezza uguale, vicinanza e situati sullo stesso strato.
3. Rischio di generazione di segnali di modo comune: se il progetto del segnale differenziale è improprio, potrebbero essere generati segnali di modo comune sui fili del segnale. I segnali di modo comune non solo aumentano i problemi di EMI, ma possono anche influire sulla qualità della trasmissione dei segnali differenziali.

I segnali differenziali sono ampiamente utilizzati in vari scenari che richiedono una trasmissione del segnale di alta qualità e capacità anti-interferenza. Di seguito sono riportati alcuni dei principali campi di applicazione:

• Trasmissione via cavo: Ad esempio, i cavi comuni come USB (Universal Serial Bus), HDMI (High-Definition Multimedia Interface) ed Ethernet (utilizzato per i cavi di rete) utilizzano tutti segnali differenziali. Ciò consente una migliore qualità del segnale e capacità anti-interferenza più forti.
• Apparecchiature audio: I segnali differenziali sono ampiamente utilizzati nella trasmissione del segnale per apparecchiature audio professionali, in quanto possono ridurre il rumore e migliorare la qualità audio.
• Comunicazione dati: Nella comunicazione dati ad alta velocità (ad esempio, in server e dispositivi di rete), i segnali differenziali possono fornire velocità di trasmissione dati più elevate riducendo al contempo i tassi di errore.
• Apparecchiature mediche: In alcuni dispositivi medici che richiedono alta precisione e un elevato rapporto segnale-rumore, come elettrocardiografi (ECG) ed elettroencefalografi (EEG), i segnali differenziali sono ampiamente utilizzati.
• Sistemi di controllo industriale: In ambienti industriali, dove le interferenze elettromagnetiche sono forti, i segnali differenziali vengono spesso utilizzati per la comunicazione tra sensori e controller per migliorare l'affidabilità e la stabilità del sistema.

Queste sono le principali aree di applicazione dei segnali differenziali, ma non si limitano a queste. I segnali differenziali possono essere utilizzati in qualsiasi scenario che richieda una trasmissione del segnale di alta qualità e capacità anti-interferenza.

In sintesi, la segnalazione differenziale è un metodo di trasmissione del segnale altamente efficace. Ha forti capacità anti-interferenza, può sopprimere efficacemente le interferenze elettromagnetiche e offre un posizionamento temporale accurato. Sebbene presenti alcune limitazioni nel cablaggio, ciò non influisce sulla sua ampia applicazione in molti campi.