信号伝送は、携帯電話、テレビ、インターネットなど、私たちの日常生活で非常に一般的です。

シングルエンド信号伝送は、私たちが最もよく使用する信号伝送の一種です。

シングルエンド信号とは、1本の信号線のみを使用して伝送される信号を指します。1本の導体を通して信号を送信し、シングルエンドオーディオやビデオ信号で最も一般的に使用されます。たとえば、ヘッドフォンはシングルエンド信号を受信するデバイスです。シングルエンド信号では、信号は基準レベルまたはグラウンドを基準とした電圧または電流を使用してエンコードおよび伝送されます。たとえば、グラウンドレベルより高い電圧は論理「1」を表し、グラウンドレベルより低い電圧は論理「0」を表すことがあります。これはシングルエンド信号伝送です。シンプルですが、干渉を受けやすいです。

騒がしい環境で電話をかけているとします。周囲のノイズが通話に干渉し、相手にあなたの声がはっきりと聞こえにくくなります。これは、シングルエンド信号伝送が干渉を受けやすいのと似ています。ただし、信号伝送における干渉は電磁干渉（EMI）です。この問題を解決するにはどうすればよいでしょうか？答えは、差動信号伝送を使用することです。

差動信号は、2本のワイヤを介して同時に2つの信号を送信することを特徴とする信号伝送技術です。これらの2つの信号は同じ振幅を持ちますが、位相が逆です。これらが差動信号です。では、このアプローチの利点は何でしょうか？以下の図を参照してください。

1. 「送信側」（送信端）は、回線経由で信号を送信する際に2本のワイヤを使用します。下のワイヤは元の信号を送信し、上のワイヤは反転信号を送信します。
2. 伝送中に、ノイズ信号（「ノイズ」）が発生し、上部と下部の両方のワイヤの信号に重ね合わされます。ご覧のとおり、両方のワイヤの信号は同じ変動を示しています。
3. 「受信側」（受信端）は、これらの2つの信号間の電圧差を比較することにより、送信側が論理0または論理1を送信したかどうかを判断します。（デジタル通信では、情報はバイナリ形式、つまり0と1の組み合わせを使用してさまざまな記号またはデータを表し、送信されます。）

• 強力な耐干渉性: 干渉ノイズは一般的に、2本の差動信号ワイヤに均等かつ同時に適用されますが、受信側はこれらの2本のワイヤ間の信号差のみを気にします。したがって、ノイズは信号の論理的な意味に影響を与えず、完全なノイズキャンセリングを実現します。

  実用的なアプリケーション: 高速データ伝送では、差動信号は外部電磁干渉によって引き起こされる信号歪みを効果的に低減し、データの精度と完全性を確保できます。

• 電磁干渉（EMI）の有効な抑制: 2本の差動信号ワイヤは互いに近接して配置され、同じ信号振幅を持っているため、各ワイヤとグラウンド間の結合電磁界も同じ振幅を持ちます。同時に、信号の極性が逆であるため、電磁界は互いに打ち消し合います。したがって、差動信号は外部への電磁干渉を少なくします。

  実用的なアプリケーション: 差動信号は、通信および信号処理システム、特に電磁放射と干渉を低減する必要があるシナリオ（自動車エレクトロニクスや航空宇宙分野など）で広く使用されています。

• 正確なタイミング位置決め: 差動信号の受信側は、2本のワイヤ間の振幅差が正から負（またはその逆）に変化する点で論理0/1の遷移を判断します。この方法は、シングルエンド信号（しきい値電圧の判断に依存）よりも正確であり、しきい値電圧と信号振幅電圧の比率の影響を受けにくいためです。したがって、低振幅信号に適しています。

  実用的なアプリケーション: 高速データ伝送および精密測定では、差動信号の正確なタイミング位置決めにより、データの同期と正確な処理が保証され、システムのパフォーマンスと安定性が向上します。

1. シングルエンド信号と比較して、差動信号は同じ情報を伝送するために2本の信号線が必要です。これは、同じ量のデータを伝送する場合、差動信号はより多くの信号線を必要とし、回路接続の数とPCB（プリント基板）領域の需要が増加することを意味します。
2. 差動トレースは、同じ長さ、同じ幅、近接しており、同じ層に配置された2本のワイヤでなければなりません。
3. コモンモード信号生成のリスク：差動信号の設計が不適切な場合、コモンモード信号が信号線に生成される可能性があります。コモンモード信号は、EMIの問題を増加させるだけでなく、差動信号の伝送品質にも影響を与える可能性があります。

差動信号は、高品質の信号伝送と耐干渉能力を必要とするさまざまなシナリオで広く使用されています。以下は、主なアプリケーション分野の一部です。

• ケーブル伝送: たとえば、USB（Universal Serial Bus）、HDMI（High-Definition Multimedia Interface）、Ethernet（ネットワークケーブルに使用）などの一般的なケーブルはすべて差動信号を使用しています。これにより、より優れた信号品質とより強力な耐干渉能力が実現します。
• オーディオ機器: 差動信号は、プロフェッショナルオーディオ機器の信号伝送に広く使用されており、ノイズを低減し、音質を向上させることができます。
• データ通信: 高速データ通信（サーバーやネットワークデバイスなど）では、差動信号は、エラー率を低減しながら、より高いデータ伝送速度を提供できます。
• 医療機器: 心電図（ECG）や脳波計（EEG）など、高い精度と高い信号対雑音比を必要とする一部の医療機器でも、差動信号が広く使用されています。
• 産業用制御システム: 電磁干渉が強い産業環境では、差動信号は、センサーとコントローラー間の通信によく使用され、システムの信頼性と安定性を向上させます。

これらは差動信号の主なアプリケーション分野ですが、これらに限定されません。差動信号は、高品質の信号伝送と耐干渉能力を必要とするあらゆるシナリオで使用できます。

要約すると、差動信号は非常に効果的な信号伝送方法です。強力な耐干渉能力があり、電磁干渉を効果的に抑制し、正確なタイミング位置決めを提供します。配線には特定の制限がありますが、これは多くの分野での幅広いアプリケーションに影響を与えません。