Transmisja sygnału jest bardzo powszechna w naszym codziennym życiu, na przykład w telefonach komórkowych, telewizorach i internecie.

Transmisja sygnału jednokierunkowego to rodzaj transmisji sygnału, którego używamy najczęściej.

Sygnał jednokierunkowy odnosi się do sygnału transmitowanego za pomocą tylko jednej linii sygnałowej. Wysyła sygnał przez pojedynczy przewodnik i jest najczęściej używany w sygnałach audio i wideo jednokierunkowych - na przykład słuchawki to urządzenia, które odbierają sygnały jednokierunkowe. W sygnale jednokierunkowym sygnał jest kodowany i transmitowany za pomocą napięcia lub prądu w odniesieniu do poziomu odniesienia lub masy. Na przykład napięcie wyższe niż poziom masy może reprezentować logikę „1”, podczas gdy napięcie niższe niż poziom masy może reprezentować logikę „0”. To jest transmisja sygnału jednokierunkowego: prosta, ale bardzo podatna na zakłócenia.

Załóżmy, że dzwonisz w hałaśliwym otoczeniu. Otaczający hałas będzie zakłócał twoją rozmowę, utrudniając drugiej osobie wyraźne usłyszenie cię. Jest to podobne do tego, jak transmisja sygnału jednokierunkowego jest podatna na zakłócenia, z tym że zakłócenia w transmisji sygnału to zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Jak rozwiązać ten problem? Odpowiedzią jest użycie różnicowej transmisji sygnału.

Sygnalizacja różnicowa to technologia transmisji sygnału charakteryzująca się jednoczesną transmisją dwóch sygnałów za pomocą dwóch przewodów. Te dwa sygnały mają tę samą amplitudę, ale przeciwne fazy - i są to sygnały różnicowe. Jakie są korzyści z tego podejścia? Zapoznaj się z poniższym schematem:

1. „Nadajnik” (strona nadawcza) używa dwóch przewodów do przesyłania sygnałów podczas wysyłania sygnałów przez linię: dolny przewód przesyła oryginalny sygnał, podczas gdy górny przewód przesyła sygnał odwrócony.
2. Podczas transmisji występuje sygnał szumu („Szum”) i nakłada się na sygnały zarówno górnego, jak i dolnego przewodu. Jak widać, sygnały w obu przewodach wykazują te same wahania.
3. „Odbiornik” (strona odbiorcza) określa, czy nadajnik przesłał logikę 0 czy logikę 1, porównując różnicę napięcia między tymi dwoma sygnałami. (W komunikacji cyfrowej informacja jest reprezentowana i przesyłana w postaci binarnej, tj. za pomocą kombinacji 0 i 1 do reprezentowania różnych symboli lub danych.)

• Silna zdolność antyinterferencyjna: Szum zakłóceń jest generalnie stosowany równomiernie i jednocześnie do dwóch przewodów sygnału różnicowego, ale odbiornik dba tylko o różnicę sygnału między tymi dwoma przewodami. Dlatego szum nie ma wpływu na logiczne znaczenie sygnału, co pozwala na całkowite anulowanie szumu.

  Praktyczne zastosowanie: W szybkich transmisjach danych sygnały różnicowe mogą skutecznie redukować zniekształcenia sygnału spowodowane zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, zapewniając dokładność i integralność danych.

• Skuteczne tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI): Ponieważ dwa przewody sygnału różnicowego są umieszczone blisko siebie i mają równe amplitudy sygnału, sprzężone pola elektromagnetyczne między każdym przewodem a masą również mają równe amplitudy. Jednocześnie ich polaryzacje sygnału są przeciwne, więc ich pola elektromagnetyczne znoszą się wzajemnie. Zatem sygnały różnicowe powodują mniejsze zakłócenia elektromagnetyczne dla świata zewnętrznego.

  Praktyczne zastosowanie: Sygnały różnicowe są szeroko stosowane w systemach komunikacyjnych i przetwarzania sygnałów, szczególnie w scenariuszach, w których należy ograniczyć promieniowanie elektromagnetyczne i zakłócenia - na przykład w elektronice samochodowej i lotniczej.

• Dokładne pozycjonowanie czasowe: Odbiornik sygnałów różnicowych ocenia przejście logiki 0/1 na podstawie punktu, w którym różnica amplitudy między dwoma przewodami zmienia się z dodatniej na ujemną (lub odwrotnie). Metoda ta jest dokładniejsza niż sygnały jednokierunkowe (które opierają się na ocenie napięcia progowego), ponieważ jest mniej podatna na stosunek napięcia progowego do napięcia amplitudy sygnału. Dlatego jest bardziej odpowiednia dla sygnałów o małej amplitudzie.

  Praktyczne zastosowanie: W szybkich transmisjach danych i precyzyjnych pomiarach dokładne pozycjonowanie czasowe sygnałów różnicowych zapewnia synchronizację danych i dokładne przetwarzanie, poprawiając wydajność i stabilność systemu.

1. W porównaniu z sygnałami jednokierunkowymi, sygnały różnicowe wymagają dwóch przewodów sygnałowych do przesyłania tych samych informacji. Oznacza to, że podczas przesyłania tej samej ilości danych, sygnały różnicowe potrzebują więcej przewodów sygnałowych, zwiększając liczbę połączeń obwodów i zapotrzebowanie na obszar PCB (płytki drukowanej).
2. Ścieżki różnicowe muszą być dwoma przewodami o równej długości, równej szerokości, bliskim położeniu i znajdującymi się na tej samej warstwie.
3. Ryzyko generowania sygnału współbieżnego: Jeśli konstrukcja sygnału różnicowego jest nieprawidłowa, na przewodach sygnałowych mogą być generowane sygnały współbieżne. Sygnały współbieżne nie tylko zwiększają problemy z EMI, ale także mogą wpływać na jakość transmisji sygnałów różnicowych.

Sygnały różnicowe są szeroko stosowane w różnych scenariuszach, które wymagają wysokiej jakości transmisji sygnału i możliwości antyinterferencyjnych. Poniżej przedstawiono niektóre główne obszary zastosowań:

• Transmisja kablowa: Na przykład, powszechne kable, takie jak USB (Universal Serial Bus), HDMI (High-Definition Multimedia Interface) i Ethernet (używane do kabli sieciowych), wszystkie używają sygnałów różnicowych. Umożliwia to lepszą jakość sygnału i silniejsze możliwości antyinterferencyjne.
• Sprzęt audio: Sygnały różnicowe są szeroko stosowane w transmisji sygnału dla profesjonalnego sprzętu audio, ponieważ mogą redukować szumy i poprawiać jakość dźwięku.
• Komunikacja danych: W szybkiej komunikacji danych (np. w serwerach i urządzeniach sieciowych) sygnały różnicowe mogą zapewniać wyższe prędkości transmisji danych, jednocześnie zmniejszając wskaźniki błędów.
• Sprzęt medyczny: W niektórych urządzeniach medycznych, które wymagają wysokiej precyzji i wysokiego stosunku sygnału do szumu - takich jak elektrokardiografy (EKG) i elektroencefalografy (EEG) - sygnały różnicowe są również szeroko stosowane.
• Systemy kontroli przemysłowej: W środowiskach przemysłowych, gdzie zakłócenia elektromagnetyczne są silne, sygnały różnicowe są często używane do komunikacji między czujnikami i kontrolerami w celu poprawy niezawodności i stabilności systemu.

To główne obszary zastosowań sygnałów różnicowych, ale nie są one do nich ograniczone. Sygnały różnicowe mogą być używane w każdym scenariuszu, który wymaga wysokiej jakości transmisji sygnału i możliwości antyinterferencyjnych.

Podsumowując, sygnalizacja różnicowa jest wysoce skuteczną metodą transmisji sygnału. Ma silne możliwości antyinterferencyjne, może skutecznie tłumić zakłócenia elektromagnetyczne i oferuje dokładne pozycjonowanie czasowe. Chociaż ma pewne ograniczenia w okablowaniu, nie wpływa to na jego szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach.