Передача сигнала очень распространена в нашей повседневной жизни, например, в мобильных телефонах, телевизорах и интернете.

Однополярная передача сигнала - это тип передачи сигнала, который мы используем чаще всего.

Однополярный сигнал относится к сигналу, передаваемому только по одной сигнальной линии. Он отправляет сигнал по одному проводнику и чаще всего используется в однополярных аудио- и видеосигналах — например, наушники — это устройства, которые принимают однополярные сигналы. В однополярном сигнале сигнал кодируется и передается с использованием напряжения или тока относительно опорного уровня или земли. Например, напряжение выше уровня земли может представлять логическую «1», а напряжение ниже уровня земли может представлять логический «0». Это однополярная передача сигнала: простая, но очень восприимчивая к помехам.

Предположим, вы совершаете звонок в шумной обстановке. Окружающий шум будет мешать вашему звонку, затрудняя для собеседника четкое вас слышать. Это похоже на то, как однополярная передача сигнала подвержена помехам, за исключением того, что помехи в передаче сигнала — это электромагнитные помехи (ЭМП). Как решить эту проблему? Ответ — использовать дифференциальную передачу сигнала.

Дифференциальная сигнализация — это технология передачи сигнала, характеризующаяся одновременной передачей двух сигналов по двум проводам. Эти два сигнала имеют одинаковую амплитуду, но противоположные фазы — и это дифференциальные сигналы. Итак, каковы преимущества этого подхода? Пожалуйста, обратитесь к схеме ниже:

1. «Отправитель» (передающий конец) использует два провода для передачи сигналов при отправке сигналов по линии: нижний провод передает исходный сигнал, а верхний провод передает инвертированный сигнал.
2. Во время передачи возникает шумовой сигнал («Шум») и накладывается на сигналы как верхнего, так и нижнего проводов. Как видно, сигналы на обоих проводах демонстрируют одинаковые колебания.
3. «Приемник» (принимающий конец) определяет, передал ли отправитель логический 0 или логическую 1, сравнивая разницу напряжений между этими двумя сигналами. (В цифровой связи информация представляется и передается в двоичном виде, то есть с использованием комбинаций 0 и 1 для представления различных символов или данных.)

• Сильная помехозащищенность: Помехи обычно применяются одинаково и одновременно к двум проводам дифференциального сигнала, но приемник заботится только о разнице сигналов между этими двумя проводами. Следовательно, шум не влияет на логическое значение сигнала, обеспечивая полное подавление шума.

  Практическое применение: При высокоскоростной передаче данных дифференциальные сигналы могут эффективно уменьшить искажения сигнала, вызванные внешними электромагнитными помехами, обеспечивая точность и целостность данных.

• Эффективное подавление электромагнитных помех (ЭМП): Поскольку два провода дифференциального сигнала расположены близко друг к другу и имеют одинаковую амплитуду сигнала, связанные электромагнитные поля между каждым проводом и землей также имеют одинаковую амплитуду. В то же время их полярности сигналов противоположны, поэтому их электромагнитные поля взаимно уничтожаются. Таким образом, дифференциальные сигналы вызывают меньше электромагнитных помех для внешнего мира.

  Практическое применение: Дифференциальные сигналы широко используются в системах связи и обработки сигналов, особенно в сценариях, где необходимо уменьшить электромагнитное излучение и помехи, например, в автомобильной электронике и аэрокосмической отрасли.

• Точное позиционирование по времени: Приемник дифференциальных сигналов судит о переходе логического 0/1 на основе точки, в которой разница амплитуд между двумя проводами меняется с положительной на отрицательную (или наоборот). Этот метод более точен, чем однополярные сигналы (которые полагаются на пороговое напряжение), поскольку он меньше подвержен влиянию отношения порогового напряжения к напряжению амплитуды сигнала. Поэтому он больше подходит для сигналов с низкой амплитудой.

  Практическое применение: При высокоскоростной передаче данных и прецизионных измерениях точное позиционирование по времени дифференциальных сигналов обеспечивает синхронизацию данных и точную обработку, повышая производительность и стабильность системы.

1. По сравнению с однополярными сигналами, дифференциальным сигналам требуется два сигнальных провода для передачи одной и той же информации. Это означает, что при передаче того же объема данных дифференциальным сигналам требуется больше сигнальных проводов, что увеличивает количество соединений в цепи и потребность в площади печатной платы (PCB).
2. Дифференциальные трассы должны быть двумя проводами одинаковой длины, одинаковой ширины, расположенными близко друг к другу и расположенными на одном слое.
3. Риск генерации синфазного сигнала: Если конструкция дифференциального сигнала выполнена неправильно, на сигнальных проводах могут генерироваться синфазные сигналы. Синфазные сигналы не только увеличивают проблемы с ЭМП, но и могут повлиять на качество передачи дифференциальных сигналов.

Дифференциальные сигналы широко используются в различных сценариях, требующих высококачественной передачи сигнала и защиты от помех. Ниже приведены некоторые основные области применения:

• Кабельная передача: Например, в распространенных кабелях, таких как USB (Universal Serial Bus), HDMI (High-Definition Multimedia Interface) и Ethernet (используется для сетевых кабелей), используются дифференциальные сигналы. Это обеспечивает лучшее качество сигнала и более высокую помехозащищенность.
• Аудиооборудование: Дифференциальные сигналы широко используются в передаче сигналов для профессионального аудиооборудования, поскольку они могут снизить шум и улучшить качество звука.
• Передача данных: При высокоскоростной передаче данных (например, в серверах и сетевых устройствах) дифференциальные сигналы могут обеспечивать более высокую скорость передачи данных при снижении частоты ошибок.
• Медицинское оборудование: В некоторых медицинских устройствах, требующих высокой точности и высокого отношения сигнал/шум, например, в электрокардиографах (ЭКГ) и электроэнцефалографах (ЭЭГ), также широко используются дифференциальные сигналы.
• Системы промышленного управления: В промышленных условиях, где электромагнитные помехи сильны, дифференциальные сигналы часто используются для связи между датчиками и контроллерами для повышения надежности и стабильности системы.

Это основные области применения дифференциальных сигналов, но они не ограничиваются ими. Дифференциальные сигналы могут использоваться в любом сценарии, требующем высококачественной передачи сигнала и защиты от помех.

В заключение, дифференциальная сигнализация — это высокоэффективный метод передачи сигнала. Он обладает высокой помехозащищенностью, может эффективно подавлять электромагнитные помехи и обеспечивает точное позиционирование по времени. Хотя у него есть определенные ограничения в проводке, это не влияет на его широкое применение во многих областях.