差分信号:一种提高信号传输质量的神奇方式

news2024/9/21 18:51:41

在我们的日常生活中,会遇到各种各样的信号传输,比如手机、电视、网络等等。

为什么需要差分信号

在这些信号传输中,我们很多时候使用的是单端信号传输方式。比如使用固定电话打电话时,你有一根信号线和一根地线,电话线是你的信号线,它负责传输你的声音信号,而地线就像是你的通话的基线,它提供了一个参考点,让接收端知道如何解读你的声音信号。

这就是单端信号传输,简单易懂,但是它有一个问题,那就是容易受到干扰。

现在,想象一下,如果你在一个嘈杂的环境中,比如在一个拥挤的火车站打电话,周围的噪声会干扰你的通话,让对方很难听清你的话。

这类似单端信号传输面临的问题,只不过信号传输的干扰是电磁干扰。那么,我们如何解决这个问题呢?答案就是使用差分信号。

差分信号的处理原理

差分信号就像是一个双人合唱团队,有两个人在两根线上同时传输信号,他们的声音振幅一样,但是声音的相位却完全相反。这就好像两个人在唱一首歌,他们的声音一高一低,但是他们的节奏是完全一致的。

那么,这样做的好处是什么呢?请看下图:

1、左边的Sender是信号源,在线路上传输信号时,它会使用两条线来传输信号:

  • 下边的线路传输原信号。
  • 上边的线路传输反转的信号。

2、在传输过程中,出现了噪音Noise,Noise也是一种信号,它会把自己叠加到上下两条线路的信号中,可以看到上下两条线路中的信号都产生了相同的波动。

3、最右边的Receiver是查询信号接收装置,它会计算两个信号中同一时刻的差值,然后使用这个差值来重新组织信号,就能得到信号的原始逻辑状态,也就是高电压或者低电压。

优缺点

优点

首先,差分信号具有很强的抗干扰能力。当噪声出现时,由于噪声是等值且同时作用在两个信号线上,所以噪声对两个信号的影响是一样的,比如上图中都是给信号施加了一个向上震荡,此时两个信号之间的差值和没有干扰时的差值是一样的,所以差分信号能保持原信号的逻辑值,这就是说的它的抗干扰能力。

其次,差分信号能有效抑制电磁干扰(EMI)。这是因为两根线靠得很近,信号幅值相等,所以与地线的耦合电磁场的幅值也相等,但信号极性相反,这就像两个相同大小但方向相反的矢量,他们会相互抵消,这就是为什么差分信号能有效抑制电磁干扰。

再者,差分信号的时序定位准确。接收端以两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点,作为判断逻辑0/1跳变的点的。这就像两个人在唱歌,他们的节奏完全一致,所以我们可以通过他们的节奏来判断他们唱的是哪一句歌词,这就是为什么我们说差分信号的时序定位准确。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点,受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大,不适合低幅度的信号。例如,假设我们的阈值是2.5伏特,而信号的幅度只有0.1伏特,那么只需要0.1伏特的噪声,就可能导致我们误判信号的值。

缺点

首先,它需要两根线,这可能会使布线变得复杂。

其次,差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

这就像合唱,需要多个人,他们必须在同一时间、同一地点、同一距离的地方唱歌,这样才能确保他们的声音同时到达听众的耳朵,让声音听起来比较和谐。

应用场景

差分信号广泛应用在各种需要高质量信号传输和抗干扰能力的场合,以下是一些主要的应用领域:

  1. 电缆传输:例如,USB(通用串行总线)、HDMI(高清晰度多媒体接口)和Ethernet(以太网)等常见的电缆都使用差分信号,它能够提供更好的信号质量和更强的抗干扰能力。
  2. 音频设备:在专业音频设备的信号传输中,差分信号被广泛使用,因为它可以减少噪声,提高音频质量。
  3. 数据通信:在高速数据通信中,例如在服务器和网络设备中,差分信号可以提供更高的数据传输速率,同时减少误码率。
  4. 医疗设备:在一些需要高精度和高信噪比的医疗设备中,例如心电图机和脑电图机,差分信号也被广泛使用。
  5. 工业控制系统:在工业环境中,由于电磁干扰较大,所以差分信号常被用于传感器和控制器之间的通信,以提高系统的可靠性和稳定性。

这些都是差分信号的主要应用领域,但并不限于这些,只要是需要高质量信号传输和抗干扰能力的场合,都可以使用它。


总的来说,差分信号是一种非常有效的信号传输方式,它具有很强的抗干扰能力,能有效抑制电磁干扰,且时序定位准确。虽然它有一些布线上的限制,但这并不影响它在许多应用中的广泛使用。

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