什么是差分信號(hào)？差分信號(hào)的優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)

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隨著汽車ADAS的發(fā)展，對(duì)車載數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來(lái)越高，相應(yīng)而生的以太網(wǎng)傳輸速率更是達(dá)到了10Gbps以上，高速傳輸?shù)臅r(shí)代，信號(hào)的完整性至關(guān)重要，與生命安全密切相聯(lián)，今天我們就來(lái)探討一下汽車數(shù)據(jù)中占據(jù)半壁江山的差分信號(hào)。

什么是差分信號(hào)

所謂差分信號(hào)，本質(zhì)是兩個(gè)電壓信號(hào)的差值，具體要滿足以下兩個(gè)特點(diǎn)，如圖1所示：

(1)兩個(gè)電壓信號(hào)的幅值（大?。┫嗟?，相位相差180°（即方向相反）。

(2)兩個(gè)信號(hào)要具有相同的直流電壓VCM（即參考電勢(shì)）。

圖1 差分信號(hào)原理圖

差分信號(hào)一般應(yīng)用在雙絞線中，差分線+和GND之間的信號(hào)電壓是V1，差分線-和GND之間信號(hào)電壓為V2，差分線之間的電壓是Vdiff，這個(gè)Vdiff就是差分信號(hào)，如圖2所示。

圖2 差分信號(hào)傳輸圖

差分信號(hào)的優(yōu)勢(shì)

(1）抗干擾性強(qiáng)，具有錯(cuò)誤更正效果

差分信號(hào)因其走線特性，緊密耦合在一起，所以外界噪聲對(duì)于兩根信號(hào)新的影響是一樣的，而在接收端，由于接收器是把正負(fù)信號(hào)相減的結(jié)果作為邏輯判斷的依據(jù)，因此即使信號(hào)線上有嚴(yán)重的共模噪聲或者地電平波動(dòng)，對(duì)于最后的邏輯電平判決影響很小，具體如圖3所示。

圖3 差分信號(hào)受干擾波形

(2）可以有較小的EMI輻射干擾

數(shù)字信號(hào)在邏輯切換時(shí)，會(huì)因電壓變化產(chǎn)生電場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生EMI輻射，對(duì)鄰近走線或者設(shè)備造成干擾。

隨著如今使用頻率的提升，高速數(shù)字信號(hào)邏輯切換速度也越來(lái)越快，而邏輯切換速度越快，則耗電流就越大。EMI輻射強(qiáng)度與電流大小，以及頻率成正比，這等同于進(jìn)一步加大了EMI輻射干擾。

電磁波傳輸過(guò)程中，電磁互生互存，共同傳播，如果能夠降低磁場(chǎng)或者電場(chǎng)的大小，便能減少EMI輻射干擾，如圖4所示。

圖4 電磁波傳輸模型

差分信號(hào)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)彼此相消，所產(chǎn)生的電場(chǎng)，會(huì)因此緊密地耦合在一起，進(jìn)而減少發(fā)散向外的機(jī)會(huì)，如圖5所示。

圖5 差分信號(hào)磁場(chǎng)電場(chǎng)分布圖

由于差分信號(hào)可以減少磁場(chǎng)份量，以及減少發(fā)散向外的電場(chǎng)，進(jìn)而降低EMI輻射干擾，這也是為什么高速數(shù)字信號(hào)一般采用差分傳輸?shù)脑颉?/p>

差分信號(hào)的注意事項(xiàng)

差分信號(hào)在走線過(guò)程中應(yīng)該盡量避免轉(zhuǎn)彎，因?yàn)橐坏┺D(zhuǎn)彎，兩根線的外側(cè)線會(huì)走出多余的長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致相位差，進(jìn)而產(chǎn)生額外的共模噪聲。

如果一定要轉(zhuǎn)彎走線，那么建議再轉(zhuǎn)一次，使原本內(nèi)測(cè)走線變成外側(cè)走線，增加額外長(zhǎng)度，來(lái)達(dá)到等長(zhǎng)效果，如圖6所示。

圖6 直角彎走線

但是上圖的轉(zhuǎn)彎方式，不管是第一次轉(zhuǎn)彎還是第二次轉(zhuǎn)彎，都不盡理想，因?yàn)?0度轉(zhuǎn)角會(huì)造成阻抗不連續(xù)，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生反射。

而在實(shí)際走線中，不可能從頭到尾都是直線，沒(méi)有轉(zhuǎn)彎，換言之，轉(zhuǎn)彎是無(wú)可避免的，因此可以利用圓滑轉(zhuǎn)角來(lái)取代90度轉(zhuǎn)角，如圖7所示。

圖7 走線彎角對(duì)比

另外，轉(zhuǎn)彎還會(huì)導(dǎo)致差分信號(hào)的共模轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生額外噪聲，增加EMI干擾。盡量圓滑轉(zhuǎn)彎可以將轉(zhuǎn)彎造成的噪聲盡量降低，兩者差異如圖8所示。

圖8 直角彎與圓滑彎電壓信號(hào)對(duì)比

差分信號(hào)的“帽子們”

差分信號(hào)在使用過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常用頻率，傳輸速率，帶寬等來(lái)描述，如此多的描述常常讓我們困惑，這么多個(gè)“帽子”，有什么區(qū)別？接下來(lái)我們來(lái)說(shuō)清楚這件事。

（1）頻率與帶寬的關(guān)系

頻率是單位時(shí)間（一般是秒）內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的“次數(shù)”。對(duì)模擬信道，使用信道的頻帶寬度來(lái)衡量。如果一個(gè)信道，其最低可傳輸頻率為fL的信號(hào)，最高可傳輸頻率為fH的信號(hào)，則該模擬信道的帶寬是:模擬信道的帶寬f＝ fH－fL (fH > fL)，帶寬的單位是Hz，如圖9所示。

圖9 模擬信道帶寬

對(duì)于數(shù)字信道的通信能力，使用信道的最大傳輸速率來(lái)衡量。如果一個(gè)數(shù)字信道，其最大傳輸速率是100Mbps，我們稱其帶寬為100Mbps。帶寬，又叫頻寬，是數(shù)據(jù)的傳輸能力，指單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位是bps。

（2）頻率與傳輸速率的關(guān)系

對(duì)于差分對(duì)的傳輸線，傳輸速率或帶寬（Mbps）=時(shí)鐘頻率（MHz）*位寬*通道數(shù)*每時(shí)鐘傳輸數(shù)據(jù)組（cycle）, 480Mbps=240MHz*1*1*2, 每個(gè)時(shí)鐘周期傳送2次數(shù)據(jù)（這跟編碼方式有關(guān)，如USB一般為NRZI），也即當(dāng)傳輸速率為480Mbps時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘頻率為240MHz，而且這個(gè)240MHz的時(shí)鐘頻率還是USB芯片里面晶振經(jīng)過(guò)倍頻得到的，實(shí)際USB晶振有12MHz,24MHz,48MHz等。

（3）傳輸速率與帶寬的關(guān)系

帶寬實(shí)際上是個(gè)物理概念，它是指占用頻譜的寬度，一個(gè)系統(tǒng)，你打算支持多大的數(shù)據(jù)速率？采用什么調(diào)制方式？用什么編碼方式？等等綜合考慮了以后，這些指標(biāo)決定了你的信道需要多少帶寬，一般要遵守香農(nóng)(Shanon)定理與奈奎斯特(Nyquist)準(zhǔn)則，帶寬少了不行，多了浪費(fèi)，這里就不展開具體描述。

差分信號(hào)的現(xiàn)實(shí)映射

說(shuō)了這么多，差分信號(hào)究竟是怎么反映在我們現(xiàn)實(shí)生活中的呢？

我們用一個(gè)例子說(shuō)明：生活在高清時(shí)代，大家越來(lái)越追求影視劇清晰度，比如正在流行的4K電影，是隨意一根數(shù)據(jù)線就能支撐它4K的嗎？

我們來(lái)算一算：4K電影分辨率是3840*2160，那么一幀圖像總共就是3840*2160=8294400個(gè)像素，HDMI的圖像還需要預(yù)留20%的空白像素，所以真實(shí)的一幀圖像的像素是：8294400*1.2=9953280個(gè)像素。我們每個(gè)像素用3個(gè)8bit表示，也就是24位彩色，則總共需要的bit數(shù)是9953280*3*(8+2)=298598400個(gè)bit（注意每8bit要加2個(gè)控制bit）。每秒刷新60次，即60Hz，那么每秒傳輸?shù)奈粩?shù)是：298598400*60≈1.8e+010,化成以Gbps為單位，則速率為每秒18Gbps。

這是TMDS三路的總速率，所以每路的速率為每秒18/3=6Gbps。是不是發(fā)現(xiàn)只有HDMI 2.0才勉強(qiáng)能看4K的電影，所以當(dāng)然要升級(jí)HDMI2.1，越高的分辨率對(duì)于帶寬速率要求也就越高，比較差的HDMI線可能都不支持1080P以上的分辨率更遑論4K。

審核編輯：湯梓紅