Differenzsignalisierung – Wikipedia

Posted on January 27, 2021 by lordneo

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Beseitigung von Rauschen durch Differenzsignalisierung.

Differenzsignalisierung ist ein Verfahren zum elektrischen Übertragen von Informationen unter Verwendung von zwei komplementären Signalen. Die Technik sendet das gleiche elektrische Signal wie a Differentialpaar von Signalen, jedes in seinem eigenen Leiter. Das Leiterpaar kann Drähte (typischerweise miteinander verdrillt) oder Leiterbahnen auf einer Leiterplatte sein. Die Empfangsschaltung reagiert eher auf die elektrische Differenz zwischen den beiden Signalen als auf die Differenz zwischen einem einzelnen Draht und Masse. Die entgegengesetzte Technik wird als Single-Ended-Signalisierung bezeichnet.

Differentialpaare finden sich normalerweise auf Leiterplatten, in Twisted-Pair- und Flachbandkabeln sowie in Steckverbindern.

Table of Contents

Vorteile[edit]

Vorausgesetzt, die Impedanzen von Quelle und Empfänger in einem Stromkreis sind gleich (sie sind symmetrisch), wirken sich externe elektromagnetische Interferenzen tendenziell gleichermaßen auf beide Leiter aus. Da die Empfangsschaltung nur den Unterschied zwischen den Drähten erkennt, widersteht die Technik elektromagnetischen Störungen im Vergleich zu einem Leiter mit einer unsymmetrischen Referenz (Low-Ω-Verbindung zur Erde).

Entgegen der landläufigen Meinung wirkt sich die Differenzsignalisierung nicht auf die Rauschunterdrückung aus. Symmetrische Leitungen mit Differenzialempfängern unterdrücken Rauschen, unabhängig davon, ob das Signal differentiell oder einseitig ist. Da die Unterdrückung von symmetrischem Leitungsrauschen ohnehin einen Differenzempfänger erfordert, wird bei symmetrischen Leitungen häufig eine Differenzsignalisierung verwendet. Dies verbessert das SNR, reduziert die EMI und macht das Signal immuner gegen Erdströme oder -unterschiede.^[1]

Die Technik funktioniert sowohl für analoge Signale wie bei symmetrischem Audio als auch für digitale Signale wie bei RS-422, RS-485, Ethernet über Twisted Pair, PCI Express, DisplayPort, HDMI und USB.

In einem System mit einem Differenzialempfänger addieren sich die gewünschten Signale und das Rauschen wird weggezogen.

Eignung zur Verwendung mit Niederspannungselektronik[edit]

Die Elektronikindustrie, insbesondere bei tragbaren und mobilen Geräten, ist ständig bemüht, die Versorgungsspannung zu senken, um Strom zu sparen.^{[citation needed]} Eine niedrige Versorgungsspannung verringert jedoch die Störfestigkeit. Die Differenzsignalisierung trägt zur Verringerung dieser Probleme bei, da sie bei einer bestimmten Versorgungsspannung die doppelte Störfestigkeit eines Single-Ended-Systems bietet.

Um zu sehen, warum, betrachten Sie ein digitales Single-Ended-System mit Versorgungsspannung

{ displaystyle V_ {S}}

$V_ {S}$ . Der hohe Logikpegel ist

{ displaystyle V_ {S} ,}

$V_ {S} ,$ und der niedrige Logikpegel ist 0 V. Der Unterschied zwischen den beiden Pegeln ist daher

{ displaystyle V_ {S} -0 , mathrm {V} = V_ {S}}

$V_ {S} -0 , { mathrm {V}} = V_ {S}$ . Betrachten Sie nun ein Differenzialsystem mit der gleichen Versorgungsspannung. Die Spannungsdifferenz im hohen Zustand, in dem sich ein Draht befindet

{ displaystyle V_ {S} ,}

$V_ {S} ,$ und der andere bei 0 V ist

{ displaystyle V_ {S} -0 , mathrm {V} = V_ {S}}

$V_ {S} -0 , { mathrm {V}} = V_ {S}$ . Die Spannungsdifferenz im niedrigen Zustand, in dem die Spannungen an den Drähten ausgetauscht werden, beträgt

{ displaystyle 0 , mathrm {V} -V_ {S} = – V_ {S}}

$0 , { mathrm {V}} - V_ {S} = - V_ {S}$ . Der Unterschied zwischen hohen und niedrigen Logikpegeln ist daher

{ displaystyle V_ {S} – (- V_ {S}) = 2V_ {S} ,}

$V_ {S} - (- V_ {S}) = 2V_ {S} ,$ . Dies ist der doppelte Unterschied zum Single-Ended-System. Wenn das Spannungsrauschen auf einem Draht nicht mit dem Rauschen auf dem anderen Draht korreliert, ist doppelt so viel Rauschen erforderlich, um einen Fehler beim Differenzialsystem zu verursachen wie beim Single-Ended-System. Mit anderen Worten, die Differenzsignalisierung verdoppelt die Störfestigkeit.^{[citation needed]}

Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen[edit]

Dieser Vorteil beruht nicht direkt auf der Differenzsignalisierung selbst, sondern auf der üblichen Praxis, Differenzsignale auf symmetrischen Leitungen zu übertragen.^[2]^[3] Single-Ended-Signale sind weiterhin störungsresistent, wenn die Leitungen symmetrisch sind und von einem Differenzverstärker abgeschlossen werden.

Vergleich mit Single-Ended-Signalisierung[edit]

Bei der Single-Ended-Signalisierung erzeugt der Sender eine Single-Spannung, die der Empfänger mit einer festen Referenzspannung vergleicht, beide relativ zu einer gemeinsamen Erdungsverbindung, die von beiden Enden gemeinsam genutzt wird. In vielen Fällen sind Single-Ended-Designs nicht möglich. Eine weitere Schwierigkeit ist die elektromagnetische Störung, die durch ein Single-Ended-Signalisierungssystem erzeugt werden kann, das versucht, mit hoher Geschwindigkeit zu arbeiten.^{[citation needed]}

Verallgemeinerung: Ensemblesignalisierung[edit]

Der Nachteil der Differenzsignalübertragung besteht darin, dass doppelt so viele Drähte erforderlich sind wie bei der Single-Ended-Signalübertragung. Ensemble-Signalisierung verbessert dies durch Verwendung

{ displaystyle n}

$n$ zu übertragende Drähte

{ displaystyle n-1}

$n-1$ Differenzsignale. Zum

{ displaystyle n = 2}

$n = 2$ entspricht einer Differenzsignalisierung.

Zwei-Draht-Ensemble-Signalisierung[edit]

Die Zweidraht-Ensemble-Signalisierung codiert ein Signal mit zwei Drähten. Auf der Encoderseite unter Verwendung der Generatormatrix

{ displaystyle mathbf {G}: = { begin {pmatrix} + 1 & 1 \ – 1 & 1 end {pmatrix}}}

und der Eingabevektor

{ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2})}

${ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2})}$ gibt

{ displaystyle y = mathbf {G} cdot x}

${ displaystyle y = mathbf {G} cdot x}$ die beiden zu sendenden Signale.

Auf der Decoderseite unter Verwendung der Steuermatrix

{ displaystyle mathbf {H}: = mathbf {G} ^ {- 1}}

${ displaystyle mathbf {H}: = mathbf {G} ^ {- 1}}$

{ displaystyle mathbf {H}: = { begin {pmatrix} + 1/2 & -1 / 2 \; ; 1/2 & ; ; 1/2 end {pmatrix}}}

und der Eingabevektor

{ displaystyle y}

$y$ gibt den Anfangsvektor an

{ displaystyle x: = mathbf {H} cdot y}

${ displaystyle x: = mathbf {H} cdot y}$ .

Allerdings nur

{ displaystyle x_ {1}}

$x_ {1}$ ist unempfindlich gegenüber Gleichtaktstörungen, während

{ displaystyle x_ {2}}

$x_ {2}$ ist sehr empfindlich gegenüber Gleichtaktstörungen. Entfernen

{ displaystyle x_ {2}}

$x_ {2}$ Aus der Berechnung ergibt sich eine normale Differenzsignalisierung:

{ displaystyle mathbf {G}: = { begin {pmatrix} +1 \ – 1 end {pmatrix}} ;}

Vier-Draht-Ensemble-Signalisierung[edit]

Die Vierdraht-Ensemblesignalisierung codiert drei Signale mit vier Drähten. Auf der Encoderseite unter Verwendung der Generatormatrix

{ displaystyle mathbf {G}: = { begin {pmatrix} 1 & -1 / 3 & -1 / 3/3 & 1/3 \ – 1/3 & 1 & -1 / 3/3 & 1/3 \ – 1/3 & -1 / 3/1 & 1/1 / 3 \ – 1/3 & -1 / 3 & -1 / 3/3 & 1/3 end {pmatrix}}}

und der Eingabevektor

{ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2}, x_ {3}, x_ {4})}

${ displaystyle x: = (x_ {1}, x_ {2}, x_ {3}, x_ {4})}$ gibt

{ displaystyle y = mathbf {G} cdot x}

${ displaystyle y = mathbf {G} cdot x}$ die vier zu sendenden Signale.

Auf der Decoderseite unter Verwendung der Steuermatrix

{ displaystyle mathbf {H}: = mathbf {G} ^ {- 1}}

${ displaystyle mathbf {H}: = mathbf {G} ^ {- 1}}$

{ displaystyle mathbf {H}: = { begin {pmatrix} 3/4 & 0 & 0 & -3 / 4 \ 0 & 3/4 & 0 & -3 / 4 \ 0 & 0 & 3/4 & -3 / 4 \ 3/4 & 3/4 & 3/4 & 3 / 4 end {pmatrix}}}

und der Eingabevektor

{ displaystyle y}

$y$ gibt den Anfangsvektor an

{ displaystyle x: = mathbf {H} cdot y}

${ displaystyle x: = mathbf {H} cdot y}$ .

Wie auch immer,

{ displaystyle x_ {1}}

$x_ {1}$ ,

{ displaystyle x_ {2}}

$x_ {2}$ und

{ displaystyle x_ {3}}

$x_ {3}$ sind unempfindlich gegenüber Gleichtaktstörungen, während

{ displaystyle x_ {4}}

$x_ {4}$ ist sehr empfindlich gegenüber Gleichtaktstörungen. Entfernen

{ displaystyle x_ {4}}

$x_ {4}$ Aus der Berechnung ergeben sich die Matrizen für die Ensemblesignalisierung unter Verwendung von vier Drähten, um drei Signale differentiell zu übertragen.

{ displaystyle mathbf {G}: = { begin {pmatrix} 1 & -1 / 3 & -1 / 3 \ – 1/3 & 1 & -1 / 3 \ – 1/3 & -1 / 3 & 1 \ – 1 / 3 & -1 / 3 & -1 / 3 end {pmatrix}} ;}

${ displaystyle n}$

{ displaystyle n}

$n$ -Draht-Ensemble-Signalisierungscodierungen

{ displaystyle n-1}

$n-1$ Signale mit

{ displaystyle n}

$n$ Leitungen.

{ displaystyle mathbf {G}: = { begin {pmatrix} 1 & cdots & -1 / (n-1) \ vdots & ddots & vdots \ – 1 / (n-1) & cdots & 1 \ – 1 / (n-1) & cdots & -1 / (n-1) end {pmatrix}} ;}

${ displaystyle mathbf {G}: = { begin {pmatrix} 1 & cdots & -1 / (n-1) \ vdots & ddots & vdots \ - 1 / (n-1) & cdots & 1 \ - 1 / (n-1) & cdots & -1 / (n-1) end {pmatrix}} ;}$ und

{ displaystyle ; mathbf {H}: = { begin {pmatrix} (n-1) / n & cdots & 0 & – (n-1) / n \ vdots & ddots & vdots & – (n -1) / n \ 0 & cdots & (n-1) / n & – (n-1) / n end {pmatrix}}}

${ displaystyle ; mathbf {H}: = { begin {pmatrix} (n-1) / n & cdots & 0 & - (n-1) / n \ vdots & ddots & vdots & - (n -1) / n \ 0 & cdots & (n-1) / n & - (n-1) / n end {pmatrix}}}$

Verwendung von Differentialpaaren[edit]

Die Technik minimiert elektronisches Übersprechen und elektromagnetische Interferenzen, sowohl Rauschemission als auch Rauschakzeptanz, und kann eine konstante oder bekannte charakteristische Impedanz erreichen, wodurch Impedanzanpassungstechniken ermöglicht werden, die in einer Hochgeschwindigkeits-Signalübertragungsleitung oder einem hochwertigen Audiosignalpfad mit symmetrischer Leitung und symmetrischer Schaltung wichtig sind .

Differentialpaare umfassen:

Differentialpaare übertragen im Allgemeinen differentielle oder semi-differentielle Signale, wie z. B. digitale serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, einschließlich differentieller LVDS-ECL, PECL, LVPECL, Hypertransport, Ethernet über Twisted Pair, serielle digitale Schnittstelle, RS-422, RS-485, USB, seriell ATA, TMDS, FireWire und HDMI usw. oder auch hochwertige und / oder hochfrequente analoge Signale (z. B. Videosignale, symmetrische Audiosignale usw.).

Beispiele für Datenraten[edit]

Die Datenraten einiger Schnittstellen, die mit Differentialpaaren implementiert sind, umfassen Folgendes:

Übertragungsleitungen[edit]

Die Art der Übertragungsleitung, die zwei Geräte (Chips, Module) verbindet, bestimmt die Art der Signalisierung. Single-Ended-Signalisierung wird bei Koaxialkabeln verwendet, bei denen ein Leiter den anderen vollständig vor der Umgebung schützt. Alle Bildschirme (oder Abschirmungen) werden zu einem einzigen Materialstück kombiniert, um eine gemeinsame Basis zu bilden. Die Differenzsignalisierung wird bei einem symmetrischen Leiterpaar verwendet. Für kurze Kabel und niedrige Frequenzen sind die beiden Methoden gleichwertig, sodass billige Single-Ended-Schaltungen mit einer gemeinsamen Masse mit billigen Kabeln verwendet werden können. Wenn die Signalisierungsgeschwindigkeiten schneller werden, verhalten sich die Drähte wie Übertragungsleitungen.

Verwendung in Computern[edit]

In Computern werden häufig Differenzsignale verwendet, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren, da mit Mikrostreifen und Chips in Computern aufgrund geometrischer Einschränkungen und der Tatsache, dass das Screening bei Gleichstrom nicht funktioniert, keine vollständige Abschirmung möglich ist. Wenn sich eine Gleichstromversorgungsleitung und eine Niederspannungssignalleitung dieselbe Masse teilen, kann der durch die Erde zurückkehrende Strom eine signifikante Spannung in dieser induzieren. Eine niederohmige Masse reduziert dieses Problem in gewissem Maße. Ein ausgeglichenes Paar Mikrostreifenleitungen ist eine bequeme Lösung, da keine zusätzliche Leiterplattenschicht erforderlich ist, wie dies bei einer Streifenleitung der Fall ist. Da jede Linie einen passenden Bildstrom in der Grundebene verursacht, der ohnehin für die Stromversorgung erforderlich ist, sieht das Paar wie vier Linien aus und hat daher einen kürzeren Übersprechabstand als ein einfaches isoliertes Paar. Tatsächlich verhält es sich genauso gut wie ein Twisted Pair. Ein geringes Übersprechen ist wichtig, wenn viele Leitungen wie auf einer typischen Leiterplatte auf kleinem Raum gepackt sind.

Hochspannungs-Differenzsignalisierung[edit]

Hochspannungsdifferenzsignalisierung (HVD) verwendet Hochspannungssignale. In der Computerelektronik bedeutet “Hochspannung” normalerweise 5 Volt oder mehr.

Zu den SCSI-1-Varianten gehörte eine Implementierung mit Hochspannungsdifferenz (HVD), deren maximale Kabellänge ein Vielfaches der Single-Ended-Version betrug. SCSI-Geräte ermöglichen beispielsweise eine maximale Gesamtkabellänge von 25 Metern mit HVD, während Single-Ended-SCSI je nach Busgeschwindigkeit eine maximale Kabellänge von 1,5 bis 6 Metern zulässt. LVD-Versionen von SCSI erlauben eine Kabellänge von weniger als 25 m, nicht wegen der niedrigeren Spannung, sondern weil diese SCSI-Standards viel höhere Geschwindigkeiten als die älteren HVD-SCSI erlauben.

Der Oberbegriff Hochspannungs-Differenzsignalisierung beschreibt eine Vielzahl von Systemen. Niederspannungs-Differenzsignalisierung (LVDS) ist dagegen ein spezifisches System, das durch einen TIA / EIA-Standard definiert ist.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

^ “Das Warum und Wie der differentiellen Signalübertragung”. www.allaboutcircuits.com. Abgerufen 2019-08-02.
^ Graham Blyth. “Audio Balancing Issues”. Professionelle Audio-Lernzone. Soundcraft. Abgerufen 2009-08-25. Lassen Sie uns hier von Anfang an klar sein: Wenn die Quellenimpedanz jedes dieser Signale nicht identisch wäre, dh ausgeglichen, würde das Verfahren vollständig fehlschlagen, wobei die Anpassung der differentiellen Audiosignale irrelevant ist, obwohl dies für Überlegungen zum Headroom wünschenswert ist.
^ “Teil 3: Verstärker”. Soundsystemausrüstung (Dritte Ausgabe). Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission. 2000. p. 111. IEC 602689-3: 2001. Bei der Unterdrückung von Rauschen oder Interferenzen spielt nur das Gleichtakt-Impedanzgleichgewicht von Treiber, Leitung und Empfänger eine Rolle. Diese Eigenschaft der Rausch- oder Interferenzunterdrückung ist unabhängig vom Vorhandensein eines gewünschten Differenzsignals.

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Differenzsignalisierung – Wikipedia

Vorteile[edit]

Eignung zur Verwendung mit Niederspannungselektronik[edit]

Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen[edit]

Vergleich mit Single-Ended-Signalisierung[edit]