来源:莱尼中国 线束世界授权发布
随着汽车ADAS的发展,对车载数据传输速率要求越来越高,相应而生的以太网传输速率更是达到了10Gbps以上,高速传输的时代,信号的完整性至关重要,与生命安全密切相联,今天我们就来探讨一下汽车数据中占据半壁江山的差分信号。
什么是差分信号
所谓差分信号,本质是两个电压信号的差值,具体要满足以下两个特点,如图1所示:
(1)两个电压信号的幅值(大小)相等,相位相差180°(即方向相反)。
(2)两个信号要具有相同的直流电压VCM(即参考电势)。
图1 差分信号原理图
差分信号一般应用在双绞线中,差分线+和GND之间的信号电压是V1,差分线-和GND之间信号电压为V2,差分线之间的电压是Vdiff,这个Vdiff就是差分信号,如图2所示。
图2 差分信号传输图
差分信号的优势
(1)抗干扰性强,具有错误更正效果
差分信号因其走线特性,紧密耦合在一起,所以外界噪声对于两根信号新的影响是一样的,而在接收端,由于接收器是把正负信号相减的结果作为逻辑判断的依据,因此即使信号线上有严重的共模噪声或者地电平波动,对于最后的逻辑电平判决影响很小,具体如图3所示。
图3 差分信号受干扰波形
(2)可以有较小的EMI辐射干扰
数字信号在逻辑切换时,会因电压变化产生电场,进而产生EMI辐射,对邻近走线或者设备造成干扰。
随着如今使用频率的提升,高速数字信号逻辑切换速度也越来越快,而逻辑切换速度越快,则耗电流就越大。EMI辐射强度与电流大小,以及频率成正比,这等同于进一步加大了EMI辐射干扰。
电磁波传输过程中,电磁互生互存,共同传播,如果能够降低磁场或者电场的大小,便能减少EMI辐射干扰,如图4所示。
图4 电磁波传输模型
差分信号所产生的磁场会彼此相消,所产生的电场,会因此紧密地耦合在一起,进而减少发散向外的机会,如图5所示。
图5 差分信号磁场电场分布图
由于差分信号可以减少磁场份量,以及减少发散向外的电场,进而降低EMI辐射干扰,这也是为什么高速数字信号一般采用差分传输的原因。
差分信号的注意事项
差分信号在走线过程中应该尽量避免转弯,因为一旦转弯,两根线的外侧线会走出多余的长度,会导致相位差,进而产生额外的共模噪声。
如果一定要转弯走线,那么建议再转一次,使原本内测走线变成外侧走线,增加额外长度,来达到等长效果,如图6所示。
图6 直角弯走线
但是上图的转弯方式,不管是第一次转弯还是第二次转弯,都不尽理想,因为90度转角会造成阻抗不连续,导致信号发生反射。
而在实际走线中,不可能从头到尾都是直线,没有转弯,换言之,转弯是无可避免的,因此可以利用圆滑转角来取代90度转角,如图7所示。
图7 走线弯角对比
另外,转弯还会导致差分信号的共模转变,产生额外噪声,增加EMI干扰。尽量圆滑转弯可以将转弯造成的噪声尽量降低,两者差异如图8所示。
图8 直角弯与圆滑弯电压信号对比
差分信号的“帽子们”
差分信号在使用过程中,会经常用频率,传输速率,带宽等来描述,如此多的描述常常让我们困惑,这么多个“帽子”,有什么区别?接下来我们来说清楚这件事。
(1)频率与带宽的关系
频率是单位时间(一般是秒)内传输数据的“次数”。对interwetten与威廉的赔率体系 信道,使用信道的频带宽度来衡量。如果一个信道,其最低可传输频率为fL的信号,最高可传输频率为fH的信号,则该模拟信道的带宽是:模拟信道的带宽f= fH-fL (fH > fL),带宽的单位是Hz,如图9所示。
图9 模拟信道带宽
对于数字信道的通信能力,使用信道的最大传输速率来衡量。如果一个数字信道,其最大传输速率是100Mbps,我们称其带宽为100Mbps。带宽,又叫频宽,是数据的传输能力,指单位时间内能够传输的比特数,单位是bps。
(2)频率与传输速率的关系
对于差分对的传输线,传输速率或带宽(Mbps)=时钟频率(MHz)*位宽*通道数*每时钟传输数据组(cycle), 480Mbps=240MHz*1*1*2, 每个时钟周期传送2次数据(这跟编码方式有关,如USB一般为NRZI),也即当传输速率为480Mbps时,对应的时钟频率为240MHz,而且这个240MHz的时钟频率还是USB芯片里面晶振经过倍频得到的,实际USB晶振有12MHz,24MHz,48MHz等。
(3)传输速率与带宽的关系
带宽实际上是个物理概念,它是指占用频谱的宽度,一个系统,你打算支持多大的数据速率?采用什么调制方式?用什么编码方式?等等综合考虑了以后,这些指标决定了你的信道需要多少带宽,一般要遵守香农(Shanon)定理与奈奎斯特(Nyquist)准则,带宽少了不行,多了浪费,这里就不展开具体描述。
差分信号的现实映射
说了这么多,差分信号究竟是怎么反映在我们现实生活中的呢?
我们用一个例子说明:生活在高清时代,大家越来越追求影视剧清晰度,比如正在流行的4K电影,是随意一根数据线就能支撑它4K的吗?
我们来算一算:4K电影分辨率是3840*2160,那么一帧图像总共就是3840*2160=8294400个像素,HDMI的图像还需要预留20%的空白像素,所以真实的一帧图像的像素是:8294400*1.2=9953280个像素。我们每个像素用3个8bit表示,也就是24位彩色,则总共需要的bit数是9953280*3*(8+2)=298598400个bit(注意每8bit要加2个控制bit)。每秒刷新60次,即60Hz,那么每秒传输的位数是:298598400*60≈1.8e+010,化成以Gbps为单位,则速率为每秒18Gbps。
这是TMDS三路的总速率,所以每路的速率为每秒18/3=6Gbps。是不是发现只有HDMI 2.0才勉强能看4K的电影,所以当然要升级HDMI2.1,越高的分辨率对于带宽速率要求也就越高,比较差的HDMI线可能都不支持1080P以上的分辨率更遑论4K。
审核编辑:刘清
-
接收器
+关注
关注
14文章
2468浏览量
71875 -
差分信号
+关注
关注
3文章
367浏览量
27680 -
VCM
+关注
关注
0文章
25浏览量
19472 -
直流电压
+关注
关注
1文章
299浏览量
20123 -
GND
+关注
关注
2文章
539浏览量
38696
发布评论请先 登录
相关推荐
评论