La señalización diferencial es un método para transmitir información eléctricamente utilizando dos señales complementarias . La técnica envía la misma señal eléctrica como un par diferencial de señales, cada una en su propio conductor . El par de conductores puede ser alambres en un cable de par trenzado o plano o pistas en una placa de circuito impreso .
Eléctricamente, los dos conductores transportan señales de voltaje de igual magnitud , pero de polaridad opuesta . El circuito receptor responde a la diferencia entre las dos señales, lo que da como resultado una señal con una magnitud dos veces mayor.
Las señales simétricas de la señalización diferencial pueden denominarse balanceadas , pero este término se aplica más apropiadamente a circuitos balanceados y líneas balanceadas que rechazan la interferencia de modo común cuando se alimentan a un receptor diferencial. La señalización diferencial no hace que una línea sea equilibrada, ni el rechazo de ruido en circuitos equilibrados requiere señalización diferencial.
La señalización diferencial se contrasta con la señalización de un solo extremo que impulsa solo un conductor con señal, mientras que el otro está conectado a un voltaje de referencia fijo.
Contrariamente a la creencia popular, la señalización diferencial no afecta la cancelación de ruido. Las líneas balanceadas con receptores diferenciales rechazarán el ruido independientemente de si la señal es diferencial o de un solo extremo, [1] [2] pero dado que el rechazo del ruido de la línea balanceada requiere un receptor diferencial de todos modos, la señalización diferencial se usa a menudo en líneas balanceadas. Algunos de los beneficios de la señalización diferencial incluyen:
La señalización diferencial funciona tanto para señalización analógica, como en audio balanceado , como en señalización digital, como en RS-422 , RS-485 , Ethernet sobre par trenzado , PCI Express , DisplayPort , HDMI y USB .
La industria electrónica , particularmente en dispositivos portátiles y móviles, se esfuerza continuamente por reducir el voltaje de suministro para ahorrar energía. [ cita necesaria ] Sin embargo, una tensión de alimentación baja reduce la inmunidad al ruido. La señalización diferencial ayuda a reducir estos problemas porque, para un voltaje de suministro determinado, proporciona el doble de inmunidad al ruido que un sistema de un solo extremo.
Para ver por qué, considere un sistema digital de un solo extremo con voltaje de suministro . El nivel lógico alto es y el nivel lógico bajo es 0 V. Por lo tanto, la diferencia entre los dos niveles es . Consideremos ahora un sistema diferencial con la misma tensión de alimentación. La diferencia de voltaje en el estado alto, donde un cable está a 0 V y el otro, es . La diferencia de voltaje en el estado bajo, donde se intercambian los voltajes en los cables, es . Por tanto, la diferencia entre niveles lógicos alto y bajo es . Esto es el doble de la diferencia del sistema de un solo extremo. Si el ruido de voltaje en un cable no está correlacionado con el ruido en el otro, se necesita el doble de ruido para causar un error en el sistema diferencial que en el sistema de un solo extremo. En otras palabras, la señalización diferencial duplica la inmunidad al ruido. [ cita necesaria ]
En la señalización de un solo extremo, el transmisor genera un voltaje único que el receptor compara con un voltaje de referencia fijo, ambos en relación con una conexión a tierra común compartida por ambos extremos. En muchos casos, los diseños de un solo extremo no son factibles. Otra dificultad es la interferencia electromagnética que puede generar un sistema de señalización de un solo extremo que intenta operar a alta velocidad. [ cita necesaria ]
Cuando se transmiten señales de manera diferencial entre dos equipos, es común hacerlo a través de una interfaz balanceada. Una interfaz es un subsistema que contiene tres partes: un controlador, una línea y un receptor. Estos tres componentes completan un circuito completo por el que viaja una señal y las impedancias de este circuito es lo que determina si la interfaz en su conjunto está balanceada o no: [3] "Un circuito balanceado es un circuito de dos conductores en el que ambos conductores y todos los circuitos conectados a ellos tienen la misma impedancia a tierra y a todos los demás conductores". [4] Las interfaces balanceadas se desarrollaron como un esquema de protección contra el ruido. En teoría puede rechazar cualquier interferencia siempre que sea en modo común (tensiones que aparecen con igual magnitud y misma polaridad en ambos conductores). [3]
Existe una gran confusión sobre qué constituye una interfaz balanceada y cómo se relaciona con la señalización diferencial. En realidad, son dos conceptos completamente independientes: la interfaz equilibrada se refiere al rechazo del ruido y las interferencias, mientras que la señalización diferencial sólo se refiere al espacio libre. El equilibrio de impedancias de un circuito no determina las señales que puede transportar y viceversa. [3]
La técnica minimiza la diafonía electrónica y la interferencia electromagnética , tanto la emisión de ruido como la aceptación de ruido, y puede lograr una impedancia característica constante o conocida , lo que permite técnicas de adaptación de impedancia importantes en una línea de transmisión de señal de alta velocidad o en una línea balanceada de alta calidad y en una señal de audio de circuito balanceado. camino.
Los pares diferenciales incluyen:
Los pares diferenciales generalmente transportan señales diferenciales o semidiferenciales, como interfaces seriales digitales de alta velocidad que incluyen LVDS diferencial ECL , PECL , LVPECL , Hypertransport , Ethernet sobre par trenzado , interfaz digital serial , RS-422 , RS-485 , USB , serial ATA , TMDS , FireWire , HDMI , etc., o bien señales analógicas de alta calidad y/o alta frecuencia (p. ej. señales de vídeo , señales de audio balanceadas, etc.).
Las velocidades de datos de algunas interfaces implementadas con pares diferenciales incluyen las siguientes:
El tipo de línea de transmisión que conecta dos dispositivos (chips, módulos) suele dictar el tipo de señalización. La señalización de un solo extremo se utiliza normalmente con cables coaxiales , en los que un conductor protege totalmente al otro del entorno. Todas las pantallas (o escudos) se combinan en una sola pieza de material para formar un terreno común. Sin embargo, la señalización diferencial se utiliza normalmente con un par de conductores balanceados. Para cables cortos y bajas frecuencias, los dos métodos son equivalentes, por lo que se pueden usar circuitos baratos de un solo extremo con una tierra común con cables baratos. A medida que las velocidades de señalización se vuelven más rápidas, los cables comienzan a comportarse como líneas de transmisión.
La señalización diferencial se utiliza a menudo en las computadoras para reducir la interferencia electromagnética , porque la detección completa no es posible con microcintas y chips en las computadoras, debido a restricciones geométricas y al hecho de que la detección no funciona en CC. Si una línea de alimentación de CC y una línea de señal de bajo voltaje comparten la misma tierra, la corriente eléctrica que regresa a través de la tierra puede inducir un voltaje significativo en ella. Un terreno de baja resistencia reduce este problema hasta cierto punto. Un par equilibrado de líneas microstrip es una solución conveniente porque no necesita una capa de PCB adicional, como sí lo requiere una línea stripline . Debido a que cada línea provoca una corriente de imagen coincidente en el plano de tierra, que de todos modos se requiere para suministrar energía, el par parece cuatro líneas y, por lo tanto, tiene una distancia de diafonía más corta que un simple par aislado. De hecho, se comporta tan bien como un par trenzado. La baja diafonía es importante cuando muchas líneas están empaquetadas en un espacio pequeño, como en una PCB típica. [ cita necesaria ]
La señalización diferencial de alto voltaje (HVD) utiliza señales de alto voltaje . En electrónica informática , alto voltaje normalmente significa 5 voltios o más.
Las variaciones de SCSI -1 incluían una implementación de diferencial de alto voltaje (HVD) cuya longitud máxima de cable era muchas veces mayor que la de la versión de un solo extremo. Los equipos SCSI, por ejemplo, permiten una longitud total máxima de cable de 25 metros usando HVD, mientras que SCSI de un solo extremo permite una longitud máxima de cable de 1,5 a 6 metros, dependiendo de la velocidad del bus. Las versiones LVD de SCSI permiten longitudes de cable inferiores a 25 m, no por el voltaje más bajo, sino porque estos estándares SCSI permiten velocidades mucho más altas que el antiguo HVD SCSI.
El término genérico señalización diferencial de alto voltaje describe una variedad de sistemas. La señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS), por otro lado, es un sistema específico definido por un estándar TIA/EIA.
Algunos circuitos integrados que tratan con señales diferenciales proporcionan una opción de hardware (mediante opciones de flejado , bajo control de firmware o incluso automática) para intercambiar la polaridad de las dos señales diferenciales, lo que se denomina intercambio de pares diferenciales , inversión de polaridad , inversión de pares diferenciales , inversión de polaridad o inversión de carril . Esto se puede utilizar para simplificar o mejorar el enrutamiento de pares de trazas diferenciales de alta velocidad en placas de circuito impreso en el desarrollo de hardware, para ayudar a hacer frente a errores de cableado comunes mediante cables intercambiados o corregir fácilmente errores de diseño comunes bajo el control del firmware. [5] [6] [7] [8] [9] Muchos transceptores PHY Ethernet admiten esto como detección y corrección automática de polaridad (no debe confundirse con una función de cruce automático similar ). [10] PCIe y USB SuperSpeed también admiten inversión de polaridad de carril.
Otra forma de solucionar los errores de polaridad es utilizar códigos de línea insensibles a la polaridad .
Seamos claros desde el principio: si la impedancia de fuente de cada una de estas señales no fuera idéntica, es decir, balanceada, el método fallaría por completo, siendo irrelevante la coincidencia de las señales de audio diferenciales, aunque deseable por consideraciones de margen dinámico.(3 páginas)
Sólo el equilibrio de impedancia de modo común del controlador, la línea y el receptor desempeña un papel en el rechazo del ruido o la interferencia. Esta propiedad de rechazo de ruido o interferencia es independiente de la presencia de una señal diferencial deseada.
