Czy zastanawialiście się kiedyś, dlaczego we współczesnych szybkich interfejsach cyfrowych sygnał jest przesyłany w sposób różnicowy? A może mając w ręku kawałek skrętki Ethernetowej, pozwoliliście sobie na chwilę kontemplacji, dlaczego przewód ten składa się z 4 par skręconych drutów? Jeśli tak, to dobrze trafiliście.
Protokoły różnicowe są stosowane w wielu popularnych interfejsach, z którymi spotkał się prawdopodobnie każdy. Wśród nich wyróżnić można:
- USB,
- HDMI,
- Ethernet,
- PCIe
- i wiele innych.
Sygnalizacja różnicowa nie ogranicza się tylko do szybkich interfejsów, ale jest też używana w komunikacji, która powinna być jak najbardziej odporna na zakłócenia – nawet w trudnych warunkach pracy jak np. RS-485. W tym krótkim artykule chciałbym przybliżyć, czym jest przesyłanie sygnałów w sposób różnicowy, jakie niesie korzyści oraz jakie stwarza zagrożenia.
Komunikacja jednostronna
Aby poprawnie opisać, na czym polega przesyłanie danych w sposób różnicowy, musimy najpierw zastanowić się, na czym polega przesyłanie danych w „tradycyjny” sposób. Komunikacja jednostronna (ang. Single-ended), bo to o niej mowa, jest sposobem przesyłania sygnału za pomocą jednej ścieżki/jednego przewodu. Zakładam, że każdy z czytelników miał szansę się z nią spotkać.
Komunikacja single ended jest najprostszą i najczęściej używaną formą transmisji sygnałów elektrycznych. Przykładami interfejsów wykorzystujących taki rodzaj komunikacji będą popularne interfejsy cyfrowe, które prawie zawsze można spotkać w obrębie jednego PCB:
- UART,
- SPI,
- I2C itp.
Tor komunikacji jednostronnej składa się z:
- nadajnika,
- odbiornika,
- elektrycznego połączenia pomiędzy nimi.
Przy takim rodzaju komunikacji sygnał kodowany jest za pomocą napięcia. Napięcie to jest mierzone względem masy. Oznacza to tyle, że w przypadku, kiedy chcemy skomunikować ze sobą dwa urządzenia, potrzebujemy przynajmniej dwóch przewodów – jednego przenoszącego sygnał oraz drugiego, który pozwoli na ustalenie wspólnego punktu odniesienia dla tego sygnału.
Z czysto teoretycznego punktu widzenia do połączenia ze sobą dwóch urządzeń, które komunikują się ze sobą za pomocą sygnalizacji jednostronnej, potrzebujemy n+1 przewodów, gdzie „n” to jest liczba przewodów sygnałowych, a „1” przewód przesyłający sygnał odniesienia.
W praktyce, kiedy kilka linii sygnałowych współdzieli jeden przewód zerowy, sygnały te mogą się zakłócać poprzez spadek napięcia na przewodzie zerowym. W konsekwencji konieczne może się okazać dołożenie dodatkowych przewodów masowych. Komunikacja jednostronna jest szczególnie narażona na przechwytywanie zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą uniemożliwić poprawne odczytanie danych przez odbiornik.
Komunikacja różnicowa
Każda para różnicowa składa się z dwóch jednostronnych linii transmisyjnych. To, co czyni takie połączenie wyjątkowym, jest sprzężenie pomiędzy tymi liniami. Transmisja różnicowa wykorzystuje dwa komplementarne sygnały napięciowe w celu przesłania jednego bitu danych. Informacja jest kodowana nie jako poziom napięcia w przewodniku, ale jako różnica napięć pomiędzy dwoma przewodnikami występującymi w parze. Podczas gdy jeden z przewodników niesie sygnał napięciowy o danej amplitudzie, drugi z nich przenosi sygnał o takiej samej amplitudzie, ale przeciwnej polaryzacji.
No dobrze, ale zastanówmy się, jakie realne korzyści niesie takie sprzężenie dwóch linii.
Pierwszą z nich jest tłumienie wspólnych sygnałów zakłócających, bez konieczności stosowania dodatkowych filtrów. Wynika to bezpośrednio z tego, że odebrany sygnał jest różnicą sygnałów w obu liniach.
Można zapisać to wzorem:
Wzór ten jest prawdziwy tylko wtedy, kiedy obie linie odbierają ten sam poziom zakłóceń. Sytuacja taka jest możliwa, gdy obie linie są bardzo blisko siebie – jak na przykład w skrętce ethernetowej.
Nie oznacza to jednak, że sygnały w parach różnicowych są odporne na przesłuchy sprzęgające do linii w obrębie jednej płytki PCB. Jeśli dla przykładu poprowadzimy parę różnicową w bliskiej odległości innej ścieżki sygnałowej na tej samej warstwie PCB, zakłócenia nie będą jednakowe w obu parach, a w konsekwencji zakłócenia nie zostaną zniwelowane w odbiorniku i mogą doprowadzić do błędnych odczytów.
Aby temu zapobiec, sygnały różnicowe muszą być prowadzone z zachowaniem odpowiednich odstępów od innych sygnałów na PCB.
Kolejną zaletą, którą wykorzystuje się głównie w sygnałach różnicowych poprowadzonych za pomocą przewodów, jest brak prądu powrotnego przez masę układu. W sprzężonych liniach różnicowych jedna z linii niesie sygnał, a druga zapewnia mu drogę powrotną. Wobec tego, jeśli w idealnym przypadku nie mamy prądu powrotnego, odniesienie do ziemi staje się mniej istotne.
W praktyce potencjał uziemienia może być różny po stronie nadajnika i odbiornika. Z reguły ta różnica może się zawierać w pewnym akceptowalnym zakresie napięcia wspólnego, który wynika z konstrukcji stopnia wejściowego odbiornika. Należy jednak pamiętać, że w przyrodzie nie ma ideałów i nie jesteśmy w stanie zagwarantować, że oba przewody w parze będą dla sygnału jednorodne w całej swojej długości.
W przypadku jakichkolwiek nieciągłości prąd powrotny może się pojawić w zasadzie wszędzie – może popłynąć poprzez metalowe elementy obudowy, ekran w przewodach lub nawet ziemię. Taka niezdefiniowana i niezbyt oczywista ścieżka prądu może przysporzyć problemów z EMI (ang. Electromagnetic Interference), więc należy mieć to na uwadze. W przypadku płytek PCB dla par różnicowych większość powrotnego prądu będzie znajdowało się w płaszczyźnie masy pod ścieżką. To jaka część z tego prądu będzie przepływała przez drugi z przewodników, zależy od stopnia ich sprzężenia.
Dzięki sprzężeniu dwóch przewodników mamy kontrolę nie tylko nad poziomem zakłóceń dostających się do linii, ale także jesteśmy w stanie ograniczyć pole elektromagnetyczne wyemitowane z pary. Szybkie przejścia, takie jak rosnące i opadające krawędzie sygnałów cyfrowych, mogą generować znaczne ilości EMI.
Zarówno sygnały pojedyncze, jak i różnicowe generują EMI, ale dwa sygnały w parze różnicowej tworzą pola elektromagnetyczne, które (w idealnym przypadku) mają równą wielkość, ale przeciwną polaryzację. To, w połączeniu z technikami utrzymującymi bliską odległość między dwoma przewodnikami (takimi jak użycie skrętki), zapewnia, że emisje z dwóch przewodników w dużej mierze znoszą się wzajemnie.
W zrównoważonym układzie sygnalizacji różnicowej można łatwo określić stany logiczne sygnałów. Gdy sygnał nieodwrócony jest większy od sygnału odwróconego w parach różnicowych, odpowiada to stanowi logicznemu wysokiemu i odwrotnie. Przecięcie sygnałów nieodwróconych i odwróconych w liniach różnicowych wskazuje na przejście z jednego stanu logicznego do drugiego.
Wobec tego pojawia się nowe zjawisko, które trzeba wziąć pod uwagę, a które nie występuje w przypadku sygnalizacji jednostronnej – dopasowanie długości obu linii. Najważniejszym założeniem jest tutaj to, że oba sygnały powinny dotrzeć do odbiornika z jednakowym opóźnieniem.
Wiele osób spiera się, że długość przewodów lub ścieżek w parze różnicowej nie musi być idealnie dopasowana. Ilustrują to specyfikacjami części w torze komunikacyjnym i dozwolonymi opóźnieniami w budżecie czasowym dla sygnału. Jest to prawda – lekko przesunięty sygnał nadal zostanie prawidłowo odebrany – jednak nie to jest głównym powodem, dlaczego chcemy dopasować długości przewodników.
Cały sens dopasowywania ma związek z założeniem, że sygnały różnicowe są równe, ale o przeciwnych znakach. Gdy to założenie zostanie naruszone, zaczynają płynąć niekontrolowane prądy doziemne. W najlepszym przypadku są łagodne, ale w najgorszym mogą generować poważne problemy związane z EMC (ang. Electromagnetic Compability). To właśnie dlatego, jeśli weźmiecie do ręki dowolną płytkę, na której występują interfejsy high-speed, zobaczycie, że ścieżki wytrawione na PCB często układają się w meandryczne wzory.
Sygnały różnicowe mają również tę dodatkową zaletę, że mogą pracować przy niższych napięciach, niż sygnały single-ended, zachowując przy tym stosunek sygnału do szumu (SNR). Mniejszy poziom napięcia jest możliwy, ponieważ odbiornik musi widzieć tylko różnicę w poziomie napięcia między liniami „+” i „–”. Przy niższych napięciach można uzyskać korzyści w postaci możliwości stosowania niższych napięć zasilających, mniejszego zużycia energii i mniejszej emisji EMI.
Podsumowanie
Podsumowując, jeśli w swoich projektach potrzebujesz zapewnić komunikację pomiędzy dwoma urządzeniami, które znajdują się w znacznej odległości od siebie, warto rozważyć zastosowanie sygnalizacji różnicowej. Będziesz czerpać korzyści z większej szybkości przesyłania danych, niższych wymagań energetycznych i zmniejszonego poziomu EMI.
Największą z zalet będzie przede wszystkim zwiększona niezawodność zastosowanej komunikacji. Wadą w takim podejściu jest konieczność użycia dodatkowego układu konwertera sygnału jednostronnego na różnicowy. Jednak, zwłaszcza w projektach małoseryjnych, jest to moim zdaniem koszt, który opłaca się ponieść, aby móc czerpać ze wszystkich benefitów komunikacji różnicowej.
***
Jeśli ciekawią Was inne artykuły z obszaru Embedded, polecamy teksty naszych ekspertów: Projektowanie PCB na dwóch warstwach, O królu RAM-ie, Podstawy lutowania, Programowanie bezgałęziowe oraz Maszyny wirtualne – interpretery.
Fajny temat. Przydaloby sie poruszyc kweste czy zaorkaglac meandy czy nie i dlaczego :). Dobrze by bylo rowniez poruszyc kwestie busow roznicowych i odstepow miedzy para jak i parami roznicowymi (takie zlote reguly o ktorych warto pamietac chociaz nie zawsze sie da).