汽车数据线缆探讨之差分信号篇

来源：线束世界•作者：•2023-11-08 13:25

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）。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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”。对模拟信道，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。

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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。