探讨一下汽车数据中占据半壁江山的差分信号
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。
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。
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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
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图4 电磁波传输模型
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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。
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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。
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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。
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