الإشارة التفاضلية

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "Differential signalling" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( يناير 2021 ) ( تعرف على كيفية ومتى تزيل هذه الرسالة )

الإشارات التفاضلية هي طريقة لنقل المعلومات كهربائيًا باستخدام إشارتين متكاملتين . ترسل هذه التقنية نفس الإشارة الكهربائية كزوج تفاضلي من الإشارات، كل منها في موصل خاص بها . يمكن أن يكون زوج الموصلات عبارة عن أسلاك في كبل مزدوج مجدول أو شريطي أو مسارات على لوحة دوائر مطبوعة .

كهربائيًا، يحمل الموصلان إشارات جهد متساوية في المقدار ، ولكن ذات قطبين متعاكسين . تستجيب دائرة الاستقبال للفرق بين الإشارتين، مما ينتج عنه إشارة ذات مقدار أكبر بمرتين.

يمكن الإشارة إلى الإشارات المتماثلة للإشارات التفاضلية على أنها متوازنة ، ولكن هذا المصطلح ينطبق بشكل أكثر ملاءمة على الدوائر المتوازنة والخطوط المتوازنة التي ترفض التداخل ذي الوضع المشترك عند إدخالها في جهاز استقبال تفاضلي. لا تجعل الإشارات التفاضلية الخط متوازنًا، ولا يتطلب رفض الضوضاء في الدوائر المتوازنة إشارات تفاضلية.

يجب مقارنة الإشارات التفاضلية بالإشارات أحادية النهاية التي تحرك موصلًا واحدًا فقط بالإشارة، بينما يكون الموصل الآخر متصلًا بجهد مرجعي ثابت.

على عكس الاعتقاد السائد، لا تؤثر الإشارات التفاضلية على إلغاء الضوضاء. سترفض الخطوط المتوازنة ذات المستقبلات التفاضلية الضوضاء بغض النظر عما إذا كانت الإشارة تفاضلية أو أحادية الطرف، ^{[1] [2]} ولكن نظرًا لأن رفض ضوضاء الخط المتوازن يتطلب مستقبلًا تفاضليًا على أي حال، فغالبًا ما تُستخدم الإشارات التفاضلية على الخطوط المتوازنة. تتضمن بعض فوائد الإشارات التفاضلية ما يلي:

• مضاعفة جهد الإشارة بين الزوج التفاضلي (مقارنة بإشارة ذات نهاية واحدة بنفس المستوى الاسمي )، مما يعطي مساحة إضافية قدرها 6 ديسيبل . ^[1]
• يتم رفض الضوضاء ذات الوضع المشترك بين الأمبيرين (على سبيل المثال من رفض مصدر الطاقة غير الكامل ) بسهولة بواسطة جهاز استقبال تفاضلي.
• من الممكن تمديد الكابلات لفترة أطول بفضل هذه المناعة المتزايدة للضوضاء ومساحة الرأس الإضافية بمقدار 6 ديسيبل.
• عند الترددات الأعلى، يمكن أن تتغير معاوقة خرج مكبر الصوت، مما يؤدي إلى اختلال التوازن بشكل طفيف. عند التشغيل في الوضع التفاضلي بواسطة مكبرين متطابقين، سيكون هذا التغيير في المعاوقة هو نفسه لكلا الخطين، وبالتالي يتم إلغاؤه. ^[1]

تعمل الإشارات التفاضلية لكل من الإشارات التناظرية، كما هو الحال في الصوت المتوازن ، والإشارات الرقمية، كما هو الحال في RS-422 و RS-485 و Ethernet عبر زوج مجدول و PCI Express و DisplayPort و HDMI و USB .

تسعى صناعة الإلكترونيات ، وخاصة في الأجهزة المحمولة والمتنقلة، باستمرار إلى خفض جهد الإمداد لتوفير الطاقة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع ذلك، فإن جهد الإمداد المنخفض يقلل من مقاومة الضوضاء. تساعد الإشارات التفاضلية في تقليل هذه المشكلات لأنها توفر ضعف مقاومة الضوضاء لنظام أحادي الطرف لجهد إمداد معين.

لمعرفة السبب، ضع في اعتبارك نظامًا رقميًا أحادي الطرف بجهد إمداد . المستوى المنطقي العالي هو والمستوى المنطقي المنخفض هو 0 فولت. وبالتالي فإن الفرق بين المستويين هو . الآن ضع في اعتبارك نظامًا تفاضليًا بنفس جهد الإمداد. فرق الجهد في الحالة العالية، حيث يكون أحد السلكين عند 0 فولت والآخر عند 0 فولت، هو . فرق الجهد في الحالة المنخفضة، حيث يتم تبادل الفولتات على الأسلاك، هو . وبالتالي فإن الفرق بين المستويات المنطقية العالية والمنخفضة هو . وهذا ضعف الفرق في النظام أحادي الطرف. إذا كانت ضوضاء الجهد على أحد الأسلاك غير مرتبطة بالضوضاء على السلك الآخر، فإن الأمر يتطلب ضعف الضوضاء للتسبب في خطأ في النظام التفاضلي كما هو الحال في النظام أحادي الطرف. بعبارة أخرى، تعمل الإشارات التفاضلية على مضاعفة مناعة الضوضاء. ^{[ بحاجة لمصدر ]}${\displaystyle V_{S}}$${\displaystyle V_{S}\,}$${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$${\displaystyle V_{S}\,}$${\displaystyle V_{S}-0\,\mathrm {V} =V_{S}}$${\displaystyle 0\,\mathrm {V} -V_{S}=-V_{S}}$${\displaystyle V_{S}-(-V_{S})=2V_{S}\,}$

في الإشارات أحادية الطرف، يولد المرسل جهدًا واحدًا يقارنه المستقبل بجهد مرجعي ثابت، وكلاهما نسبة إلى اتصال أرضي مشترك بين الطرفين. في العديد من الحالات، لا تكون التصميمات أحادية الطرف ممكنة. هناك صعوبة أخرى تتمثل في التداخل الكهرومغناطيسي الذي يمكن أن يتولد عن نظام إشارات أحادي الطرف يحاول العمل بسرعة عالية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

عند إرسال إشارات تفاضلية بين قطعتين من المعدات، من الشائع القيام بذلك من خلال واجهة متوازنة. الواجهة عبارة عن نظام فرعي يحتوي على ثلاثة أجزاء: محرك وخط وجهاز استقبال. تكمل هذه المكونات الثلاثة دائرة كاملة لتنتقل خلالها الإشارة، وممانعات هذه الدائرة هي ما يحدد ما إذا كانت الواجهة ككل متوازنة أم لا: ^[3] "الدائرة المتوازنة هي دائرة ذات موصلين حيث يكون لكل من الموصلات وجميع الدوائر المتصلة بهما نفس المعاوقة للأرض وجميع الموصلات الأخرى." ^[4] تم تطوير الواجهات المتوازنة كنظام حماية ضد الضوضاء. من الناحية النظرية، يمكنها رفض أي تداخل طالما كان في الوضع المشترك (الجهد الذي يظهر بنفس المقدار ونفس القطبية في كلا الموصلين). ^[3]

يوجد ارتباك كبير فيما يتعلق بما يشكل واجهة متوازنة وكيف ترتبط بالإشارات التفاضلية. في الواقع، هما مفهومان مستقلان تمامًا: الواجهة المتوازنة تتعلق بالضوضاء ورفض التداخل، في حين أن الإشارات التفاضلية تتعلق فقط بالمساحة. لا يحدد توازن معاوقة الدائرة الإشارات التي يمكنها حملها والعكس صحيح. ^[3]

تعمل هذه التقنية على تقليل التداخل الإلكتروني والتداخل الكهرومغناطيسي ، وانبعاث الضوضاء وقبول الضوضاء، ويمكنها تحقيق معاوقة مميزة ثابتة أو معروفة ، مما يسمح بتقنيات مطابقة المعاوقة المهمة في خط نقل الإشارة عالي السرعة أو خط متوازن عالي الجودة ومسار إشارة الصوت في الدائرة المتوازنة.

تتضمن الأزواج التفاضلية ما يلي:

• كابلات مجدولة مزدوجة ، محمية وغير محمية
• تقنيات توجيه أزواج التفاضلية للخطوط الشريطية والخطوط الدقيقة على لوحات الدوائر المطبوعة

تحمل الأزواج التفاضلية عمومًا إشارات تفاضلية أو شبه تفاضلية، مثل واجهات التسلسل الرقمية عالية السرعة بما في ذلك LVDS التفاضلية ECL ، وPECL ، وLVPECL ، و Hypertransport ، و Ethernet عبر زوج مجدول ، وواجهة رقمية تسلسلية ، و RS-422 ، وRS-485 ، و USB ، و Serial ATA ، و TMDS ، و FireWire ، و HDMI ، وما إلى ذلك، أو إشارات تناظرية عالية الجودة و/أو عالية التردد (مثل إشارات الفيديو ، وإشارات الصوت المتوازنة، وما إلى ذلك).

غالبًا ما تستخدم الإشارات التفاضلية أسلاكًا أو موصلات متطابقة الطول تُستخدم في الروابط التسلسلية عالية السرعة . ^[5]

تتضمن معدلات البيانات لبعض الواجهات التي تم تنفيذها باستخدام أزواج تفاضلية ما يلي:

• ATA التسلسلي – 1.5 جيجابت/ثانية
• النقل الفائق السرعة – 1.6 جيجابت/ثانية
• إنفينيباند – 2.5 جيجابت/ثانية
• PCI Express – 2.5 جيجابت/ثانية
• مراجعة ATA التسلسلية 2.0 - 2.4 جيجابت/ثانية
• XAUI – 3.125 جيجابت/ثانية
• مراجعة ATA التسلسلية 3.0 - 6 جيجابت/ثانية
• PCI Express 2.0 – 5.0 جيجابت/ثانية لكل مسار
• 10 Gigabit Ethernet – 10 Gbit/s (أربعة أزواج تفاضلية تعمل بسرعة 2.5 Gbit/s لكل منها)
• DDR SDRAM – 3.2 جيجابت/ثانية (مزلاجات ضوئية تفاضلية تغلق البيانات ذات النهاية الواحدة)

غالبًا ما يحدد نوع خط النقل الذي يربط بين جهازين (شرائح، وحدات) نوع الإشارة. تُستخدم الإشارة أحادية الطرف عادةً مع الكابلات المحورية ، حيث يحجب موصل واحد الآخر تمامًا عن البيئة. يتم دمج جميع الشاشات (أو الدروع) في قطعة واحدة من المواد لتشكيل أرضية مشتركة. ومع ذلك، تُستخدم الإشارة التفاضلية عادةً مع زوج متوازن من الموصلات. بالنسبة للكابلات القصيرة والترددات المنخفضة، تكون الطريقتان متكافئتين، لذلك يمكن استخدام الدوائر أحادية الطرف الرخيصة ذات الأرضية المشتركة مع الكابلات الرخيصة. مع تزايد سرعة الإشارة، تبدأ الأسلاك في التصرف كخطوط نقل.

غالبًا ما تستخدم الإشارات التفاضلية في أجهزة الكمبيوتر لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي ، لأن الفحص الكامل غير ممكن باستخدام الشرائط الدقيقة والرقائق في أجهزة الكمبيوتر، بسبب القيود الهندسية وحقيقة أن الفحص لا يعمل عند التيار المستمر. إذا كان خط إمداد الطاقة المستمر وخط إشارة الجهد المنخفض يشتركان في نفس الأرض، فإن تيار الطاقة العائد عبر الأرض يمكن أن يحفز جهدًا كبيرًا فيها. تقلل الأرض ذات المقاومة المنخفضة من هذه المشكلة إلى حد ما. يعد الزوج المتوازن من خطوط الشرائط الدقيقة حلاً مناسبًا لأنه لا يحتاج إلى طبقة PCB إضافية، كما هو الحال مع خط الشريط . نظرًا لأن كل خط يتسبب في تيار صورة مطابق في مستوى الأرض، وهو مطلوب على أي حال لتزويد الطاقة، فإن الزوج يبدو وكأنه أربعة خطوط وبالتالي يكون له مسافة تداخل أقصر من الزوج المعزول البسيط. في الواقع، يتصرف بشكل جيد مثل الزوج المجدول. يعد التداخل المنخفض مهمًا عندما يتم حشر العديد من الخطوط في مساحة صغيرة، كما هو الحال في لوحة الدوائر ^{المطبوعة النموذجية .}

تستخدم إشارات التفاضلية عالية الجهد (HVD) إشارات عالية الجهد . في إلكترونيات الكمبيوتر ، يعني الجهد العالي عادةً 5 فولت أو أكثر.

تتضمن إصدارات SCSI -1 تنفيذًا لفرق الجهد العالي (HVD) حيث يبلغ الحد الأقصى لطول الكابل عدة مرات أطول من الإصدار أحادي الطرف. على سبيل المثال، تسمح معدات SCSI بطول كابل إجمالي أقصى يبلغ 25 مترًا باستخدام فرق الجهد العالي، بينما تسمح SCSI أحادية الطرف بطول كابل أقصى يتراوح من 1.5 إلى 6 أمتار، اعتمادًا على سرعة الناقل. تسمح إصدارات LVD من SCSI بطول كابل أقل من 25 مترًا ليس بسبب الجهد المنخفض، ولكن لأن معايير SCSI هذه تسمح بسرعات أعلى بكثير من SCSI HVD الأقدم.

يصف المصطلح العام إشارات التفاضلية ذات الجهد العالي مجموعة متنوعة من الأنظمة. من ناحية أخرى، فإن إشارات التفاضلية ذات الجهد المنخفض (LVDS) عبارة عن نظام محدد يتم تحديده من خلال معيار TIA/EIA.

توفر بعض الدوائر المتكاملة التي تتعامل مع الإشارات التفاضلية خيارًا للأجهزة (عبر خيارات الربط ، أو تحت سيطرة البرامج الثابتة، أو حتى تلقائيًا) لمبادلة قطبية إشارتي التفاضل، والتي تسمى مبادلة الزوج التفاضلي ، أو عكس القطبية ، أو عكس الزوج التفاضلي ، أو عكس القطبية ، أو عكس المسار . يمكن الاستفادة من هذا لتبسيط أو تحسين توجيه أزواج التفاضل عالية السرعة من المسارات على لوحات الدوائر المطبوعة في تطوير الأجهزة، للمساعدة في التعامل مع أخطاء الكابلات الشائعة من خلال الأسلاك المبدلة، أو إصلاح أخطاء التصميم الشائعة بسهولة تحت سيطرة البرامج الثابتة. ^{[6] [7] [8] [9] [10]} تدعم العديد من أجهزة الإرسال والاستقبال Ethernet PHY هذه الخاصية ككشف تلقائي للقطبية وتصحيحها (لا ينبغي الخلط بينها وبين ميزة التقاطع التلقائي المشابهة ). ^{[11] كما تدعم} PCIe و USB SuperSpeed ​​أيضًا عكس قطبية المسار.

هناك طريقة أخرى للتعامل مع أخطاء القطبية وهي استخدام أكواد الخطوط غير الحساسة للقطبية .

• لوحات خلفية
• إشارات الحلقة الحالية
• منطق الوضع الحالي (CML)
• ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية DDR
• مكبر تفاضلي
• TTL التفاضلية
• منفذ العرض
• همبوكر
• الجهد الطولي
• سلامة الإشارة
• إشارات أحادية النهاية
• إشارات التفاضلية الانتقالية المصغرة (TMDS)