Что такое синфазный шум?
Практически все интегральные схемы (и схемы в целом) имеют вывод с именем «земля» или «GND», или в техническом описании говорится что-то вроде «подключить VSS к земле».
При передаче данных «на большое расстояние» провода действуют как антенны и могут легко улавливать шум в несколько вольт, а также излучать шум. Так, например, выходной контакт на микросхеме в одном блоке может передавать «0» как около 0,5 В и передавать «1» бит как около 2,5 В, измеренный относительно вывода заземления того же чипа «линейного драйвера» ,
В удаленном месте другой конец провода часто подключается к контакту на микросхеме «линейного приемника». Из-за шума напряжение на этом входном выводе, измеренное относительно заземляющего контакта того же линейного приемника, часто может быть где-то в диапазоне от -1,5 В до +2,5 В, когда передатчик пытается отправить «0», и где-нибудь в диапазоне от 0,5 В до 4,5 В, когда передатчик пытается отправить «1».
Так как же приемник может узнать, пытается ли передатчик отправить 1 или 0, когда он получает напряжение, например 0,9 или 2,2?
Из-за этого данные, передаваемые на большие расстояния, часто отправляются с использованием дифференциальной сигнализации по сбалансированной паре , часто по витой паре . В частности, кабели USB, CANbus и MIDI содержат одну витую пару для данных; «2-строчные» телефоны и FireWire используют две витые пары; Кабели Ethernet CAT5e включают в себя четыре витые пары; другие системы используют еще больше пар. Часто (но не всегда) в одном и том же пучке кабелей есть какой-то другой «провод заземления».
Мы помечаем один из этих проводов «плюс» или «положительный» или «+» или «p», а другой провод «минус» или «-» или «отрицательный» или «n». Поэтому, когда я хочу передать сигнал «CLK» и «MOSI» из одного места в другое, мой кабель имеет 4 провода, помеченных как pCLK, nCLK, pMOSI, nMOSI.
Синфазное напряжение на CLK представляет собой среднее из двух проводов, CLK (PCLK + nCLK) / 2, измеренных в приемнике - по отношению к GND контакту этого приемника.
Синфазное напряжение MOSI - это среднее значение двух проводов MOSI (pMOSI + nMOSI) / 2, измеренное на приемнике - относительно вывода GND этого приемника.
Люди, которые разрабатывают линейные драйверы, стараются заставить их подтягивать линию «p» вверх столько же, сколько и одновременно, когда линия «n» идет вниз, и наоборот, поэтому среднее напряжение (измеренное в драйвере) постоянно - - в этом примере среднее значение у водителя составляет постоянную 1,5 В. (Увы, они никогда не бывают полностью успешными).
Если бы не было шума, то синфазное напряжение также было бы таким же постоянным значением - но, увы, это не так.
Всякий раз, когда данные передаются с помощью дифференциальной сигнализации, разница между бесшумным синфазным напряжением и фактическим синфазным напряжением целиком обусловлена шумом. Эта разница называется синфазным шумом.
Существует 3 основных причины синфазного шума:
- Многие дифференциальные пары управляются таким образом , чтобы не переключаться на «+» и «-» провода в точности то же самое время, или точно таким же напряжением, или , возможно , небольшие количества шума на утечки мощности рельсовых возбудитель линии в на только Провод «+», а не «-», вызывая синфазный шум. ( Ферритовый дроссель на стороне «драйвера» кабеля обычно используется для уменьшения синфазного шума от этого источника).
- Другие провода в жгуте кабеля могут пропустить больше энергии в один провод пары, чем другой - обычно через емкостную связь. (Скручивание каждой пары разного количества витков на длину обычно используется для уменьшения синфазного шума от этого источника).
- Внешние помехи - часто через индуктивную связь.
Как может синфазный шум быть проблематичным?
Люди пытаются спроектировать линейные приемники для подавления синфазного шума. (Увы, они никогда не бывают полностью успешными). Но даже в системе, которая использует дифференциальную сигнализацию с такими линейными приемниками, синфазный шум все еще может быть проблематичным:
Длинные провода связи действуют как антенны. Если линейный драйвер посылает слишком много синфазного шума по проводам, это вызывает радиочастотные помехи для других устройств и приводит к тому, что система не проходит тестирование FCC или CE, или и то, и другое для электромагнитной совместимости (ЭМС).
Некоторые из утечек синфазного шума через приемник линии - коэффициент ослабления синфазного не является бесконечным. Это большая проблема с аналоговыми сигналами; обычно не проблема с цифровыми единицами и нулями.
Большинство интегральных микросхем не работают правильно, когда какой-либо вывод слишком высокий или два низковольтных напряжения ниже 0,6 В ниже вывода GND и выше 0,6 В выше контакта питания обычно вызывают проблемы. Поскольку синфазный шум может легко выдвинуть сигнал «+» или «-», или оба, вне этого диапазона, линейные приемные цепи должны либо соединить провода со специальными интегральными схемами (такими как «Расширенные синфазные приемопередатчики RS-485»). ") которые могут справиться с такими экскурсиями; или подключите провода к некоторому неинтегрированному компоненту, который защищает микросхемы от таких отклонений, например, к оптоизоляторам, используемым в MIDI, или к трансформаторам, используемым в Ethernet.