Diferentsiaalse digitaalsignaali põhimõte
**Diferentsiaalne signaaliedastus** on signaalide edastamise meetod, kasutades kahte komplementaarset signaalirada.

Traditsiooniline signaaliedastusmeetod kasutab ühte signaalirada, mida võrreldakse teatud etaloniga, näiteks maaga. Diferentsiaalne signaal aga edastatakse kahe signaaliga, mille väärtus saadakse neid võrreldes. Diferentsiaalne signaal koosneb signaalist endast ja selle inverteeritud signaalist.

Tööpõhimõte
-----------

Diferentsiaalne signaaliedastus kasutab ühe signaali saatmiseks kahe signaalirajaga ehk kahte signaali. Diferentsiaalne signaaliedastus jaguneb kaheks osaks: saatja ja vastuvõtja. Saatja võtab saadetava signaali ja jagab selle kaheks. Üks väljuvatest signaalidest inverteeritakse mingi baaspinge suhtes ja selle tähis on tihti V-. Teine signaal jääb algseks ja selle tähis on tihti V+. Nende kahe signaali amplituud antud baaspinge suhtes peab jääma võrdseks. Vastuvõtja koosneb diferentsvõimendist, mis saab sisenditeks saabuvad signaalirajad. Antud signaaliradade pingete vahe võimendatakse ja selle tulemusel taastatakse saadetud signaal. Näiteks oletagem, et baaspinge on 1 V ja maksimumamplituud 1 V. Sel juhul on digitaalsignaali korral loogiline 0 inverteerimata signaalirajas 0 V ja inverteeritud rajas 1 V. Loogilise 1 korral on inverteerimata signaalirajas 1 V ja inverteeritud rajas 0 V.

Eelised
-------

### Müra

Kiired signaalid on vastuvõtlikud elektromagnetilistele häiretele. Antud häireid võib tekitada mõni paralleelselt jooksev juhe või mõni muu elektroonikakomponent. Diferentsiaalsete signaalide puhul aga mõjutab elektromagnetiline häire nii inverteerimata kui ka inverteeritud signaali võrdselt. Selle tulemusel on võimalik antud elektromagnetiline häire signaalist eemaldada. Selle näide on nähtav järgmisel skeemil.

Diferentsiaalse signaali müra eemaldamise põhimõte

Lisaks tekitavad diferentsiaalsed signaalid vähem elektromagnetilisi häireid, kuna signaalid võrdse magnituudiga aga vastupidise polaarsusega. See tasakaalustab tekkivad elektromagnetilised häired. Lisaks aitab sellele kaasa keerdpaarjuhtme kasutamine, kuna see viib signaalirajad üksteisele lähemale.

### Naasva voolu puudumine

Diferentsiaalsete signaalide puhul võib etalonpinge erineda saatjas ja vastuvõtjas, mille tulemusel selle tähtsus väheneb. Kuna signaal saadetakse kahe traadiga ja etaloniga ei võrrelda, siis ideaalses olukorras ei naase vool saatjasse. Teatud rakendused, näiteks USB, vajavad aga ka etaloni ühendamist saatja ja vastuvõtja vahel, et pinged püsiksid lubatud piirides.

### Madalam pinge

Traditsiooniline signaaliedastus peab kasutama suhteliselt kõrgeid pingeid, et tagada mürakindlus. Levinud pinged on 3,3 V ja 5 V. Elektroonikatööstus aga ajab taga madalamaid pingeid, et vähendada seadmete voolutarvet. Eriti kehtib see kaasaskantavate seadmete nagu mobiiltelefonide kohta. Madalamad pinged toovad kaasa väiksema mürakindluse. Kuna aga diferentsiaalsed signaalid on mürakindlamad, saab neid kasutada madalamate pingetega. See jällegi vähendab kiirgavaid elektromagnetilisi laineid.

### Täpsem ajastus

Diferentsiaalses signaalis saadakse signaali väärtus kahte signaali võrreldes. Kui inverteerimata signaali pinge on kõrgem inverteeritud signaalist on väärtus loogiline 1. Kui aga inverteerimata signaal on madalam inverteeritud signaalist, siis on väärtus loogiline 0. Traditsioonilises signaaliedastuses saadakse väärtus aga lävega võrreldes. Lävi aga on sõltuvalt seadmest erinev, mis toob kaasa ebatäpsust. Diferentsiaalsel signaalil aga toimub väärtuse muutus täpselt siis, kui kahe signaali väärtused on võrdsed.

Puudused
--------

Diferentsiaalse signaaliedastuse peamine puudujääk on see, et see kasutab rohkem signaaliradu, kuna iga signaali kohta peab olema 2 rada. Traditsiooniline signaaliedastusega kasutatakse aga vaid ühte, millele lisandub etalon näiteks maa. Seda etaloni võivada aga erinevad signaalid jagada. Seega näiteks 16 signaali puhul kasutab diferentsiaalne signaaliedastus 32 signaalirada ja traditsiooniline 17 signaalirada.

Kõrgematel kiirustel peab diferentsiaalsete signaalide puhul ka hakkama arvestama signaaliradade pikkusega. Kasutatavad rajad peavad olema võrdsete pikkustega, et ei toimuks signaalide nihet. Nihke toimumisel liigub signaalide ristumispunkt ja ajastus läheb paigast ära. Selle tulemusel võib juhtuda, et signaalist pole enam võimalik aru saada.

Tehnoloogiad
------------

On välja töötatud mitu tehnoloogiat, mis põhinevad diferentsiaalsel signaaliedastusel. Mõned sellised on näiteks LVDS, ECL ja PECL.

### ECL ja PECL

ECL (*Emitter Coupled Logic*) ehk emittersidestusloogika on 1960ndatel välja töötatud standard, mida kasutatakse ka diferentsiaalsete signaalide edastamiseks. ECL kasutab loogikaväratite realiseerimiseks bipolaartransistore ja seda iseloomustab kiire ümberlülituste kiirus. Standardi pool. ECL töötab −5,2 V pingel. PECL (*Positive ECL* või *Pseudo ECL*) teeb sama, mida ECL, aga positiivse 5 V pingega ja on rohkem levinud, kuna enamus elektroonikat töötab positiivsete pingetega. PECL loogiline 1 on 4,0 V ja loogiline 0 3,2 V. On olemas ka LVPECL (*Low Voltage PECL*), mis töötab 3,3 V pingega, kus loogiline 1 on 2,3 V ja loogiline 0 1,6 V.

### LVDS

LVDS (*low-voltage differential signaling*) ehk madalpingeline diferentsiaalne signaaliedastus on digitaalne liides, mis kasutab vähe voolu, võimaldab kiiret andmeedastust ja on kõrget mürakindlust. See on standardiseeritud ANSI/TIA/EIA-644 nime all. LVDS signaal juhib umbes 3,5 mA voolu 1,2 V ümber ja vastuvõtja kasutab 100 Ω lõpetavat takistit. Kahe signaali pingete vahe on 247–454 mV, kus tüüpiline on 350 mV. Maksimaalne pingevahemik on 0–2,4 V, et tagada mürakindlus. LVDS-i eelis teiste diferentsiaalsete signaaliedastuste ees on madal võimsus, mis on 1,2 mW. Näiteks RS-485 ja RS-422 võimsus on aga 90 mW. Lisaks võimaldab LDSI-i kasutamine vähendada signaaliradade arvu, kuna pakutav andmeedastuskiirus on 1 Gbit/s ja rohkemgi sõltuvalt saatjast ja vastuvõtjast. LVDS-i kasutab näiteks PCI Express.

### TMDS

TMDS (*Transition Minimized Differential Signalling*) ehk minimaalse üleminekuprotsessiga diferentsiaalne signaaliedastus on madalapingeline diferentsiaalse signaaliedastuse standard, mida põhiliselt kasutatakse digivideo saatmisel. TMDS-i eesmärk on tasakaalustada andmeedastust, et vähendada elektromagnetilisi häireid ja võimaldades sellega kiiremat andmeedastust. TMDS kasutab 8b/10b kodeerijat, et saata 8 bitti infot 10-bitise sümbolina. TMDS kodeerija töötab kahes astmes. Esimeses astmes tekitatakse 9-bitine sümbol, kus biti väärtuste üleminekuid on vähendatud. Teises astmes tekitatakse lõplik kümnebitine sümbol, mis on tasakaalustatud. TMDS-i kasutab HDMI ja DVI.

Andmeedastuskiirused
--------------------

Järgmises tabelis on toodud välja rakendusest sõltuvalt maksimaalsed andmeedastuskiirused.

| Rakendus | Maksimaalne kiirus | Signaalipaaride arv |
| --- | --- | --- |
| RS-485 | 64 Mbit/s | 1 |
| USB 2.0 | 480 Mbit/s | 1 |
| USB 3.0 | 5 Gbit/s | 3 |
| USB 3.1 | 10 Gbit/s | 3 |
| SATA 3.0 | 6 Gbit/s | 2 |
| SATA 3.2 | 16 Gbit/s | 2 |
| HDMI 1.3 | 10,2 Gbit/s | 3 |
| HDMI 2.0 | 18 Gbit/s | 3 |
| DisplayPort 1.2 | 17,28 Gbit/s | 4 |
| DisplayPort 1.4 | 25,92 Gbit/s | 4 |
| PCI Express v1.0 | 250 MB/s – 4 GB/s | 2–32 |
| PCI Express v4.0 | 1,97–31,51 GB/s | 2–32 |

Rakendused
----------

Tänu enda eelistele on diferentsiaalne signaaliedastus tihti kasutusel. Nende kasutamine võimaldab kiiremat andmeedastust ja vähendab müra teket. Mõned levinud liidesed, mis kasutavad diferentsiaalset signaaliedastust, on järgmised:

* USB
* PCI Express
* DVI
* HDMI
* DisplayPort
* RS-485
* RS-422
* CAN-võrk
* SATA

Vaata ka
--------

* Keerdpaarjuhe

Viited
------

1. 1 2  "What is differential signaling?". *Microcontroller Tips* (inglise keeles). Vaadatud 01.05.2017.`{{netiviide}}`: CS1 hooldus: tundmatu keel (link)
2. 1 2 3 4 5 6  "The Why and How of Differential Signaling". *All About Circuits* (inglise keeles). Vaadatud 29.04.2017.`{{netiviide}}`: CS1 hooldus: tundmatu keel (link)
3. ↑  "LVDS, CML, ECL-differential interfaces with odd voltages". *EE Times* (inglise keeles). Vaadatud 01.05.2017.`{{netiviide}}`: CS1 hooldus: tundmatu keel (link)
4. ↑  "Understanding LVDS for Digital Test Systems". *National Instruments* (inglise keeles). Vaadatud 29.04.2017.`{{netiviide}}`: CS1 hooldus: tundmatu keel (link)
5. ↑  Digital Display Working Group, *Digital Visual Interface DVI*, 1999.