Что такое «синфазный» шум?

Может кто-нибудь объяснить, что такое «синфазный» шум и как он может быть проблематичным?

Я понимаю "шум" на сигнале в целом. Если у меня есть «шумная» шина + 5 В на плате, я не собираюсь получать постоянное значение +5, оно будет подпрыгивать выше и ниже этого номинального значения ... ... но все еще относительно в схему COM .

Мое очень смутное понимание «синфазного» шума заключается в том, что именно там обе стороны одинаково различаются друг с другом . (Это где мое понимание нарушается) То есть пара подпрыгивает в отношении ... ... к чему? Земля земля?

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.

$(V_+ + V_-)/2$

$V_+ - V_-)$

Одним конкретным примером, подчеркивающим разницу, является профессиональный звук, который передает сигналы по кабелю витой пары с разъемами XLR, по сравнению с потребительским звуком, который использует одностороннюю передачу сигнала.

Даже синфазный шум проблематичен, если у вас нет высокого коэффициента подавления синфазного сигнала. Например, если вы построите «типичный» дифференциальный усилитель с одним операционным усилителем с плохо допустимыми (т. Е. Большинством) резисторами, коэффициент подавления синфазного сигнала будет низким.

Итак, вернемся к «почему это проблематично»? - он менее проблематичен, чем дифференциальный шум, но не обязательно является волшебной техникой для удаления шумовых сигналов, особенно если аппаратное обеспечение не создано для оптимального ослабления синфазных сигналов.

Правильно, они оба подпрыгивают относительно земли или того, что вы называете своим эталоном 0В. Представьте это как батарею на пружине - напряжение батареи остается постоянным, но сама батарея летит повсюду. Да, я знаю, это плохая аналогия !!!

Как правило, синфазный шум относится к обоим проводам дифференциальной пары, отскакивающей относительно источника питания устройства, которое получает входной сигнал от них. Измеряется ли отскок относительно отрицательной шины, положительной шины или некоторой точки между ними, как правило, не имеет большого значения, потому что в случаях, когда синфазный шум имеет значение, он часто на порядок более значим, чем шум источника питания.

Если на входе устройства имеется, например, 0,1 вольт синфазного шума относительно отрицательной шины и устройства 10 мВ шума на его источнике питания, то независимо от того, какую опорную точку источника питания выбирают, синфазный шум будет быть где-то между 0,09 и 0,11 вольт. Если 0,1 вольт синфазного шума не будет проблемой, 0.11, вероятно, тоже не будет; если 0,1 вольт будет проблемой, 0.09, вероятно, будет также.

Шум синфазного сигнала возникает между тремя фазами или нейтралью и землей, тогда как шум нормального режима возникает между токовыми проводниками с тремя фазами. Для получения дополнительной информации обратитесь к книге качества электроэнергии Дугана и Mark et al.

Доктор Насрулла Хан