差分串行传输

它是一种通过两根信号线来传输一个数据信号的方法，这两根线传输的是极性相反、大小相等的信号。

核心概念：如何工作？

想象一下，你要发送一个数字信号“1”。在单端传输中，你可能会用一根线（比如）升到3.3V来表示“1”，0V表示“0”。但差分传输的做法不同：

1. 两根线：对于每一个数据通道，你需要一对线，我们称之为 D+ 和 D-。

2. 相反的信号：

   • 当要发送“1”时，D+ 线被驱动到正电压（如+1.5V），而 D- 线则被驱动到大小相等的负电压（如-1.5V）。

   • 当要发送“0”时，情况相反：D+ 变为负电压（如-1.5V），D- 变为正电压（如+1.5V）。

3. 接收端判断：接收器并不关心每根线对地的绝对电压是多少。它只关心 D+ 和 D- 之间的电压差。

   • 电压差 = D+ - D-

   • 如果 (D+ - D-) > 0，则接收为 “1”。

   • 如果 (D+ - D-) < 0，则接收为 “0”。

一个生动的比喻：两人抬水

假设有两个人（D+和D-）用一根杠子抬一桶水。

• 在平静的路上（无噪声），他们可以轻松地保持水桶平稳。

• 如果路上有个坑（代表噪声），两个人会同时下降同样的高度。他们之间的相对高度差没有改变，所以水桶依然是平稳的。

差分信号就是这个原理：噪声会同时、等量地耦合到紧密相邻的D+和D-两根线上（这称为共模噪声）。由于接收器只检测差值，这个共同的噪声就被抵消掉了。

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为什么差分传输如此强大？—— 优势

1. 强大的抗噪声能力

   • 这是最主要优点。外部的电磁干扰会几乎同等地影响两根紧挨着的信号线。在接收端计算差值时，这些噪声被有效地抵消了。这使得它非常适合长距离传输和嘈杂环境（如汽车、工业环境）。

2. 对共模信号不敏感

   • 接收器忽略两根线相对于“地”的电压波动。例如，由于地平面电平不一致造成的地电位浮动，不会影响信号的判断。

3. 更低的电压摆幅

   • 因为接收器检测的是差值，所以每根线不需要摆动到很高的电压。例如，单端信号可能需要0V到3.3V的摆动，而差分信号每根线可能只摆动±1.5V，但差值仍然是3V。这带来了：

     • 更低的功耗。

     • 更高的速度（电压变化小，切换更快）。

4. 减少电磁干扰

   • 由于D+和D-产生的磁场是相反的，当两根线紧密耦合在一起时（如双绞线），它们辐射的电磁场会相互抵消，从而降低了EMI，有助于通过电磁兼容性测试。

缺点

• 成本更高：需要两倍的信号线，以及更复杂的收发器电路。

• 布线复杂：为了发挥优势，差分对（如USB线、网线）的两根线必须长度匹配、等间距布线，这在PCB设计上要求更高。

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常见的差分串行传输协议/接口

你现在接触的很多高速接口都基于此技术：

• USB： 使用差分对进行数据传输。

• 以太网： 使用多对差分线（双绞线）。

• HDMI/DisplayPort： 每个视频数据通道都是差分传输。

• RS-422 / RS-485： 工业领域的长距离差分通信标准。

• CAN总线： 汽车和工业领域的核心通信总线。

• LVDS： 低压差分信号，常用于液晶屏接口（如笔记本屏线）。

• PCIe, SATA, SAS： 这些高速存储接口也使用差分信号。

总结

差分串行传输是一种通过发送一对极性相反的信号，并在接收端通过检测其电压差来还原数据的通信方式。它的核心价值在于其卓越的抗干扰性能，这使得它成为现代高速、长距离、高可靠性通信的基石技术。当你看到“双绞线”或者“差分对”这样的词时，背后就是这套强大而优雅的原理在起作用。