一文了解差分信号干扰---举例USB接口

差分传输，是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。已经广泛应用在各个通信以及电气设备领域的接口的技术。

USB接口协议现在已经1.2发展到3.2，甚至4.0也即将应用。

USB的速率越来越高，应用场景越来越广泛。

USB为差分传输信号，所以抗干扰能力比较强：

差分信号量化的干扰电压：

信号线之间的干扰电压 VDM ， 及中点和参考（接地、 电缆屏蔽） 之间的干扰电压 VCM 均可测量。 这意味着， 差模和共模干扰电压都可以影响 USB 传输路径。

干扰可以来自接口自身， 或者是环境中的电磁效应， 可能是感性、 容性或电磁波耦合。

USB的干扰分为差模干扰和共模干扰：

1.差模干扰主要是由于阻抗失配或不恰当的电路设计所引起的非线性信号谐波产生， 传输路径（例如发射器、 电路板布线、 导线、 滤波器或电缆） 的不对称会导致干扰辐射并影响信号质量。

2.共模干扰起因于 USB控制器所在电路的寄生耦合。 随着干扰频率上升和振幅增加， 通常是对USB信号的容性耦合。

针对外界对差分信号的干扰，都会同时作用在两个差分信号上，产生相同的相位和幅值，因此整体结果会互相抵消。

但是电缆中或接收器处的不对称，会将共模信号转换为差模信号，从而影响信号。

由于USB是铲粪信号传输数据明显优于简单的同轴电缆。 取决于同轴电缆的屏蔽效果， 例如， 来自并行电源电缆的瞬态信号会耦合到数据线路中并干扰数据信号。

对单线或者同轴数据传输路径的干扰作用

差分信号输入和双绞线干扰的补偿作用

采用双绞线的差分数据传输示例。 所需信号的极性是相反的， 因此会传播相等但相反的信号。 接收器对信号进行求差处理。

干扰信号在两条线上是同相等值的， 因此对信号接收没有影响。
此外， 在感性干扰（磁场） 中， 差分线的绞合可弥补干扰结果。

因为双绞线的部分电感对称， 干扰影响会彼此抵消。

实践中， 显然无法完全防止干扰发射， 因此抗干扰具有严格的要求。 有很多细节原因， 其中最重要的是：

如果 差分控制器的输入/输出不够对称， 差分 信号将出现共模干扰。

不满足HF/EMC 要求的布线， 寄生电容和缺少阻抗匹配会产生共模干扰。

电路设计（滤波器） 不恰当， 滤波器影响信号质量和/或插入损耗太低。

接口设计（插座、 壳体） 不恰当， 接地较差会降低线缆的屏蔽性能， 滤波器接地参考欠佳。

线缆非对称， 屏蔽不良， 且接地不佳。 线缆降低信号质量、 对外辐射且对外部干扰没有足够的屏蔽衰减。