差分与单端传输

本页讨论模拟信号传输中的两个概念：“单端”和“差分”。模拟信号用于将模拟仪器的输出传送到数字转换器。虽然数字信号对干扰的容忍度相对较高，但模拟信号却可能受到环境中电磁波的干扰和改变。本文档将解释这一问题，并描述一个解决方案。之后，它还将简要介绍双绞线电缆，然后讨论Güralp差分设备与非Güralp单端设备之间的接口问题。

概念

电磁感应

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的方程展示了磁场和电场之间的关系。迈克尔·法拉第利用这些方程表明，如果变化的磁场通量线穿过一个线圈，那么就会迫使电流在线圈中流动。这个过程被称为感应，我们说由此产生的电流是由变化的磁场感应出来的。电流的大小与线圈的匝数、磁场的强度以及磁场变化的速率成正比。

在连接电气设备时，很容易在不经意间制造出类似线圈的东西，即使它通常只有一圈。请考虑下面的示意图，它显示了一个电气设备A通过一条屏蔽电缆向另一个设备B发送信号。这两个设备共用一个公共接地点，并且信号线之间的外部屏蔽层也在两端接地到机架上，如图中绿色小线所示：

注意，A正在向地传输一个电压，该电压代表所需的信号。B正在测量相对于地的这个电压，以恢复信号。显然，两个设备共用一个公共接地点是非常重要的。有人可能会天真地认为，电缆的屏蔽层和两个与公共接地点的连接可以确保这一点。

然而：信号线的屏蔽层、每件设备的机壳和两条地线形成了一个只有一圈的线圈。这个线圈的面积在下图中以阴影部分表示：

如果任何磁通线穿过这个区域，如下所示，根据麦克斯韦-法拉第方程，就会在这个环路中产生感应电流。由于信号线的屏蔽层具有非零电阻，根据欧姆定律，其两端必然存在电压。因此，这两件设备不再共用一个公共接地电位，且屏蔽层两端的电压将直接影响B接收到的信号。

这是大多数电磁干扰的基础。当这个“线圈”涉及不同的电缆和不同的设备，而所有这些设备都应该处于接地电位时，它就被称为接地环路。系统设计者必须特别注意避免接地环路。然而，我们稍后会看到，这种效应的发生并不需要“线圈”特别大：在存在强电磁场的情况下，如雷雨天气，单根电缆中两个相邻芯线之间的间隙就足够了。

单端传输

在单端传输系统中，相对于发射机的地，使用模拟电压来表示要传输的信号。这个电压首先被送入线路驱动器（一种放大器）。放大后的信号随后被施加到导线上。在导线的另一端，使用接收器（另一种放大器）来感应电压（相对于接收机的地）。接收器的输出随后被送入后续电路，在本讨论中，我们将此电路视为数字转换器（尽管该技术被应用于许多领域）。

发射机的地和接收机的地通过两者之间的电缆连接。这有助于确保传输电压的参考地与接收电压的参考地相同。虽然可以使用单独的芯线，但如果电缆具有总屏蔽层，则通常用于此目的：这是下面图表所示的配置。

在理想情况下，这种配置就足够了，但在存在不需要的电磁噪声的环境中，这种噪声会干扰传输信号并在接收器处出现。请考虑下面的示例，其中导线上被感应出了一个尖峰（不需要的电压瞬变）。很明显，没有任何东西能阻止这个尖峰直接被传递到接收器和数字转换器上。数字转换器无法区分仪器的输出和被感应的噪声。

差分传输

解决这一问题的一种方法是使用两条单独的导线来传输信号的两个副本。在下面的示意图中，线路驱动器有一个非反相输出和一个反相输出。非反相输出就像单端方案那样传输信号，并且通常用“+”符号表示（尽管它仍然携带整个信号波形：正部分和负部分）。反相输出传输信号的否定或反相副本，并且通常用“-”符号表示（尽管它也携带信号波形的负部分和正部分），或者在示意图符号上有一个小圆圈。

这两个输出分别被送入传输电缆中的单独导线芯。接收器有四个输入：再次，一个是非反相的，另一个是反相的。非反相输入通常用“+”符号表示，而反相输入通常用“-”符号表示，或者在示意图符号上有一个小圆圈。接收器有效地从彼此中减去这两个信号。

我们可以通过一些简单的数学来展示这种方法如何有助于减少干扰。如果信号随时间变化的函数表示为S(t)，则线路驱动器在非反相芯上发送S(t)，在反相芯上发送-S(t)。接收器从S(t)中减去-S(t)：

S(t) - (-S(t)) = S(t) + S(t) = 2×S(t)

因此，恢复了原始信号。

这种技术被称为“差分”信号传输，因为信号由两条导线（或“支路”，因为它们通常被称为）之间的电压差来表示。尽管“平衡”和“差分”在技术上具有不同的含义，但术语“平衡”经常被错误地用于描述差分输出和输入。

当信号幅度看似加倍时，仪器的表观灵敏度也会加倍。这就是为什么传统古拉普（Güralp）仪器的公布灵敏度以类似2×1000 V/ms⁻¹的格式给出。当与具有单端输入的数字化仪一起使用时，这样描述的仪器的灵敏度将是1000 V/ms⁻¹，但当与古拉普数字化仪或任何其他具有差分输入的数字化仪一起使用时，灵敏度将是2000 V/ms⁻¹。

古拉普Fortis和Certis仪器的公布灵敏度并不采用这种格式。这些仪器的校准数字永远不应加倍。相反，给出的数字是与具有差分输入的数字化仪一起使用时的灵敏度。如果与具有单端输入的数字化仪一起使用，则给定的数字应减半。

现在考虑如果电缆中产生了电磁噪声（在下图中由一个尖峰表示，位于一和二处）会发生什么。如果我们将噪声视为时间的函数，则可以将其表示为N(t)。噪声被添加到电缆两个芯上的信号上，因此非反相芯现在携带S(t)+N(t)，而反相芯携带-S(t)+N(t)。当这些信号在接收器中被相减时：

S(t)+N(t) - (-S(t)+N(t)) = 2×S(t)

可以看出，噪声在输出端（位于三处）被消除：

所有古拉普仪器和数字化仪都使用差分传输来处理关键的模拟信号。一些非关键信号，如质量位置输出，则使用单端技术进行传输。

双绞线

为了使差分传输完美工作，重要的是电缆的两个芯线都能接收到相同的噪声。这在物理上是不可能的，因为一些磁场线不可避免地会穿过导线之间，感应出电流，这些电流相加会在接收器上产生噪声信号：

这种情况可以通过在外电缆护套内将两个芯线绞合在一起而显著改善。现在，穿过导线之间的任何磁场线都会在交替的绞合处引起方向相反的电流：

由于感应电流大小相等但方向相反，它们会相互抵消，从而在接收器上显著降低噪声：

以这种方式制成的电缆被称为“双绞线”。如果同一电缆中存在多对双绞线，它们通常以不同的绞距进行绞合。（双绞线的绞距是给定距离内（通常为1米）两根导线相互交叉次数的一半乘以2。）使用不同的绞距可以减少每对双绞线与其相邻双绞线之间通过电感耦合的信号量。

双绞线可以用铝箔或编织金属网包裹起来，以提供额外的抗干扰保护。这被称为屏蔽层或屏蔽。这样的电缆被归类为“STP”或“屏蔽双绞线”电缆。一个屏蔽层可以围绕所有双绞线对，或者每对双绞线都可以有自己的屏蔽层。没有屏蔽层的双绞线电缆被归类为“UTP”或“非屏蔽双绞线”电缆。

当在两个具有独立接地连接的设备之间使用屏蔽双绞线电缆时，屏蔽层应仅在一端接地；按照惯例，这一端是信号源端。这样可以防止形成接地环路。

电压、值和规格

大多数Güralp仪器产生的信号相对于信号地，在+10V和-10V之间变化。当以差分方式传输时，这通常被描述为“±10V差分”。

当非反相线上的信号为+10V时，反相线上的信号为-10V，因此两根线之间的电压差为+20V。相反，当非反相线上的信号为-10V时，反相线上的信号为+10V，此时两根线之间的电压差为-20V。+20V与-20V之间的差异是40V，因此一些资料将完全相同的传输方式称为“±10V差分”、“±20V峰峰值差分”或“40V峰峰值差分”。

重要的是要注意，“±10V差分”传输、“±20V峰峰值差分”和“40V峰峰值差分”是描述相同信号传输方式的不同术语。

使用单端设备

尽管Güralp仪器具有差分输出，但它们仍然可以与具有单端输入的其他制造商的数字化仪一起使用。同样，具有单端输出的其他制造商的仪器也可以与具有差分输入的Güralp数字化仪一起使用，尽管这种情况稍微复杂一些。

要使用具有单端输入的数字化仪与Güralp仪器配合，只需忽略反相输出。将仪器的非反相输出一连接到数字化仪的信号输入二，将仪器的信号地三连接到数字化仪的信号地四。不要将反相输出五连接到任何设备。

这种方法之所以可行，是因为Güralp仪器的差分输出是接地参考的，而不是浮动的。如果您有一个具有真正浮动输出的非Güralp仪器，并且希望将其连接到单端输入，那么您应该将仪器的反相输出连接到数字化仪的信号地输入，将仪器的非反相输出连接到数字化仪的信号输入。但是，千万不要对Güralp仪器这样做：这会损坏输出电子设备。

要使用具有单端输出的非Güralp仪器与Güralp数字化仪配合，请将仪器的输出一连接到数字化仪的非反相输入二，将仪器的信号地三连接到数字化仪的信号地四。不要将任何设备连接到数字化仪的反相输入五。

示例

以下图表显示了推荐的连接方式，即将具有差分速度输出和单端质量位置输出的Güralp 6T连接到具有单端输入的通用六通道数字化仪。

下面的图表显示了三个通用单轴检波器连接到Güralp数字化仪的连接方式。（实际上，在每个仪器附近使用带有可编程输入阻抗和差分输出的前置放大器会提供显著更好的性能。）