串行总线---差分互连（差分线）之共模、奇模、偶模

shuszhao

讲差分线，信号的模态是一个绕不过去的话题。记得我在刚接触SI的时候，曾被这些概念弄得伤透了脑筋。差分，共模，奇模，偶模……这些概念经常把人绕的很晕。但是为了理解差分信号的传输机制，这些基础概念又不得不理解清楚，弄清楚了，很多问题就会迎刃而解，下面就让我们一起来捋一捋这些容易混淆的概念。
首先让我们来明确一下共模信号的概念。共模信号是相对于差分信号来说的。看下面这张图。

                               
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图 1
差分信号和共模信号定义对比如下：

                               
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图1和公式已经描述的很清楚了：在差分对中，差分信号被定义为两根单端信号的差值，共模信号指的是两根信号线上的平均值，暂且就这么理解吧。
那么，为啥要定义共模？个人理解：为了体现电压的跳变，人为规定了一个电压参考标准。将信号分成共模电压和差分电压来研究，能够看清问题的本质。请看如下信号，该信号是直流还是交流？

                               
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图 2
该信号既包含直流的成分也包含交流的成分，可以将信号拆开来看，拆分后，信号成分就很明确

                               
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图 3
对这种分析方法有没有很熟悉的感觉？其实将信号从时域转换为频域使用的就是这种思想。频域中，我们将数字信号理解为不同频率成分正弦波的叠加，这里我们又把信号拆分成直流和交流。由此，我们这样来描述差分对上的单根信号：

                               
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如此一来，单端信号就被描述成为共模信号与差分信号的叠加，共模电压一般是个恒定的值。单端信号也可以理解为以共模电压为基础，在共模电压的基础上上下摆动。这样描述对于解释差分信号的很多特性都有很大的帮助，例如在描述一个通道的时候，我们经常会提到差分转共模。在理想情况下，共模信号是保持恒定不变的，如果共模信号出现了波动，就会出现EMI辐射问题。具体原理在后期的文章中会专门的讲到。
这里我们引入了共模电压的概念，相信大家对差分信号的认识更深刻了。那么，还经常听到别人说到奇模，偶模。这又是啥意思呢？模态，说到底还是用来描述差分对上的信号状态的。

                               
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图 4
如上图4所示，信号线1和2上的信号可以是同向的，也可以是反向的。信号的流向不同，对应的电磁场不同，如下图5：

                               
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图 5
两线上有相同的驱动电压为偶模；两线上有相反的驱动电压为奇模。奇模状态下，围绕在单根线周围的磁场被抵消了一部分，偶模状态导体周围的磁感线得到了加强。奇模和偶模状态，导致信号线周围的电磁场分布不一样，因此信号感受到的阻抗就会不一样，我们知道差分阻抗一般情况下小于2倍的单端阻抗，这也是两根线相互耦合的结果。

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