Il fenomeno del crosstalk

[anton89]

Buongiorno a tutti,
allora volevo capire alcune cose sul crosstalk. Vi riporto quello che ha detto il mio professore a lezione.

Non conviene utilizzare dei canali digitali single-ended (cioè canali che si riferiscono tutti ad un unico conduttore di riferimento, che può essere la massa) perché spesso e volentieri i segnali sono appunto digitali e trasmessi ad alta velocità (in banda base). Se la lunghezza dei cavi di collegamento è importante (anche dell'ordine del metro), questa cosa crea il fenomeno del crosstalk, che da quello che ho capito è semplicemente un accoppiamento spurio tra i canali (parte dei segnali che viaggiano su un canale si trasferiscono su un altro canale). Si può verificare anche se ho piste metalliche parallele e molto vicine tra di loro.

Allora, per risolvere il problema si usano sonde particolari che sono differenziali (e non single-ended). Perché le sonde differenziali risolvono il problema? Da quello che ho capito, queste sonde hanno cavi intrecciati che eliminano l'interferenza elettromagnetica. Penso sia solo per questo. Voi che mi dite?

E poi.. perché usando due canali single-ended per prelevare due potenziali e faccio visualizzare la differenza sull'oscilloscopio, io vedo rumore? Questa cosa non mi è chiara.

Grazie in anticipo

[GuidoB]

Ciao anton89,

... canali che si riferiscono tutti ad un unico conduttore di riferimento, che può essere la massa... Se la lunghezza dei cavi di collegamento è importante (anche dell'ordine del metro), questa cosa crea il fenomeno del crosstalk...

In questo primo caso il crosstalk (o diafonia, in italiano) appare perché la resistenza dei conduttori non è nulla. Quindi ogni corrente provoca una caduta di tensione sul conduttore comune. Quando all'altro capo vai a leggere i diversi segnali, questi si troveranno sommati alla caduta di tensione complessiva sul conduttore comune, che dipende da tutti i segnali (da qui l'interferenza).

Non conviene utilizzare dei canali digitali single-ended (cioè canali che si riferiscono tutti ad un unico conduttore di riferimento, che può essere la massa) perché spesso e volentieri i segnali sono appunto digitali e trasmessi ad alta velocità (in banda base).

In questo primo caso, che i segnali siano digitali o analogici, lenti o veloci non c'entra niente.

I segnali digitali (lo aggiungo solo per completezza) a differenza degli analogici possono essere rigenerati (cioè riportati al livello discreto più vicino). Questo fornisce un certo grado di protezione contro le interferenze rispetto ai segnali analogici, che sono più vulnerabili. Inoltre i segnali digitali si possono proteggere ulteriormente impiegando codici a correzione d'errore (Hamming, Reed-Solomon...) e opportuni algoritmi di decodifica (Viterbi...).

Si può verificare anche se ho piste metalliche parallele e molto vicine tra di loro.

Questo è un secondo caso in cui l'accoppiamento avviene per via capacitiva (aumenta all'aumentare della tensione e della frequenza e al diminuire della distanza) e/o per induzione elettromagnetica (aumenta all'aumentare della corrente e della frequenza e al diminuire della distanza).

Qui i segnali digitali trasmessi in banda base sono messi peggio, perché i "gradini" secondo cui variano hanno componenti a frequenze alte (teoricamente infinite) e quindi emettono più disturbi.
Non per niente non si trasmettono segnali digitali in banda base se non per brevissime distanze. In tutti gli altri casi i segnali digitali vengono modulati (QAM ecc.).

Allora, per risolvere il problema si usano sonde particolari che sono differenziali (e non single-ended). Perché le sonde differenziali risolvono il problema? Da quello che ho capito, queste sonde hanno cavi intrecciati che eliminano l'interferenza elettromagnetica. Penso sia solo per questo. Voi che mi dite?

1) Con conduttori separati elimini l'accoppiamento resistivo.

2) Se i segnali sono differenziali, vuol dire che in ogni conduttore di una coppia passano segnali uguali e contrari (sia in corrente che in tensione). A distanza "molto maggiore" della distanza tra i fili della coppia, gli effetti capacitivi e induttivi vengono cancellati.

3) Se ciascuna coppia differenziale è anche intrecciata (con un passo "molto minore" della lunghezza d'onda del segnale) la distanza a cui gli effetti capacitivi e induttivi si cancellano viene minimizzata.

In pratica, gli effetti dell'interferenza emessa vengono invertiti a ogni mezzo giro, e quindi cancellati più efficacemente.

Parimenti si cancellano (o quasi) le interferenze sulla coppia intrecciata provenienti dall'esterno. I fili intrecciati fanno sì che l'entità del disturbo non sia costantemente maggiore su un filo (più vicino) rispetto all'altro (più lontano). In questo modo resta solo un eventuale disturbo di modo comune. Il disturbo di modo comune viene cancellato dall'amplificatore differenziale che riceve il segnale. Infatti l'amplificatore differenziale non amplifica il segnale di un solo filo, ma la differenza tra i segnali portati dai due fili, e quindi un disturbo che li modifica entrambi in modo uguale viene cancellato.

Le coppie di fili intrecciate si usano dagli albori della telefonia, fino ai cavi Ethernet, USB ecc.

E poi.. perché usando due canali single-ended per prelevare due potenziali e faccio visualizzare la differenza sull'oscilloscopio, io vedo rumore? Questa cosa non mi è chiara.

Anche a me non è chiara... mi spiace.

[DirtyDeeds]

E poi.. perché usando due canali single-ended per prelevare due potenziali e faccio visualizzare la differenza sull'oscilloscopio, io vedo rumore? Questa cosa non mi è chiara.

Beh, cosa ti aspetteresti di vedere? Ovvero, questi due fantomatici potenziali da dove arriverebbero?

[anton89]

Vi ringrazio delle risposte. Adesso con calma cercherò di capire le cose su cui ho dei dubbi.
Per quanto riguarda l'ultima domanda, la risposta è semplice: il nodo di massa (comune ai due canali) genera rumore che è incorrelato al rumore elettronico che ho sull'altro potenziale. Poiché uno dei due canali sarà flottante, quel rumore non ha un percorso su cui scaricarsi e quindi si sovrappone al segnale che leggo su quel canale. Quando faccio la differenza tra i due canali, in pratica faccio la differenza fra due rumori incorrelati col risultato che il segnale differenza lo vedo totalmente inquinato dal rumore.
Ecco tutto
Grazie ancora