정의
차동 전송(differential signaling)은 두 선에 서로 반전된 신호를 함께 실어 보내고, 수신 측이 각 선의 절대 전압이 아니라 두 선 사이의 전압 차로 값을 판정하는 전송 방식이다. 두 선에 공통으로 실린 잡음은 이 차에서 상쇄된다.[1]
차량 안은 전기적으로 시끄러운 곳이다. 모터 제어기의 펄스, 스위칭 전원, 조명 부하에서 나온 잡음이 버스 선에 결합된다.[2] CAN을 비롯한 차량용 버스가 신호선을 한 가닥이 아니라 두 가닥으로 두는 이유가 여기에 있다.
단선 전송의 취약성
단선(single-ended) 전송은 한 가닥에 신호를 싣고 공통 접지를 기준으로 값을 읽는다. 이 방식에는 공통 모드 잡음을 걸러 낼 수단이 없어서, 선에 실린 방해가 그대로 판정에 섞인다.[3]
여유를 늘리는 가장 단순한 방법은 전압 진폭을 키우는 것이다. 그러나 진폭을 키우면 소비 전력이 늘고 진폭이 커진 만큼 속도가 떨어진다. 게다가 단선 전송은 방해를 받기만 하는 것이 아니라 스스로 잡음을 내보내기도 한다.[1] 전자기 적합성(EMC) 한계와 무게 목표를 동시에 맞춰야 하는 차량에서는 진폭을 키우는 쪽으로 갈 여지가 좁다. 자동차용 이더넷이 무게 목표를 맞추려고 차폐를 뺀 꼬임선 한 쌍까지 내려가고, 그러면서 전자기 방해 한계를 지키고 유입된 잡음이 데이터를 훼손하지 않게 신호 방식을 손봐야 했던 것이 그 제약을 보여 준다.[4]
공통 모드 잡음 제거
차동 전송은 비트마다 극성이 반대인 두 신호를 함께 보내고, 수신기는 두 신호의 차이만 본다. 두 신호에 공통으로 실린 잡음은 이 뺄셈에서 사라진다.[1]
두 선에 함께 걸리는 전압을 공통 모드 전압이라고 부른다. 모터에서 결합된 잡음처럼 시간에 따라 변하는 것일 수도 있고, 장비 사이의 접지 차이에서 오는 정상 상태 전압일 수도 있다. 꼬임쌍선과 차동 전송을 함께 쓰면 이웃 신호선이나 잡음원에서 온 방해가 두 선에 공통 모드로 결합되고, 차동 수신기가 그것을 걸러 낸다.[5]
균형 잡힌(balanced) 차동 전송에서는 두 신호선에 크기가 같고 방향이 반대인 전류가 흐른다. 그 결과 두 선이 만드는 전자기장이 서로 상쇄되어 방사 잡음이 낮아진다 — 차동 전송이 방해에 강하면서 동시에 방해를 덜 내는 이유다.[2]
상쇄와 제거
꼬임쌍선
상쇄가 성립하려면 방해가 두 선에 똑같이 실려야 한다. 꼬임쌍선(twisted pair)은 두 선을 규칙적으로 꼬아 놓아 잡음이 비꼬임 케이블보다 대칭적으로 결합되게 만들고, 그래서 수신기의 잡음 제거 여유를 지켜 준다.[3] CAN이 규정하는 케이블도 차폐 유무와 무관하게 꼬임쌍선이다.[2]
차량 버스에서의 채택
잡음 내성이 필요한 차량용 버스는 대체로 차동 전송을 쓴다. CAN이 갖는 잡음 내성과 고장 허용은 신호가 차동이라는 데서 나오며, 균형 차동 수신기와 꼬임쌍선 배선이 공통 모드 제거 능력을 함께 끌어올린다.[2] FlexRay도 꼬임쌍선 위의 차동 전송으로 값비싼 차폐 없이 외부 잡음의 영향을 줄인다.[7] 반면 LIN은 한 가닥 선을 쓰는 저속 버스여서 이 계열과 대비된다.[4]
논리 비트를 두 선의 차동 신호로 바꾸고 되돌리면서 공통 모드 잡음을 걸러 내는 부품은 CAN 트랜시버다.[5] CAN의 두 버스 상태와 구체적 전압 배치는 CAN 버스 레벨이, 종단 저항과 신호 반사는 CAN 버스 종단이 다룬다. 이 전송 방식이 놓이는 더 넓은 맥락은 차량 버스 네트워킹에 있다.