處理1Gbps以上的高速傳送速度，不可欠缺的招式之一，就是合乎各個介面規格特性之差動(Differential)傳輸線路的巧妙運用。
在傳輸路途當中，優質不失真或沒有歪離的頻率特性，乃是完成傳輸任務的必要條件。由此來觀之，差動傳輸線路的理解與評估歷程方法，肯定是數位工作人員必修的科目之一...
若是說在千禧年過後，高速數位介面一腳邁入變革期，共同的顯性特徵就是擺在檯面上的高速傳輸介面規範，幾乎皆轉向使用差動式傳輸手段的串列式介面。底下，就摘要一些主流的差動傳輸規範之實際案例：
‧Serial ATA：第一代規格資料傳送速度1.5Gbps。第二代的規範提升2倍到3Gbps的水平。
‧Hypertransport：1.6Gbps，新規格在進化中。
‧Infiniband：2.5Gbps，這不就是PCI Express的電氣數值嗎？當然，深黯PCI Express的朋友，理當知道兩者之間的親密關係。其應用是定位在伺服器的產品，主流的個人電腦就較無關係。
‧PCI Express：2.5Gbps，這也是第一代的數值，下一代規劃在5Gbps。
‧XAUI：3.125Gbps，此乃通信裝置的網路介面規範。
‧OC-192：9.953Gbps，更高層次的傳輸速率。
‧10GBASE-CX4：10Gbps，爾後乙太網路的進化目標。
‧OC-768：39.81Gbps
不但如此，高階的記憶體模組FB-DIMM，也有開始導入類似PCI Express串列信號的趨勢。若是中央處理器也導入串列傳輸模式，就有好戲可看了，後續非常值得觀察。
差動傳輸有一大特徵，就是其共模雜訊(Common Mode Noise)的免疫力相當卓越。其實，他還隱含著一個優異的特性，使用差動信號對於接收端來說，信號振幅是單端傳送的兩倍，有利於信號的接收。
因此，差動傳送線路的評估手段就是觸及差動傳送線路特性上的測定。而談論到測定，必然需要借助於測試儀器裝置的幫忙，而測試儀器裝置會因為信號對象而牽扯到裝置頻寬的議題。
通常，測試儀器裝置所需頻寬起碼是信號對象的兩倍以上。舉一個範例來說，通信機器的介面規格「XAUI」的場合來說，其資料傳送速度約是 3.125Gbps的程度。若是將該信號以類比信號的頻率來解析，其信號頻帶約略超過5GHz，換言之，就可能需要10GHz頻寬的測定帶域儀器了。
接著我們來探索信號上升時間與頻率之間的互動關係。本文是將PCI Express先規劃在主機匯流排(Host Bus)，上面架著一個第一代Serial ATA控制器為範例來解說，畢竟兩者皆是差動傳輸的絕佳解說案例。眾所皆知，第一代Serial ATA所規劃的速度是1.5Gbps，也就是說信號波形的每一個週期乃是666ps左右。其信號上升時間(信號振幅10%～90%)與信號下降時間(信號振幅90%～10%)約略在150ps的範圍。
優質的差動傳送線路就是明指信號的頻率成分，沒有歪斜或是失真地傳送。要確實查認Serial ATA頻率成分的特徵，說穿了就是求得功率譜或能譜(Power Spectra)的結果。一般構成數位信號的方形脈衝，起碼具有底下幾項特徵：1.方形脈衝的頻率成分，主要是基本頻率成分以及奇數次的高頻成分。就第一代Serial ATA為例，其基本頻率為750MHz，因此在功率譜上就可以見到750MHz×3=2.25GHz、750MHz×5=3.75GHz…等頻率特性的結果出現。2.方形脈衝的基本頻率成分的偶數次之高頻成分，振幅特別低。3.直到特定的頻率，信號振幅成分是以-20dB/decade的傾斜度下降。4. 超過第3項的特定頻率之後，呈現更快速的下跌衰減。
綜合所言，較低頻帶是以-20dB/decade的傾斜度直線衰減下降，更高頻帶則急速衰減。當落到實際振幅一半之際的頻率，特別稱為「KNEE頻率」。若數位信號方形脈衝是用高斯曲線的積分來表現的話，「KNEE頻率」也可以利用信號的上升時間Tr來表達一個數學式：「Fknee=0.5/Tr」。
上式的Tr即是脈衝波形的上升時間。以第一代Serial ATA而言，信號的上升時間約為150ps，透過上面的數學式來換算，其「KNEE頻率」就等於0.5/150ps，也就是在3.3GHz。頻率成分的大部分都是座落在低於「KNEE頻率」之下。
建立該觀念後，我們就能看出傳送線路與信號品質有一定關係存在。1.低於「KNEE頻率」之下，若是維持頻帶特性是平坦狀態，那麼信號實用上不會失真歪斜載送。2.比「KNEE頻率」更高的頻帶對於數位信號的傳送，影響波及微小。因此，差動傳送線路的評估，就是將低於「KNEE頻率」下的頻率特性做個解析與測定。
差動傳送線路是由兩個導體構成傳送線路，另一個導體作為接地之用。所以，差動傳送線路是一種「平衡傳送線路」，不同於單端式的「不平衡線路」。
特性阻抗是傳送線路好壞的命脈。絕緣屏蔽(Shield)對於傳送線路的流動信號與反射信號的途徑，有壓低特性阻抗的效用。
以單端傳送線路的特性阻抗Zo來說，可以是L除以C的開根號數值。其中，L是傳送線路與絕緣屏蔽的單位長電感量，C是平均的單位長度靜電容量。若是沒有絕緣屏蔽的存在，電感與靜電容量就難以維持平衡，也就是局部地方的特性阻抗會有所變化，而造成阻抗的不連續性，阻抗的不連續性會引起信號反射的現象。
因此，輸入信號會因信號反射的緣故而有不良的影響。反之，差動線路之場合，大多使用如同乙太網路的對絞線，就算沒有絕緣屏蔽的存在，其特性阻抗會保持在一定範圍之內。因為差動線路的屬性，在信號反射上就具有絕緣屏蔽類似的效用。這一點就足以說明了為何當今的快速串列輸出入介面，會採用差動傳送線路來當做載送道路。可想而知，差動線路的評估項目當然會比單端線路來的多。
差動傳送線路評估的主要儀器裝置，就是時域反射測量儀TDR(Time Domain Reflector)與VNA(Vector Network Analyzer)網路分析儀。當針對配線基板進行差動傳輸線路評估之際，特別要考量以下幾點重要的項目：
‧差動特性阻抗。
‧信號插入損失(Insertion Loss)。
‧信號反射損失(Reflection Loss)。
‧特定場所差動信號產生共模信號之轉換。
‧共模阻抗。
‧差動傳送線路之串音(Crosstalk)。
‧資料傳送速度之眼狀圖(Eye Pattern)。
TDR與VNA對於差動傳送線路的評估手段往往讓人困擾不已。其實只要掌握住基本的觀念就不會太複雜。
在TDR的場合，針對測定傳送線路所施予的入射波，是一方形脈衝波，反射波為TDR，傳送波為TDT，可以測定反射波的返回時間以及大小。而在VNA的場合，針對測定傳送線路所施予的入射波卻是一正弦波，其反射波就是S11，傳送波就是S21。可以測定反射波的振幅與相位特性。
因此對於相同測定對象，TDR所展現的是在時間領域，而VNA所解析的卻是頻率領域。且重點在於兩者間應用上的定位理解。
VNA優於TDR之處有以下幾點：
‧能夠評估差動傳送線路達到50GHz的境界。
‧VNA測定器的動態範圍高達90～100dB，而TDR約在40dB。
‧具備有Time Domain Gating、SOLT/TRL/LRM等各式各樣的補償機能。
然而，TDR也有它絕對的優勢：
‧就測定器裝置的使用容易度來說，TDR的操作比較簡單，與使用示波器相同。
‧測定器裝置的價格比較便宜。光是這一點就促成購買的考量因素。
‧測定時間比較短。VNA的場合，測試一回合就耗掉數分鐘，TDR相形之下就感覺瞬時測定完成。
底下是使用TDR來測量差動傳送線路的方法。假設TDR的源阻抗(Source Impedance)為Z0，連接到測定儀器的傳送線路特性阻抗為ZL，那麼入射波與反射波的振幅與特性阻抗之間可以採用數學式來呈現：(ZL-Z0)/(ZL+Z0)=反射波/入射波。
當將上面的數學式展開之後，就可以求得差動傳送線路的特性阻抗公程式：ZL=Z0(入射波+反射波)/(入射波-反射波)。快速差動傳送線路的特性阻抗一般都是坐落在100歐姆的範疇。至於傳送波與入射波也可以導出關係式：(傳送波)/(入射波=2×ZL/ZL+Z0)。
VNA評估差動傳送線路的對象就是16個「差動S參數」。該16個「差動S參數」可以區隔成上下左右4個象限，就左上角第一個象限參數來說，該象限所表達的差動傳送線路特性就是差動信號輸入之際，差動信號輸出的測定場合，也是測定最基本的項目。SDD11以及SDD22就是兩端的差動反射損失，SDD21 以及SDD12則是差動插入損失。
右上角的第二象限與左下角的第三象限，有人稱為「混合模式」象限，因為這些參數所測定出來的結果是呈現差動傳送線路模式轉換的特性，也就是差動信號到共模信號的轉換以及共模信號到差動信號的轉換。共模信號到差動信號的轉換意味傳送線路容易受EMI影響。差動信號到共模信號的轉換，蘊含產生EMI的來源，當資料傳送速度越過1Gbps的高門檻之後，對於傳送線路的設計，要確實掌握住模式轉換發生的場所。右下角第四象限的參數則是代表共模信號輸入、共模信號輸出的傳播特性。可知，對於差動傳送系統而言，這部分的信號動作重要性層次較低。
VNA對於差動傳送線路評估的最初步驟，依然是差動特性阻抗TDD11的解析。隸屬於時間領域的TDD11參數乃是頻率領域中SDD11參數的逆富立葉 (Fourier)轉換所得之最終結果。透過差動特性阻抗可清楚看出傳送線路過程中的各個構造，諸如線路板上的跑線、穿孔或貫孔、連接器等。
其次，差動傳送線路的另一個重要的指標，就是差動輸入信號的插入損失(Insertion Loss)，也就是SDD21參數。這是指差動線路輸入端到輸出端頻率反應特性。而且，SDD21參數也能夠再現傳送信號的眼狀圖(Eye Pattern)。眼狀圖的解析是高速差動傳送線路SERSES評估的重要方式。
對於一個理想百分之百的差動線路而言不應該產生共模信號。但是，要求差動傳送線路為理想狀況是不太可能，就如同變壓器一般，現實的環境下，多多少少有非對稱性的問題，這也就是差動信號有可能發生共模信號的主要原因所在。當然，該現象往往也是差動傳送線路的資料傳送率劣化的重要原因之一。
認真說來，模式轉換(mode Conversion)的原因除了剛才所說差動線路的非對稱性之外，輸出波形的非對稱性也是元兇之一。輸出波形的非對稱性可能來自於差動傳輸器、放大器信號、輸出電壓輸出電流、輸出阻抗或歪曲(Skew)所引起的。因此，將時間領域的差動傳輸特性(TDD21)與差動變共模傳送特性(TCD21)比較對照著看，就可實踐混合模式象限的解析。