共模信号与差模信号是差分信号传输系统中的核心概念，二者通过“模式分解”描述信号在双线传输中的不同表现形态。以下从定义、物理本质、数学表达、成因及工程意义五方面系统解析，并阐释“模”的深层含义：
1. 定义与物理模型
差模信号（Differential-Mode Signal）
定义：两根信号线（S+和S-）之间的电压差，代表有效传输的信号。
物理表现：两线电压呈“反向变化”（如S+升高时S-降低），差值直接承载信息（如数字信号的“0”/“1”或模拟信号的幅度）。
示例：在RS-485总线中，发送“1”时S+为+2V，S-为-2V，差模电压为4V；发送“0”时两线电压互换，差模电压仍为4V（方向相反）。
共模信号（Common-Mode Signal）
定义：两根信号线对共同的参考点（通常为地GND）的同向电压分量，反映外部干扰或系统不平衡引入的噪声。一旦参考点出现干扰，两根信号都会同时出现干扰。
物理表现：两线电压同时升高/降低（如S+和S-均相对于地上升1V），共模电压为两者对地的平均值（Vcm=2VS++VS−）。
示例：电源地噪声通过寄生电容耦合到信号线，导致S+和S-同时出现对地50Hz工频波动（如均+0.5V），此即为共模干扰。
2. 数学表达与模式分解
任意双线信号可唯一分解为差模分量与共模分量的叠加，数学表达如下：
差模分量：Vdm=VS+−VS−（有效信号）共模分量：Vcm=2VS++VS−（干扰/噪声）总信号关系：VS+=Vcm+2Vdm，VS−=Vcm−2Vdm
这种分解本质是信号的正交分解，差模与共模在数学上相互正交，便于独立分析信号与噪声。
3. “模”的含义解析
“模”在此处指信号传输的“模式”或“分量”，源于电磁场理论中的“模式”概念（如TEM模、TE模）。在电路层面，它强调信号在双线系统中的两种独立表现形态：
差模模式：信号以两线间差值形式存在，依赖线路对称性传输，对外部干扰有天然抑制能力（差分放大器的共模抑制比CMRR即源于此）。共模模式：信号以两线对地同向形式存在，易通过寄生电容、地回路耦合外部噪声，是电磁干扰（EMI）的主要传播路径。
简言之，“模”是信号在传输路径上的“表现形式分类”，这种分类为干扰分析、滤波器设计及EMC优化提供了理论框架。
4. 成因与工程影响
差模信号成因：
主动生成：如差分驱动器（如RS-485芯片）输出的差分电压。内部噪声：如数字电路的开关噪声、电源纹波在差分线上的不均衡表现（转化为差模干扰）。
共模信号成因：
外部耦合：电磁场通过寄生电容耦合到信号线与地之间（如邻近电机、无线设备产生的干扰）。接地问题：地线回路阻抗不平衡、地电位差（如不同设备地线电压不同）或接地电阻过大。电路不对称性：差分线长度不匹配、阻抗不一致导致共模噪声转化为差模干扰（如PCB布线误差）。
工程影响：
差模信号：直接决定信号质量（如信噪比SNR），影响通信误码率、ADC采样精度。共模信号：易引发EMI问题（如辐射超标）、设备误动作（如工业控制中的误触发）或元件损坏（如高压共模击穿绝缘层）。
5. 抑制策略与工程应用
差模干扰抑制：
优化差分线对称性（等长、等距、等阻抗），减少内部噪声转化。使用铁氧体磁珠、差模电容（X电容）滤除高频差模噪声。信号匹配技术（如端接电阻）减少反射与串扰。
共模干扰抑制：
滤波：共模电感（Common-Mode Choke）抑制高频共模电流，Y电容旁路共模噪声至地。屏蔽与接地：屏蔽双绞线、屏蔽层单点接地，星形接地系统减少地电位差。隔离：变压器、光耦或数字隔离器切断地回路，阻断共模噪声传播路径。
典型场景：
工业以太网：使用屏蔽双绞线（STP）+共模电感+高CMRR PHY芯片，抑制电机启动产生的共模干扰。医疗设备：ECG采用右腿驱动电路+差分放大器，抑制50Hz工频共模干扰，确保心电图波形清晰。电源设计：开关电源输出端加共模-差模复合滤波器（含共模电感、X/Y电容），满足EMI认证要求。
总结
共模信号与差模信号是差分传输系统的“双刃剑”：差模承载有效信号，共模反映干扰噪声。通过模式分解，可独立分析信号质量与噪声抑制问题。“模”的本质是信号在双线系统中的两种正交分量，为电磁兼容设计、信号完整性优化提供了理论基石。工程中需通过对称设计、滤波、屏蔽、隔离等手段，最大化差模信号的传输效率，最小化共模干扰的影响，从而实现高可靠性、低噪声的电子系统设计。