差分信号之剖析与探讨

Introduction

驱动端发送两个大小相等，方向相反的信号，接收端会有一个相减器，比较这两信号的差值，来判断逻辑位是0或是1，此即所谓的差分讯号[1]。

而下图是实际PCB的差分走线[1]。

Advantage

使用差分讯号的第一个好处，就是具错误更正效果[2]。

由上图知道，如果在单端讯号中有噪声，则会直接进入接收器，严重一点可能会造成逻辑误判。在那些对于时序有很精密要求的系统中，会有很重大的影响。然而前述已知，接收端会有一个相减器，因此对差分讯号而言，即便有噪声，其噪声会透过相减器相消。

由于差分信号的逻辑判断，是仰赖两个信号的交点，如下图[4] :

不像单端信号依靠高低两个电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是采用差分讯号型式[5-6]，下图是LVDS Connector的图片[7] :

第二个好处，可以有较小的EMI辐射干扰，由于数字信号在逻辑切换时，会

因电压变换产生电场，进而产生EMI辐射，对邻近走线造成干扰[9,15]，如下图[12-14] :

由于高速数字讯号逻辑切换速度越来越快，而逻辑切换速度越快，则耗电流就越大，同时频率也越高，由[9]可知，EMI辐射强度与电流大小，以及频率成正比，这等同于更进一步加大了EMI辐射干扰。而由[11]可知，电磁波会有磁场与电场成份，这表示若能降低磁场或电场大小，便能减少EMI辐射干扰。

而差分讯号所产生的磁场，会彼此相消，所产生的电场，会因彼此紧密地耦合在一起，进而减少发散向外的机会[8-10]。

由于差分讯号可以减少磁场份量，以及减少发散向外的电场，进而降低EMI辐射干扰，这也是为什么高速数字讯号一般都用差分讯号[1]。

而差分讯号除了可以产生较小的EMI辐射干扰，同时也具备了较佳的抗干扰能力[16-17]，我们以下图说明:

B跟C为差分讯号，而A为邻近的讯号，当A跟B、C靠得很近时，A会把能量耦合到B跟C，以S参数表示，A耦合到B为S BA，A耦合到C为S CA。当B 跟C很靠近时，则S BA = S CA，而又因为B跟C的讯号方向相反，所以S BA跟S CA 是等量又反向，亦即彼此相消，这就是为何差分讯号拥有较佳的抗干扰能力。而在射频电路中，相较于发射讯号，接收讯号多半很微弱，因此其接收路径多半采差分型式，以便获得较佳的抗干扰能力，避免灵敏度下降[18]。

而为了得到良好的频谱利用率，到了数字通讯时代，多半会利用IQ讯号，来达到SSB (Single-Sideband) 的调变方式[19]，而因为IQ讯号会影响到调变与解调的精确度，因此不管是发射还接收电路，其IQ讯号都会走差分形式，避免调变与解调精确度，因噪声干扰而下降[18-19]。

Length

由前述已知，差分信号的逻辑判断，是仰赖两个信号的交点，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，如下图左。然而倘若该差分信号长度不相等，则会因相位差之故，导致切换电压的时间点不同，如下图右的黄圈处，进而使得逻辑判断错误[4]。

另外，由前述已知，数字信号在逻辑切换时，会因电压变换产生电场，进而产生EMI辐射，对邻近走线造成干扰，如下图[12-14] :

但差分讯号所产生的电场，会因彼此紧密地耦合在一起，进而减少发散向外的机会，进而减少EMI幅射干扰，如下图左。然而倘若该差分信号长度不相等，如下图右，此时Length 2为一单端讯号，亦即逻辑切换瞬间所产生的电场，会发散向外，产生EMI辐射干扰。若Length 2越长，表示该差分讯号的相位差越大，其切换噪声的脉冲宽度就越宽，维持时间就越长[4]。

同时也由前述已知，邻近噪声对差分讯号的耦合量，会彼此相消，因而提高抗干扰能力，然而倘若该差分信号长度不相等，如下图，则此时Length 2为一单端信号，A耦合到Length 2的能量无法消除，亦即B会很容易被A干扰。

而前述已知，为了得到良好的频谱利用率，到了数字通讯时代，多半会利用IQ 讯号，来达到SSB (Single-Sideband) 的调变方式，亦即频谱上只能有一个Sideband，如下图[19] :

且IQ讯号都会走差分形式，避免调变与解调精确度，因噪声干扰而下降，亦即会有I+、I-、Q+、Q- 四条讯号，如下图:

由[23]可知，I+、I-、Q+、Q- 四条讯号线都必须等长，才能确保IQ讯号相位差为90度，此时便如前述，频谱上只出现了一个Sideband，如下图左。而只要有任一讯号线不等长，那么IQ讯号相位差就不为90度，则称为IQ phase Imbalance，在频域上，会出现另一个我们不要的Sideband，称之为Image，如下图右[24]:

而Image与主频讯号的振幅差，称之为Sideband Suppression，若上图右的Length 2越长，则IQ phase Imbalance就越大，亦即Sideband Suppression就越小。反之，若四条讯号线都等长，亦即完全没有IQ phase Imbalance，那么理论上会完全无Image，如上图左。

而由[19,23]可知，解调时，会以所谓的EVM(Error Vector Magnitude)，来衡量IQ phase Imbalance的程度，如下图:

而由[23]可知，EVM与SNR成反比，如下式:

亦即若前述的Length 2越长，那么IQ phase Imbalance越大，则EVM越大，SNR 越小，灵敏度就越差。

以上皆为差分讯号若不等长的影响，因此，在设计差分讯号时，最重要的就是要等长，越是高速讯号，越要注意等长[5-6]。然而实际上，有可能因为IC的Pin 位置关系，使得差分讯号会不等长[26]。

或是会因为转弯缘故，使得外侧走线会多出额外的长度，导致相位差，因而产生额外的共模噪声[26]。