現在雖然技術那么發(fā)達，但對通信系統(tǒng)的設計還是一大難題。通信系統(tǒng)是用以完成信息傳輸過程的技術系統(tǒng)的總稱。現代通信系統(tǒng)主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導引媒體中的傳輸機理來實現，前者稱為無線通信系統(tǒng)，后者稱為有線通信系統(tǒng)。本文是對通信系統(tǒng)設計做一個簡單的介紹。

　　通信應用中差分電路設計的相關技術有哪些呢？首先對單端和差分信號進行一下比較，然后簡單介紹接收器的信號鏈和系統(tǒng)性能方面一些需要考慮的因素，然后就會發(fā)現差分應用的優(yōu)勢。從驅動ADC的角度與單端應用作比對，我們會發(fā)現差分應用會更容易實現較高的數據率。呢，我們將回到系統(tǒng)設計層面，總結差分應用的好處。

　　單端和差分信號

　　首先談到單端和差分信號的概念，這個大家都比較了解了。這里我們用另外一種方式來表達，我們可以將信號分為不平衡信號或平衡的信號，單端信號屬于不平衡信號，因為它是單側信號，所以是相對地而言的，沒有與之平衡的信號對，相比平衡信號，不平衡的信號呢一般會產生較高的諧波失真。

　　差分信號因為你在控制'基準'電壓，所以能夠很容易地識別小信號。在一個地做基準，單端信號方案的系統(tǒng)里，測量信號的值依賴系統(tǒng)內'地'的一致性。信號源和信號接收器距離越遠，他們局部地的電壓值之間有差異的可能性就越大。從差分信號恢復的信號值在很大程度上與'地'的值無關，而在某一范圍內。它對外部電磁干擾（EMI）是高度免疫的。一個干擾源幾乎相同程度地影響差分信號對的每一端。既然電壓差異決定信號值，這樣將忽視在兩個導體上出現的任何同樣干擾。除了對干擾不大靈敏外，差分信號比單端信號生成的 EMI 還要少。

　　差分信號與傳統(tǒng)的一根信號線一根地線（即單端信號）走線的做法相比，其優(yōu)缺點分別是：

　　優(yōu)點：1、抗干擾能力強。干擾噪聲一般會等值、同時的被加載到兩根信號線上，而其差值為0，即，噪聲對信號的邏輯意義不產生影響。2、能有效抑制電磁干擾（EMI）。由于兩根線靠得很近且信號幅值相等，這兩根線與地線之間的耦合電磁場的幅值也相等，同時他們的信號極性相反，其電磁場將相互抵消。因此對外界的電磁干擾也小。3、時序定位準確。差分信號的接受端是兩根線上的信號幅值之差發(fā)生正負跳變的點，作為判斷邏輯0/1跳變的點的。而普通單端信號以閾值電壓作為信號邏輯0/1的跳變點，受閾值電壓與信號幅值電壓之比的影響較大，不適合低幅度的信號。

　　缺點：若電路板的面積非常緊張，單端信號可以只有一根信號線，地線走地平面，而差分信號一定要走兩根等長、等寬、緊密靠近、且在同一層面的線。這樣的情況常常發(fā)生在芯片的管腳間距很小，以至于只能穿過一根走線的情況下。

　　系統(tǒng)級設計

　　另一方面，在通信系統(tǒng)應用的時候，我們看到一個比較通用的超外差接收器的信號鏈，圖1 為通用的超外差接收器的信號鏈，在天線后接低噪放大器，用于放大信號并抑制噪聲，而后用兩級混頻器將信號下變頻到較低頻，其間我們會加入適當的濾波器，以濾除有用信號頻帶以外的噪音和諧波，之后就是驅動ADC的緩沖運放。這是我們今天主要討論的問題。這運放的主要目的是調節(jié)信號的電平范圍，提高驅動能力，有時候也要作為單端差分之間的轉換。我們看到如果系統(tǒng)想實現較高的動態(tài)范圍，除信號以外不能引入過多的噪聲和諧波。

　　圖1 通用的超外差接收器的信號鏈

    超外差接收機是利用本地產生的振蕩波與輸入信號混頻，將輸入信號頻率變換為某個預先確定的頻率的方法。超外差原理早是由E.H.阿姆斯特朗于1918年提出的。這種方法是為了適應遠程通信對高頻率、弱信號接收的需要，在外差原理的基礎上發(fā)展而來的。

　　來具體看一下在一個通信系統(tǒng)中有哪些比較值得注意的性能和指標，在我們對單端信號和差分信號作比較之前，我們需要了解一些系統(tǒng)級設計所要考慮的問題。

　　那么，什么樣的設計是一個較好的射頻系統(tǒng)設計呢？首先，信號靈敏度要高，這意味著較低的噪聲，時鐘引入的相位噪聲同樣要低。輸入信號要有足夠的驅動能力，相關的指標，如高的三階截點和1dB壓縮點。然后就是各個模塊的性能是否足夠好，是否能較好的區(qū)分信號和噪聲，線性度是否足夠好等等。另外呢就是低功耗低成本等方面的考慮了。

　　我們說差分信號鏈相對單端信號來講有很多優(yōu)勢。由于是差模信號，輸出的是兩個差分信號，實際上輸出的差模信號幅度相對擴大了一倍，換一個角度來講，在同等輸出范圍條件下，工作電壓會更低。差分系統(tǒng)自身類似奇函數的特性可以消除系統(tǒng)中的偶次諧波項，也就是說2次、4次、6次諧波等，在這些頻點上的諧波相對奇次諧波會很小甚至看不到。，由于信號的返回路徑不再是地平面，信號受地平面或是電源平面影響不是那么敏感，從而減少了噪聲的耦合引入，同時實現更好的抗電磁干擾效果。

　　如圖2所示，單端信號會對共模噪聲、電源噪聲和電磁干擾比較敏感，運放會對這些噪聲一定程度的放大。而差分信號由于兩側信號自身形成電流回路，抑制了共模噪聲和干擾，僅對差模信號進行有效放大。

　　通過推導，我們也可以看出差分放大的奇次特性，理想情況下頻譜上我們僅能看到基波和奇次項諧波。在這里我們僅給出結論，比較值得注意的是三次諧波和它引起的三階截點，IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點的理論輸入功率，它是描述放大器線性程度的一個重要指標：

　　在通信系統(tǒng)設計中，對有用信號的驅動、提取并加載到ADC輸入上是很關鍵的問題。我們將給大家?guī)讉€例子，但在此之前請大家了解，如圖3所示，我們要提取的是藍色部分的有用信號，它的能量很小而且還有周圍信號和噪聲的干擾。為了把它抓出來，我們要對噪聲，動態(tài)范圍，和其他一些ADC相關的指標加以注意，后面的幻燈片中將具體說明。我們看到功能實現的主要模塊包括緩沖運放，抗混疊濾波器和ADC。

　
圖2 單端和差分信號差別

　　圖3 有用的信號和噪聲

　　圖4是一個單端輸入單端運放的例子，可以看到中頻放大器、抗混疊濾波器、變壓器和ADC四個級各自的信號增益，輸入輸出3階截點功率，和引入噪聲的系數等指標。單端信號利用無源變壓器在ADC前轉換為差分信號。這里要注意一下，假設ADC的終端匹配阻抗為200Ω，而由于前面各級都是50Ω的特征阻抗，所以將變壓器的阻抗比設為1:4。

　　如果把變壓器提前，將信號在運放前就轉換為差分信號，則單端運放換成差分運放，這樣即構成全差分結構。如圖5所示。

　　再考慮一下無雜散動態(tài)范圍與系統(tǒng)三階截點的關系，我們知道隨著輸入信號能量增加，三階交調失真和噪聲底剛好相等時，系統(tǒng)達到的SFDR，此時可以用這個式子來表示：SFDR = （2/3）。

　　于是我們可以算出剛才提到的兩種單端轉差分方式，總體產生的信號增益、三階截點、噪聲系數和無雜散動態(tài)范圍。另外要注意，在單端無源轉換結構中，如果去掉中頻放大器，滿幅的參考輸入功率為6dBm，且抗混疊濾波器的設計是非對稱的結構。而且整個設計要加入更多阻性匹配器件，這就要求前級驅動的能力要強，也就是說電流和功耗要大。另外，單端運放的偶次諧波，共模抑制，電源抑制問題也都會一定程度上影響整體系統(tǒng)的性能。

　　另一方面，在傳送數據時，可以一位一位地傳，也可以將其分割成符號進行傳送，比如每個符號兩比特，然后將其分別對應到4種相位上，之后再作用到載波上進行傳送。這是一種很常見的調制模式，即QPSK。

　　通常情況，我們可以用星座圖來描述不同的調制方式，我們知道高階的調制可用于更高數據速率的收發(fā)器中，但同時需要更低的本振泄漏、更好功放線性度、更高的系統(tǒng)帶寬和解調器信噪比。一方面呢，ADI也在開發(fā)更高性能的產品以滿足客戶的需要，另一方面我們也要在系統(tǒng)設計時注意發(fā)掘問題的原理，并采用適當的方法和技巧加以解決。

　　圖6中我們可以看出接收系統(tǒng)中的噪聲和諧波對誤差向量幅度EVM的影響。也就是說，解調出來的信號相對理想的星座圖位置會有所偏移，一般我們用誤差向量幅度來衡量，過大的誤差向量幅度會導致符號錯誤并惡化位出錯率。特別在高階調制方式時，符號之間的位置更近，對誤差向量幅度的要求更嚴格。

圖4 單端輸入單端輸出的例子

圖5 全差分結構的例子

　　圖6 接收系統(tǒng)中的噪聲和諧波對誤差向量幅度EVM的影響

　　由此我們可以得出，更高階的調制有著更高的數據速率，同時也要有更好的EVM，而更好的EVM意味著較高的無雜散動態(tài)范圍SFDR，而SFDR又與信噪比、交調失真和各次諧波項相關。所以要提高以上這些性能指標，采用平衡信號、差分結構即可得到顯著改善。

　　總結

　　，對于好的射頻系統(tǒng)來講，主要關注的是如何提高對有用信號的敏感度，從而更好地將信號從噪聲、諧波和各種干擾中分離出來。而差分應用的好處就在于更好的共模抑制、電源抑制、抗電磁干擾能力、更好的線性度以及同等條件下相對單端信號更大的動態(tài)范圍。無疑，差分結構優(yōu)勢明顯，更多也更適合用于高性能的射頻系統(tǒng)。