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在任何高速數字電路設計中，處理噪音和電磁干擾(EMI)都是必然的挑戰。處理音視訊和通訊訊號的數字訊號處理(DSP)系統特別容易遭受這些干擾，設計時應該及早厘清潛在的噪音和干擾源，并及早采取措施將這些干擾降到最小。良好的規劃將減少除錯階段中的大量時間和工作反復，可節省整體設計時間和成本。 如今，最快的DSP的內部頻率速率高達數GHz，而發射和接收訊號的頻率高達數百MHz。這些高速開關訊號將會產生大量的噪音和干擾，將影響系統性能并產生電平很高的EMI。而DSP系統也變得更加復雜，如具有音視訊接口、LCD和無線通訊功能，以太網絡和USB控制器、電源、振蕩器、驅動控制以及其它各種電路，它們都將產生噪音，也都會受到相鄰零組件的影響。音視訊系統中特別容易產生這些問題，因為噪音會引起微妙的性能衰減，但這幾乎不會顯露在離散的數據之中。 重點是要從設計開始就著手解決噪音和干擾問題。許多設計第一次都沒有通過聯邦通訊委員會(FCC)的電磁兼容測試。如果在早期設計中，在低噪音和低干擾設計方法上花費一些時間，就會減少后續階段的重新設計成本和產品上市時間的延遲。因此，從設計一開始，開發工程師就應該著眼于： 1. 選用在動態負載條件下具有低開關噪音的電源； 2. 將高速訊號線間的串擾降到最小； 3. 高頻和低頻退耦； 4. 具有最小傳輸線效應的優良訊號完整性； 如果實現了這些目標，開發工程師就能有效避免噪音和EMI方面的缺陷。 噪音的影響及控制 對于高速DSP而言，降低噪音是最重要的設計準則之一。來自任何噪聲源的過大噪音，都會導致隨機邏輯和鎖相環(PLL)失效，降低可靠性。還會導致影響FCC認證測試的輻射干擾。此外，除錯一個噪音很大的系統是極端困難的；因此，要消除噪音──若能徹底消除的話──將要求在電路板設計中花費大量心血。 在音視訊系統中，即便是比較小的干擾，也會對最終產品的性能產生顯著影響。例如，音訊擷取和播放系統中，性能將取決于所用音訊編譯碼的質量、電源噪音、PCB布線質量、相鄰電路間的串擾大小等。而且，采樣頻率的穩定度要求也非常高，以避免出現不希望的雜音，如在播放和擷取時的‘砰砰’聲和‘喀嚓’聲。 在視訊系統中，主要的挑戰是消除色彩失真、60Hz‘嗡嗡’聲以及音訊敲擊聲。這些對高質量視訊的系統都是有害的，例如安全監控方面的應用。實際上，上述這些問題通常都與視訊電路板的設計不良有關，包括：電源噪音傳到視訊的DAC輸出上；音訊播放引起電源瞬變；音訊訊號耦合到高阻抗的視訊電路訊號在線。 這些典型的視訊問題源包括：同步和畫素頻率的過沖和欠沖；影響色彩的編譯碼和畫素頻率抖動；缺少端接電阻的影像失真；音視訊隔離較差引起的閃爍。 音視訊應用容易產生的噪音干擾問題，對于所有要求具有很低誤碼率的通訊系統來說也是常見的。在通訊系統中，輻射不僅僅產生EMI問題，還會阻塞其它的通訊訊息信道，引起偽訊息信道檢測。采用適當的電路板設計、屏蔽技術以及RF和混合的模擬/數字訊號的隔離等技術，就可以解決這些挑戰。 在高速DSP系統中有許多潛在的開關噪聲源，包括：訊號線間的串擾；傳輸線效應引起的反射；退耦電容不合適引起的電壓降低；高電感的電源線，振蕩器和鎖相環電路；開關電源；線形調整器不穩定性所引起的大容性負載；磁盤驅動器。 這些問題由電耦合和磁耦合共同產生。電耦合的產生是由于相鄰訊號和電路的寄生電容和互感所引起，而磁耦合的形成是由于相鄰的訊號線形成輻射天線所導致。如果輻射干擾足夠強的話，將會導致能夠摧毀其它系統的EMI問題。 當高速DSP系統中的噪音無法根本消除時，則應該將其減到最小。電子零組件內部都有噪音，故仔細選擇組件特性，并選用適當的組件至關重要。除了正確選擇組件外，還有兩種通用的技術，即PCB布線和回路退耦可協助控制系統噪音。一個優秀的PCB布線將降低噪音通道產生的可能性。另外，還減少了能夠傳播到印刷線和電流回路上的輻射，退耦可避免相鄰電路產生的噪音影響。最好的方法是從源頭上濾除噪音，不過也可以使相鄰的電路對噪音不感應或消除噪音的耦合通道。以下將討論幾種可解決由系統噪音和EMI引發之常見問題的技術。 保持最短的電流回路 低速訊號電流沿阻抗最小，即最短的路徑返回源端。而高速訊號則是沿電感最小的路徑返回：這樣的最小的回路面積位于訊號線下方，如圖1所示。 圖１：高速訊號與低速訊號電流的比較。 因此，高速訊號設計目標之一就是為訊號電流提供最小的電感回路。這可以利用電源平面和地平面來實現。電源平面透過形成自然的高頻退耦電容將寄生電感降到最小。而地平面形成一個屏蔽面，即眾所周知的鏡像平面，能夠提供最短的電流回路。 一種有效的PCB布線方法就是將電源平面和地平面靠在一起。這樣形成了高平面電容和低阻抗，有利于降低噪音和輻射。為了屏蔽，最好的選擇是：關鍵訊號最好布到靠近地平面一邊，而其余的則應靠近電源平面一側。 在高速視訊系統中，保持回路短的目的意味著視訊地不能被隔離。而必須被隔離的音訊地，絕不能在數據輸入點處短接到數字地上，如圖2所示。 圖2：音訊地隔離。 電源隔離和鎖相環 如何實現最佳供電是控制噪音和輻射的最大挑戰。動態負載開關環境很復雜，包括的因素有：進入和退出低功率模式；由總線競用和電容充電所引起的大瞬態電流；由于退耦和布線不合理引起的大電壓下降；振蕩器使線性調節器輸出過載。 圖3為電流回路設計實例，其中利用了電源線退耦。該例中的退耦電容盡可能靠近DSP。如果沒有退耦，動態電流回路將較大，這將加大電源電壓的降幅，產生電磁輻射。 圖3：電源退耦。 為PLL供電時，電源隔離是非常重要的，因為PLL對噪音非常敏感，且對于穩定系統來說，要求抖動非常低。你還必須選擇模擬或數字PLL，模擬PLL對噪音的敏感度比數位PLL低。 如圖4所示，具有低截至頻率的Π型濾波器經常被用來隔離PLL與系統中的其它高速電路。一個較好的辦法是利用一個低壓差(LDO)電壓調整器來獨立產生PLL的電源電壓，如圖5所示。該方法雖增加了成本，但確保了低噪音和優異的PLL性能。 圖4：PLL電源隔離。 圖5：利用LDO實現PLL電源的隔離。 串擾及傳輸線效應 訊號間的干擾，即串擾，可透過電磁輻射在印刷線間傳播。這也可能由電源和地平面上的無用訊號以電氣形式產生。串擾與印刷線間距的平方成反比。因此，為了將串擾減到最小，單端訊號的布線間距應至少是印刷線寬度的2倍。對于像以太網絡和USB這類差分訊號，印刷線間距需與印刷線寬度相同，目的是能匹配差分阻抗。關鍵訊號可用地和電源平面屏蔽，或在改板時增加與訊號平行的地線。 有些訊號還會產生引起串擾的高頻諧波。由于輻射的能量正比于訊號的上升和下降時間，較慢的上升或下降時間引起的干擾將較小。圖6為視訊干擾的實例，這些干擾可能由內部頻率輻射引起。在北美地區第二頻道中，18.432MHz音訊頻率的三次諧波，將產生如圖中左側所示的干擾。透過在音訊頻率印刷在線增加一個串聯電阻來放慢頻率的上升和下降時間可減少干擾，其結果如圖6右側所示。不過，設計師需要了解定時裕度，以便將上升和下降沿降低到系統所允許的限度內。 圖6：解決音視訊串擾。 與串擾相關的是傳輸線效應，這種效應在高速印刷線變成產生輻射干擾的發射器時產生。通常，當訊號的上升時間小于傳播延遲的2倍時，印刷線才發射訊號。這暗示為了減少傳播延遲，印刷線的長度應盡可能短。另一個是合理的訊號端接將減慢訊號的上升時間，將反射引起的過沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用平行端接來校正電平并將傳輸線效應減到最小。 圖7:利用端接將傳輸線效應減到最小。 設計師可能會質疑，既然芯片內部已經整合了電阻，在外部端接負載電阻是否還有其重要性。實際上，除了控制傳輸線效應外，外部電阻還可以實現訊號完整性的精密調整。DSP無法與電路板阻抗完全匹配，因此端接負載可以減少源電流，以及上升和下降時間。 與外部端接負載電阻一樣，外部的上拉和下拉電阻也非常重要。對于無連接的接腳來說，雖然內部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開關噪音能夠傳過來，并會誤觸發連接端上的內部邏輯。 控制EMI 能夠輻射到系統外的輻射被認為是EMI，這可能使設計無法通過FCC認證。有兩種可能的輻射：一種是發射源是一條直線型的訊號印刷線，或電纜的共模輻射，另一種是其訊號和回路構成一個大電流回路的差分模式輻射。共模輻射隨著頻率的升高而降低，而差分模式輻射則隨著頻率的升高而增強，直到其飽和點。這兩種模式的輻射如圖8和9所示。 如何處理EMI取決于輻射源。對于共模輻射，當EMI來自外部電纜時(如圖8所示)，可在電纜上加一個扼流圈。如果導致EMI的是內部傳輸線，則通常用端接負載方式，不過在訊號印刷線間加入一條地線也有助于減少輻射。另一種可能方案是將訊號的印刷線長度減短至小于訊號波長(或訊號頻率的倒數)的1/20。例如，為了避免傳輸輻射，500MHz的印刷線應該短于1.18英吋。 圖8：共模輻射。 對于差分模式輻射，所輻射的能量是電流、回路面積和頻率的函數。減少輻射的方法包括：端接負載來降低源電流，用合適的電流通道來提供可減少回路面積的回路，或者降低頻率。 在計算退耦電阻時，還應考慮動態電流。高速電流可能隨時變化，這種瞬變也會引起輻射。此外，改變電容的值時要防止自諧振限制頻率范圍。PCB分層是一個好方案，因為電源層對高頻形成自然的退耦，而地層則提供最短的回路。把高速訊號隔離起來，并使其遠離其它訊號。如果可能的話，不要把地層隔開。盡管噪音和輻射是由系統設計中的復雜的無用功能引起的，但透過上述的一些簡單方法還是可以控制的。 圖9：差模輻射。 本文小結 高速的DSP視訊系統中有許多潛在的噪音和輻射源，它們可以擾亂系統的工作，或者使設計無法通過FCC的認證。所幸的是，對噪音和輻射的規劃和掌握可協助系統設計師將這些問題減到最小。早期的努力將節省大量的除錯工作和后期的麻煩。PCB布局和回路退耦是設計師可以限制系統噪音和EMI的兩種常用技術。具備了這些技術，DSP視訊設計師就能有效地解決系統的噪音和輻射。 |
