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(shí)應該及早理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(shí)間和工作反復，可節省整體設計時(shí)間和成本。如今，最快的DSP的內部頻率速率高達數GHz，而發(fā)射和接收訊號的頻率高達數百 MHz。這些高速開(kāi)關(guān)訊號將會(huì )產(chǎn)生大量的噪音和干擾，將影響系統性能并產(chǎn)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(wú)線(xiàn)通訊功能，以太網(wǎng)絡(luò )和USB控制器、電源、振蕩器、驅動(dòng)控制以及其它各種電路，它們都將產(chǎn)生噪音，也都會(huì )受到相鄰組件的影響。音視訊系統中特別容易產(chǎn)生這些問(wèn)題，因為噪音會(huì )引起微妙的性能衰減，但這幾乎不會(huì )顯露在離散的數據之中。重點(diǎn)是要從設計開(kāi)始就著(zhù)手解決噪音和干擾問(wèn)題。許多設計第一次都沒(méi)有通過(guò)聯(lián)邦通訊委員會(huì )(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(shí)間，就會(huì )減少后續階段的重新設計成本和產(chǎn)品上市時(shí)間的延遲。因此，從設計一開(kāi)始，開(kāi)發(fā)工程師就應該著(zhù)眼于：1. 選用在動(dòng)態(tài)負載條件下具有低開(kāi)關(guān)噪音的電源；2. 將高速訊號線(xiàn)間的串擾降到最??；3. 高頻和低頻退耦；4. 具有最小傳輸線(xiàn)效應的優(yōu)良訊號完整性； 如果實(shí)現了這些目標，開(kāi)發(fā)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(lái)自任何噪聲源的過(guò)大噪音，都會(huì )導致隨機邏輯和鎖相環(huán)(PLL)失效，降低可靠性。還會(huì )導致影響FCC認證測試的輻射干擾。此外，除錯一個(gè)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(huà)──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(huì )對最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生顯著(zhù)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(zhì)量、電源噪音、PCB布線(xiàn)質(zhì)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(shí)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(zhì)量視訊的系統都是有害的，例如安全監控方面的應用。實(shí)際上，上述這些問(wèn)題通常都與視訊電路板的設計不良有關(guān)，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(xiàn)。 這些典型的視訊問(wèn)題源包括：同步和畫(huà)素頻率的過(guò)沖和欠沖；影響色彩的編譯碼和畫(huà)素頻率抖動(dòng)；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(chǎn)生的噪音干擾問(wèn)題，對于所有要求具有很低誤碼率的通訊系統來(lái)說(shuō)也是常見(jiàn)的。在通訊系統中，輻射不僅僅產(chǎn)生EMI問(wèn)題，還會(huì )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(shù)以及RF和混合的模擬/數字訊號的隔離等技術(shù)，就可以解決這些挑戰。 在高速DSP系統中有許多潛在的開(kāi)關(guān)噪聲源，包括：訊號線(xiàn)間的串擾；傳輸線(xiàn)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(xiàn)，振蕩器和鎖相環(huán)電路；開(kāi)關(guān)電源；線(xiàn)形調整器不穩定性所引起的大容性負載；磁盤(pán)驅動(dòng)器。 這些問(wèn)題由電耦合和磁耦合共同產(chǎn)生。電耦合的產(chǎn)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(xiàn)形成輻射天線(xiàn)所導致。如果輻射干擾足夠強的話(huà)，將會(huì )導致能夠摧毀其它系統的EMI問(wèn)題。 當高速DSP系統中的噪音無(wú)法根本消除時(shí)，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(guān)重要。除了正確選擇組件外，還有兩種通用的技術(shù)，即PCB布線(xiàn)和回路退耦可協(xié)助控制系統噪音。一個(gè)優(yōu)秀的PCB布線(xiàn)將降低噪音通道產(chǎn)生的可能性。另外，還減少了能夠傳播到印刷線(xiàn)和電流回路上的輻射，退耦可避免相鄰電路產(chǎn)生的噪音影響。最好的方法是從源頭上濾除噪音，不過(guò)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(fā)之常見(jiàn)問(wèn)題的技術(shù)。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(xiàn)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(lái)實(shí)現。電源平面透過(guò)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(gè)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(xiàn)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(guān)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(zhù)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(diǎn)處短接到數字地上，如圖2所示。
圖3：電源退耦。 為PLL供電時(shí)，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(lái)說(shuō)，要求抖動(dòng)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(jīng)常被用來(lái)隔離PLL與系統中的其它高速電路。一個(gè)較好的辦法是利用一個(gè)低壓差(LDO)電壓調整器來(lái)獨立產(chǎn)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(yōu)異的PLL性能。
圖4：PLL電源隔離。
串擾及傳輸線(xiàn)效應 訊號間的干擾，即串擾，可透過(guò)電磁輻射在印刷線(xiàn)間傳播。這也可能由電源和地平面上的無(wú)用訊號以電氣形式產(chǎn)生。串擾與印刷線(xiàn)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(xiàn)間距應至少是印刷線(xiàn)寬度的2倍。對于像以太網(wǎng)絡(luò )和 USB這類(lèi)差分訊號，印刷線(xiàn)間距需與印刷線(xiàn)寬度相同，目的是能匹配差分阻抗。關(guān)鍵訊號可用地和電源平面屏蔽，或在改板時(shí)增加與訊號平行的地線(xiàn)。 有些訊號還會(huì )產(chǎn)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(shí)間，較慢的上升或下降時(shí)間引起的干擾將較小。圖6為視訊干擾的實(shí)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(chǎn)生如圖中左側所示的干擾。透過(guò)在音訊頻率印刷在線(xiàn)增加一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)放慢頻率的上升和下降時(shí)間可減少干擾，其結果如圖6右側所示。不過(guò)，設計師需要了解定時(shí)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(guān)的是傳輸線(xiàn)效應，這種效應在高速印刷線(xiàn)變成產(chǎn)生輻射干擾的發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生。通常，當訊號的上升時(shí)間小于傳播延遲的2倍時(shí)，印刷線(xiàn)才發(fā)射訊號。這暗示為了減少傳播延遲，印刷線(xiàn)的長(cháng)度應盡可能短。另一個(gè)是合理的訊號端接將減慢訊號的上升時(shí)間，將反射引起的過(guò)沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用平行端接來(lái)校正電平并將傳輸線(xiàn)效應減到最小。
圖7:利用端接將傳輸線(xiàn)效應減到最小。 設計師可能會(huì )質(zhì)疑，既然芯片內部已經(jīng)整合了電阻，在外部端接負載電阻是否還有其重要性。實(shí)際上，除了控制傳輸線(xiàn)效應外，外部電阻還可以實(shí)現訊號完整性的精密調整。DSP無(wú)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(shí)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(wú)連接的接腳來(lái)說(shuō)，雖然內部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開(kāi)關(guān)噪音能夠傳過(guò)來(lái)，并會(huì )誤觸發(fā)連接端上的內部邏輯?？刂?/span>EMI 能夠輻射到系統外的輻射被認為是EMI，這可能使設計無(wú)法通過(guò)FCC認證。有兩種可能的輻射：一種是發(fā)射源是一條直線(xiàn)型的訊號印刷線(xiàn)，或電纜的共模輻射，另一種是其訊號和回路構成一個(gè)大電流回路的差分模式輻射。共模輻射隨著(zhù)頻率的升高而降低，而差分模式輻射則隨著(zhù)頻率的升高而增強，直到其飽和點(diǎn)。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(lái)自外部電纜時(shí)(如圖8所示)，可在電纜上加一個(gè)扼流圈。如果導致EMI的是內部傳輸線(xiàn)，則通常用端接負載方式，不過(guò)在訊號印刷線(xiàn)間加入一條地線(xiàn)也有助于減少輻射。另一種可能方案是將訊號的印刷線(xiàn)長(cháng)度減短至小于訊號波長(cháng)(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(xiàn)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(lái)降低源電流，用合適的電流通道來(lái)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(shí)，還應考慮動(dòng)態(tài)電流。高速電流可能隨時(shí)變化，這種瞬變也會(huì )引起輻射。此外，改變電容的值時(shí)要防止自諧振限制頻率范圍。PCB分層是一個(gè)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(lái)，并使其遠離其它訊號。如果可能的話(huà)，不要把地層隔開(kāi)。盡管噪音和輻射是由系統設計中的復雜的無(wú)用功能引起的，但透過(guò)上述的一些簡(jiǎn)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(wú)法通過(guò)FCC的認證。所幸的是，對噪音和輻射的規劃和掌握可協(xié)助系統設計師將這些問(wèn)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(shù)。具備了這些技術(shù)，DSP視訊設計師就能有效地解決系統的噪音和輻射。
