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時間:2019-09-06
  在任何高速數字電路設計中,處理噪聲和電磁幹擾(EMI)都是一個必然的挑戰。處理音視頻和通信信號的數字信號處理(DSP)系統特別容易遭受這些幹擾,設計時應該及早搞清楚潛在的噪聲和幹擾源,並及早采取措施將這些幹擾降到最小。良好的規劃將減少調試階段中的大量時間和工作的反複,從而會節省總的設計時間和成本。
  如今,最快的DSP的內部時鍾速率高達數千兆赫,而發射和接收信號的頻率高達幾百兆赫。這些高速開關信號將會産生大量的噪聲和幹擾,將影響系統性能並産生電平很高的EMI。而DSP系統也變得更加複雜,比如具有音視頻接口、LCD和無線通信功能,以太網和USB控制器、電源、振蕩器、驅動控制以及其他各種電路,所有這些都將産生噪聲,也都會受到相鄰元器件的影響。音視頻系統中特別容易産生這些問題,因爲噪聲會引起敏感的模擬性能的下降,而對于離散的數據來說卻不明顯。
  至關重要的是從設計的一開始就著手解決噪聲和幹擾問題。許多設計第一次都沒有通過聯邦通信委員會(FCC)的電磁兼容測試。如果在早期的設計中在低噪聲和低幹擾設計方法上花費一些時間,就會減少後續階段的重新設計成本和産品的上市時間的延遲。因此,從設計的一開始,開發工程師就應該著眼于:
  1. 选用在动态负载条件下具有低开关噪声的电源;
  2. 将高速信号线间的串扰降到最小;
  3. 高频和低频退耦;
  4. 具有最小传输线效应的优良的信号完整性;
  如果實現了這些目標,開發工程師就能有效避免噪聲和EMI方面的缺陷。
  噪聲的影響及控制
  對于高速DSP而言,降低噪聲是最重要的設計准則之一。來自任何噪聲源的過大的噪聲,都會導致隨機邏輯和鎖相環(PLL)失效,從而降低可靠性。還會導致影響FCC認證測試的輻射幹擾。此外,調試一個噪聲很大的系統是極端困難的;因此,要消除噪聲-如果能夠徹底消除的話-則要求在電路板設計中花費大量的功夫。
  在音視頻系統中,即便是比較小的幹擾,也會對最終産品的性能産生顯著的影響。例如,音頻捕獲和回放系統中,性能將取決于所用的音頻編解碼的質量,電源的噪聲,PCB布線質量,以及相鄰電路間的串擾大小等。而且,采樣時鍾的穩定度也要求非常高,以避免出現不希望的雜音,如在回放和捕獲過程中的“砰砰”聲和“咔嚓”聲。
  在視頻系統中,主要的挑戰是消除色彩失真,60Hz“嗡嗡”聲以及音頻敲擊聲。這些對高質量視頻的系統都是有害的,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頻電路板的設計不良有關。具體包括:電源噪聲傳到視頻的DAC輸出上;音頻回放引起電源的瞬變;音頻信號耦合到了高阻抗的視頻電路的信號線上。
  這些典型的視頻問題源包括:同步和像素時鍾的過沖和欠沖;影響色彩的編解碼和像素時鍾的抖動;缺少端接電阻的圖像失真;音視頻隔離較差引起的閃爍。
  音視頻應用容易産生的噪聲幹擾問題,對于所有要求具有很低誤碼率的通信系統來說也是常見的。在通信系統中,輻射不僅僅産生EMI問題,還會阻塞其他的通信信道,從而引起虛假的信道檢測。采用適當的電路板設計技術、屏蔽技術以及RF和混合的模擬/數字信號的隔離等技術,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:信號線間的串擾;傳輸線效應引起的反射;退耦電容不合適所引起的電壓降低;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産生。電耦合的産生是由于相鄰信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信號線形成輻射天線所導致。如果輻射幹擾足夠強的話,將會導致能夠摧毀其他系統的EMI問題。
  當高速DSP系統中的噪聲無法根本消除時,則應該將其減到最小。電子元器件內部都有噪聲,故仔細地選擇器件特性,並選用適當的器件是至關重要的。除了器件的正確選擇外,還有兩種通用的技術,即PCB布線和回路退耦可以幫助控制系統噪聲。一個優秀的PCB布線將降低噪聲通道産生的可能性。另外,還減小了能夠傳播到印制線和電流回路上的輻射,退耦避免相鄰電路産生的噪聲影響。最好的方法是從源頭上濾除噪聲,不過也可以使相鄰的電路對噪聲不敏感或者消除噪聲的耦合通道。
  現在我們討論幾種可以解決由系統噪聲和EMI引起的許多常見問題的技術。
  保持電流回路最短
  低速信號電流沿阻抗最小,即最短的路徑返回源端。而高速信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信號線的下面。
   因此,高速信號設計的目標之一就是爲信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。電源平面通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,即衆所周知的鏡像平面,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。這樣形成了高平板電容和低阻抗,有利于降低噪聲和輻射。爲了屏蔽,最好的選擇是:關鍵信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。
  在高速視頻系統中,保持回路短的目的意味著視頻地不能被隔離。而必須被隔離的音頻地,絕不能在數據輸入點處短接到數字地上,如圖2所示。
   
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