如何避免數(shù)字信號(hào)處理DSP系統(tǒng)中的噪聲和EMI干擾

在任何高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，處理噪聲和電磁干擾（EMI）都是一個(gè)必然的挑戰(zhàn)。處理音視頻和通信信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）系統(tǒng)特別容易遭受這些干擾，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該及早搞清楚潛在的噪聲和干擾源，并及早采取措施將這些干擾降到最小。良好的規(guī)劃將減少調(diào)試階段中的大量時(shí)間和工作的反復(fù)，從而會(huì)節(jié)省總的設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

如今，最快的DSP的內(nèi)部時(shí)鐘速率高達(dá)數(shù)千兆赫，而發(fā)射和接收信號(hào)的頻率高達(dá)幾百兆赫。這些高速開關(guān)信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲和干擾，將影響系統(tǒng)性能并產(chǎn)生電平很高的EMI。而DSP系統(tǒng)也變得更加復(fù)雜，比如具有音視頻接口、LCD和無線通信功能，以太網(wǎng)和USB控制器、電源、振蕩器、驅(qū)動(dòng)控制以及其他各種電路，所有這些都將產(chǎn)生噪聲，也都會(huì)受到相鄰元器件的影響。音視頻系統(tǒng)中特別容易產(chǎn)生這些問題，因?yàn)樵肼晻?huì)引起敏感的模擬性能的下降，而對(duì)于離散的數(shù)據(jù)來說卻不明顯。

至關(guān)重要的是從設(shè)計(jì)的一開始就著手解決噪聲和干擾問題。許多設(shè)計(jì)第一次都沒有通過聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的電磁兼容測試。如果在早期的設(shè)計(jì)中在低噪聲和低干擾設(shè)計(jì)方法上花費(fèi)一些時(shí)間，就會(huì)減少后續(xù)階段的重新設(shè)計(jì)成本和產(chǎn)品的上市時(shí)間的延遲。因此，從設(shè)計(jì)的一開始，開發(fā)工程師就應(yīng)該著眼于：

1. 選用在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下具有低開關(guān)噪聲的電源；

2. 將高速信號(hào)線間的串?dāng)_降到最小；

3. 高頻和低頻退耦；

4. 具有最小傳輸線效應(yīng)的優(yōu)良的信號(hào)完整性；

如果實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)，開發(fā)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(duì)于高速DSP而言，降低噪聲是最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。來自任何噪聲源的過大的噪聲，都會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)邏輯和鎖相環(huán)（PLL）失效，從而降低可靠性。還會(huì)導(dǎo)致影響FCC認(rèn)證測試的輻射干擾。此外，調(diào)試一個(gè)噪聲很大的系統(tǒng)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(shè)計(jì)中花費(fèi)大量的功夫。

在音視頻系統(tǒng)中，即便是比較小的干擾，也會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生顯著的影響。例如，音頻捕獲和回放系統(tǒng)中，性能將取決于所用的音頻編解碼的質(zhì)量，電源的噪聲，PCB布線質(zhì)量，以及相鄰電路間的串?dāng)_大小等。而且，采樣時(shí)鐘的穩(wěn)定度也要求非常高，以避免出現(xiàn)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(tǒng)中，主要的挑戰(zhàn)是消除色彩失真，60Hz“嗡嗡”聲以及音頻敲擊聲。這些對(duì)高質(zhì)量視頻的系統(tǒng)都是有害的，例如安全監(jiān)控方面的應(yīng)用。實(shí)際上，上述這些問題通常都與視頻電路板的設(shè)計(jì)不良有關(guān)。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(hào)耦合到了高阻抗的視頻電路的信號(hào)線上。

這些典型的視頻問題源包括：同步和像素時(shí)鐘的過沖和欠沖；影響色彩的編解碼和像素時(shí)鐘的抖動(dòng)；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(yīng)用容易產(chǎn)生的噪聲干擾問題，對(duì)于所有要求具有很低誤碼率的通信系統(tǒng)來說也是常見的。在通信系統(tǒng)中，輻射不僅僅產(chǎn)生EMI問題，還會(huì)阻塞其他的通信信道，從而引起虛假的信道檢測。采用適當(dāng)?shù)碾娐钒逶O(shè)計(jì)技術(shù)、屏蔽技術(shù)以及RF和混合的模擬/數(shù)字信號(hào)的隔離等技術(shù)，就可以解決這些挑戰(zhàn)。

在高速DSP系統(tǒng)中有許多潛在的開關(guān)噪聲源，包括：信號(hào)線間的串?dāng)_；傳輸線效應(yīng)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(huán)電路；開關(guān)電源；線形調(diào)整器不穩(wěn)定性所引起的大容性負(fù)載；磁盤驅(qū)動(dòng)器。

這些問題由電耦合和磁耦合共同產(chǎn)生。電耦合的產(chǎn)生是由于相鄰信號(hào)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(hào)線形成輻射天線所導(dǎo)致。如果輻射干擾足夠強(qiáng)的話，將會(huì)導(dǎo)致能夠摧毀其他系統(tǒng)的EMI問題。

當(dāng)高速DSP系統(tǒng)中的噪聲無法根本消除時(shí)，則應(yīng)該將其減到最小。電子元器件內(nèi)部都有噪聲，故仔細(xì)地選擇器件特性，并選用適當(dāng)?shù)钠骷侵陵P(guān)重要的。除了器件的正確選擇外，還有兩種通用的技術(shù)，即PCB布線和回路退耦可以幫助控制系統(tǒng)噪聲。一個(gè)優(yōu)秀的PCB布線將降低噪聲通道產(chǎn)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，退耦避免相鄰電路產(chǎn)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(duì)噪聲不敏感或者消除噪聲的耦合通道。

現(xiàn)在我們討論幾種可以解決由系統(tǒng)噪聲和EMI引起的許多常見問題的技術(shù)。

保持電流回路最短

低速信號(hào)電流沿阻抗最小，即最短的路徑返回源端。而高速信號(hào)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(hào)線的下面，如圖1所示。

圖１：高速信號(hào)與低速信號(hào)電流的比較。

因此，高速信號(hào)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一就是為信號(hào)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(shí)現(xiàn)。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(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。為了屏蔽，最好的選擇是：關(guān)鍵信號(hào)最好布到靠近地平面一邊，而其余的則應(yīng)靠近電源平面一側(cè)。

在高速視頻系統(tǒng)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(shù)據(jù)輸入點(diǎn)處短接到數(shù)字地上，如圖2所示。

圖2：音頻地隔離。

電源隔離和鎖相環(huán)

如何實(shí)現(xiàn)最佳供電是控制噪聲和輻射的最大挑戰(zhàn)。動(dòng)態(tài)負(fù)載開關(guān)環(huán)境很復(fù)雜，包括的因素有：進(jìn)入和退出低功率模式；由總線競用和電容器充電所引起的很大的瞬態(tài)電流；由于退耦和布線不合理引起較大的電壓下降；振蕩器使線性調(diào)節(jié)器輸出過載。

圖3給出了一個(gè)設(shè)計(jì)電流回路的實(shí)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(dòng)態(tài)電流回路將較大，這將加大電源電壓的降幅，從而產(chǎn)生電磁輻射。

圖3：電源退耦。

為PLL供電時(shí)，電源隔離是非常重要的，因?yàn)镻LL對(duì)噪聲非常敏感，并且對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)來說，要求抖動(dòng)非常低。你還需要選擇模擬的還是數(shù)字的PLL，模擬PLL對(duì)噪聲的敏感度比數(shù)字PLL要低。

圖4：PLL電源隔離。

如圖4所示的具有低截至頻率的∏型濾波器經(jīng)常被用來將PLL與系統(tǒng)中的其他高速電路隔離開。一個(gè)較好的辦法是利用一個(gè)低壓差（LDO）電壓調(diào)整器來獨(dú)立產(chǎn)生PLL的電源電壓，如圖5所示。該方法雖增加了成本，但確保了低噪聲和優(yōu)異的PLL性能。

圖5：利用LDO實(shí)現(xiàn)PLL電源的隔離

串?dāng)_及傳輸線效應(yīng)

信號(hào)間的干擾，即串?dāng)_，可以通過電磁輻射在印制線間傳播。這也可能由電源和地平面上的無用信號(hào)以電氣的形式產(chǎn)生。串?dāng)_與印制線間距的平方成反比。因此，為了將串?dāng)_減到最小，單端信號(hào)的布線間距應(yīng)至少是印制線寬度的2倍。對(duì)于像以太網(wǎng)和USB這類的差分信號(hào)，印制線間距需要與印制線寬度相同，目的是能夠與差分阻抗相匹配。關(guān)鍵信號(hào)可以用地和電源平面進(jìn)行屏蔽，或者在改板時(shí)增加與信號(hào)并行的地線。

有些信號(hào)還產(chǎn)生引起串?dāng)_的高頻諧波。由于輻射的能量正比于信號(hào)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顯示出視頻干擾的實(shí)例，這些干擾可能由內(nèi)部時(shí)鐘的輻射所引起。在北美地區(qū)第二頻道中，18.432MHz的音頻時(shí)鐘的三次諧波，將產(chǎn)生如圖中左側(cè)所示的干擾。通過在音頻時(shí)鐘印制線上增加一個(gè)串聯(lián)電阻來放慢時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間，減小了干擾，其結(jié)果如圖6中的右側(cè)所示。不過，設(shè)計(jì)師需要了解定時(shí)裕度，以便于將上升和下降沿降低到系統(tǒng)所允許的限度內(nèi)。

圖6：解決音視頻串?dāng)_。

與串?dāng)_相關(guān)的是傳輸線效應(yīng)，這種效應(yīng)在高速印制線變成產(chǎn)生輻射干擾的發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生。通常，當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間小于傳播延遲的2倍時(shí)，印制線才發(fā)射信號(hào)。這就暗示出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，即為了減小傳播延遲，印制線的長度應(yīng)盡可能短。另一個(gè)是合理的信號(hào)端接將減慢信號(hào)的上升時(shí)間，從而將反射引起的過沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用并行端接來校正電平并將傳輸線效應(yīng)減到最小。

圖7：利用端接將傳輸線效應(yīng)減到最小。

設(shè)計(jì)師可能會(huì)質(zhì)疑，既然芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了電阻，在外部端接負(fù)載電阻是否還有其重要性。實(shí)際上，除了控制傳輸線效應(yīng)外，外部電阻還可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性的精密調(diào)整。DSP無法與電路板阻抗完全匹配，因此端接負(fù)載可以減小源電流，以及上升和下降時(shí)間。

與外部端接負(fù)載電阻一樣，外部的上拉和下拉電阻也是重要的。對(duì)于無連接的引腳來說，雖然內(nèi)部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開關(guān)噪聲能夠傳過來，并會(huì)誤觸發(fā)連接端上的內(nèi)部邏輯。

控制EMI

能夠輻射到系統(tǒng)外的輻射被認(rèn)為是EMI，這可能使設(shè)計(jì)無法通過FCC認(rèn)證。有兩種可能的輻射：一種是發(fā)射源是一條直線型的信號(hào)印制線，或者電纜的共模輻射，另一種是其信號(hào)和回路構(gòu)成一個(gè)大電流環(huán)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(qiáng)，直到其飽和點(diǎn)。這兩種模式的輻射如圖8和9所示。

圖8：共模輻射。

圖9：差模輻射。

如何處理EMI取決于輻射源。對(duì)于共模輻射，當(dāng)EMI來自外部電纜時(shí)（例如圖8所示的情況），可以在電纜上加一個(gè)扼流圈。如果導(dǎo)致EMI的是內(nèi)部傳輸線，則通常用端接負(fù)載的方式，不過在信號(hào)印制線間加入一條地線也有助于減小輻射。另一種可能的方案是將信號(hào)的印制線長度減短至小于信號(hào)波長（或信號(hào)頻率的倒數(shù)）的1/20。例如，為了避免傳輸輻射，500MHz的印制線應(yīng)該短于1.18英寸。

對(duì)于差分模式輻射，所輻射的能量是電流、環(huán)路面積和頻率的函數(shù)。減小輻射的方法包括：端接負(fù)載來降低源電流，用合適的電流通道來提供可以減小回路面積的回路，或者降低頻率。

在計(jì)算退耦電阻時(shí)，還應(yīng)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，改變電容器的值時(shí)要防止自諧振限制頻率范圍。PCB分層是一個(gè)好方案，因?yàn)殡娫磳訉?duì)高頻形成自然的退耦，而地層則提供最短的回路。把高速信號(hào)隔離起來，并使其遠(yuǎn)離其他信號(hào)。如果可能的話，不要把地層隔開。盡管噪聲和輻射是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜的無用功能引起的，但通過上述的一些簡單方法還是可以控制的。

本文小結(jié)

高速的DSP視頻系統(tǒng)中有許多潛在的噪聲和輻射源，它們可以擾亂系統(tǒng)的工作，或者使設(shè)計(jì)通不過FCC的認(rèn)證。所幸的是，對(duì)噪聲和輻射的規(guī)劃和掌握可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將這些問題減到最小。早期的努力將節(jié)省大量的調(diào)試工作和后期的麻煩。PCB布局和回路退耦是設(shè)計(jì)師可以限制系統(tǒng)噪聲和EMI的兩種常用技術(shù)。具備了這些技術(shù)，DSP視頻設(shè)計(jì)師就能有效地解決系統(tǒng)的噪聲和輻射。