深度解析在DSP系統(tǒng)中出現(xiàn)噪聲和EMI問題

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的數(shù)字信號處理（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)射和接收信號的頻率高達(dá)幾百兆赫。這些高速開關(guān)信號將會(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(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(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，如圖1所示。
　　
　　圖１：高速信號與低速信號電流的比較。
　　因此，高速信號設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一就是為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(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。