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音視頻產(chǎn)品的抗干擾研究
電磁兼容，即EMC(ElectromagneticCompatibility)，是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的應(yīng)用越來越廣泛。而數(shù)字電路的抗干擾技術(shù)直接關(guān)系到數(shù)字電路的正常工作。因此，如何有效的增強(qiáng)數(shù)字電路的抗干擾性能，已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。本文以DVD播放器為例，討論了數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計。
1干擾源及干擾的一般分類
影響數(shù)字電路的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。
干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同的劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲干擾模式的不同可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓可通過不對稱電路轉(zhuǎn)換成差模電壓，它會直接影響測控信號，造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)I／O模件損壞率較高的主要原因)，這種共模干擾可以是直流、亦可為交流。差模干擾主要是指作用于信號兩極之間的干擾電壓，其中最主要的是空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及不平衡電路的轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，它會直接疊加在信號上，影響測量與控制精度。
2數(shù)字音視頻產(chǎn)品的特點
數(shù)字音視頻（AV）產(chǎn)品的核心是DSP(DigiialSignalProcessing)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對音視頻信號進(jìn)行高速的數(shù)字信號處理，使人們視聽享受達(dá)到較完美的境地。同時，由于數(shù)字信號處理的碼率很高，一般VCD視盤機(jī)的MPEG1視頻數(shù)據(jù)率和音頻數(shù)據(jù)率之和約1.5Mb／s；DVD的MPEG2音視頻可變碼率平均為4.69Mb／s，最大速率達(dá)10.7Mb／s，可見碼率之高，而且，處理系統(tǒng)又與高速的存儲器配合使用數(shù)據(jù)的讀寫。隨著碼率的不斷提高，數(shù)字信號處理的速度越來越快，故會產(chǎn)生與速度成正比的大量干擾脈沖，且頻率越來越高，幅度越來越大，從而對產(chǎn)品的抗干擾設(shè)計帶來更大的難度，這也是產(chǎn)品品質(zhì)高低的關(guān)鍵所在。
3數(shù)字電路的常見干擾
數(shù)字音視頻（AV）產(chǎn)品的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的常見噪聲有以下幾種：
(1)電源噪聲：主要是DSP電路、CPU、動態(tài)存儲器件和其它數(shù)字邏輯電路在工作過程中的邏輯狀態(tài)高速變換，從而造成系統(tǒng)電流和電壓變化所產(chǎn)生的噪聲，同時也包括溫度變化時的直流噪聲以及供電電源本身產(chǎn)生的噪聲；
(2)地線噪聲：系統(tǒng)內(nèi)各部分地線之間出現(xiàn)電位差或存在接地阻抗所引起的接地噪聲；
(3)反射噪聲：指的是傳輸線路各部分的特性阻抗不同或與負(fù)載阻抗不匹配時，其傳輸信號在終端(或臨界)部位將產(chǎn)生反射，從而使信號波形發(fā)生畸變或產(chǎn)生振蕩。
(4)串?dāng)_噪聲：由于扁平電纜或束捆導(dǎo)線等傳輸線之間、印制電路板內(nèi)平行印制導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)以及高速開關(guān)電流通過分布電容等寄生參數(shù)把無用信號成分疊加在目的信號上所引起的噪聲。
可見，形成干擾的基本要素有干擾源、傳播路徑和敏感器件三點。因此，抗干擾設(shè)計的基本原則為抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能。
4干擾噪聲的抑制措施
4.1電源和地線噪聲的抑制
抑制電源干擾是抗干擾設(shè)計中最先考慮和最重要的原則。電源在向系統(tǒng)提供能源的同時，會將其噪聲加到所供電的電源上；電網(wǎng)上的強(qiáng)干擾也會通過電源進(jìn)入電路；此外，即使電池供電，其電池本身也有高頻噪聲。事實上，DVD所用的電源就經(jīng)歷了從線性電源、高壓開關(guān)電源和低壓開關(guān)電源的過程。
抑制電源干擾就是盡可能的減小干擾源的du／dt和di／dt。減小干擾源的du／dt主要通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的di／dt則可在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。常用措施如下：
(1)在電源變壓器的前端加裝電源濾波器，這種電源濾波器具有良好抑制共模噪聲和串模噪聲的能力，可隔離外部和內(nèi)部脈沖噪聲的干擾；
(2)采用開關(guān)電源來取代線性電源以提高整機(jī)的性能；
(3)選用貼片元件并盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響；同時應(yīng)選用噪聲容限大的數(shù)字IC。
(4)在VDD及VOC電源端盡可能靠近器件處接入濾波電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑，可用10μF鋁電解和0.1μF獨石電容并聯(lián)接在電源腳上。對于MPEG板主電源輸入端租MPEG解碼芯片以及DRAM、SDRAM等高速數(shù)字IC的電源端，可用鉭電解電容代替鋁電解電容，因為在高頻時，鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。
(5)對數(shù)?；旌想娐?，VDD與VOC應(yīng)連到模擬電源VOC，AGND與DGND接到模擬地AGND。根據(jù)BB、PHILIPS、ALPINE等公司的實驗結(jié)果，建議把D／A器件視為模擬器件，因此，MPEG電路與D／A器件連接中，D／A器件必須置于AGND上，同時要提供一條數(shù)字回路以供這些數(shù)字噪聲／能量反饋回信號源，從而減小數(shù)字器件的噪聲對模擬電路的影響，提高D／A器件的動態(tài)特性。
根據(jù)實測DVD播放器、MPEG解壓板數(shù)字電源、VDD與模擬電源、VOC的噪聲電平可知，電源上疊加的噪聲電平已相當(dāng)小，VDD噪聲電平與VOC噪聲電平的波形基本一致，且數(shù)字電源噪聲電平(VPP=85mV)明顯大于模擬電源的噪聲電平，這說明，此處的干擾脈沖主要是數(shù)字信號產(chǎn)生的。
4.2反射干擾噪聲的抑制
在DSP輸出端加適當(dāng)電阻可使之與束捆線和扁平電纜的特性阻抗基本一致，并使發(fā)送端的阻抗基本匹配，從而抵消數(shù)字信號脈沖的上升／下降過沖。此外，把束捆線的長度縮短到1max以下，也可以減輕波形畸變。從而使DSP的波形明顯改善。
事實上，也可以用終端二極管取代匹配電阻。此法已在數(shù)字IC的芯片制作中被廣泛用作輸入輸出端的匹配和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。這種匹配方法能改善終端波形，且對發(fā)送端的電平高低沒有影響，同時具有補(bǔ)設(shè)方便，多個同機(jī)負(fù)載時可達(dá)到最佳匹配，可有效抑制過沖脈沖等優(yōu)點。
在系統(tǒng)中外加整形電路也可以減小因連接線不匹配而引起的干擾噪聲，整形電路通常加在輸入端之前，但是也應(yīng)當(dāng)注意，不能使信號產(chǎn)生新的相位變化。
4.3數(shù)字信號的串?dāng)_抑制
在考慮數(shù)字信號的串?dāng)_抑制時，應(yīng)盡可能縮短信號線的傳輸長度。在多種電平的信號傳輸時，應(yīng)盡量把前后沿時間相近的同級電平信號劃為一組進(jìn)行傳輸。DATA、BCK、LRCK信號與主時鐘之間應(yīng)使用一根地線相互隔離。必要時，也可用屏蔽線代替束捆線來傳輸MCLK和BCK時鐘，以減小串?dāng)_和輻射。
在雙面印制板布線時，可用正面?zhèn)鬏敻哳l數(shù)字信號和時鐘信號，然后在其傳輸印制電路背面盡可能加大接地面積。這樣，由于平行導(dǎo)線間的分布電容在導(dǎo)線接近地平面時會變小，信號線之間串音干擾就會減小；在MPEG芯片、DRAM、SDRAM及其它高速數(shù)字器件的印制板布線時，可在其背面布上大片地線，這樣，地線就可以旁路或屏蔽器件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲。
5結(jié)束語
電磁兼容技術(shù)是一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及到電子、計算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以及人民生活的各個方面。因此，在數(shù)字AV產(chǎn)品設(shè)計、試制過程中，應(yīng)把電磁兼容設(shè)計作為設(shè)計過程的重要一環(huán)，從元件選購、電路板設(shè)計及整機(jī)整體布局就各方面嚴(yán)格按照數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計要求，來設(shè)計、開發(fā)具備良好電磁兼容性能和優(yōu)良音視頻性能的數(shù)字AV產(chǎn)品。
1干擾源及干擾的一般分類
影響數(shù)字電路的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。
干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同的劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲干擾模式的不同可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓迭加所形成。共模電壓可通過不對稱電路轉(zhuǎn)換成差模電壓，它會直接影響測控信號，造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)I／O模件損壞率較高的主要原因)，這種共模干擾可以是直流、亦可為交流。差模干擾主要是指作用于信號兩極之間的干擾電壓，其中最主要的是空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及不平衡電路的轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，它會直接疊加在信號上，影響測量與控制精度。
2數(shù)字音視頻產(chǎn)品的特點
數(shù)字音視頻（AV）產(chǎn)品的核心是DSP(DigiialSignalProcessing)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對音視頻信號進(jìn)行高速的數(shù)字信號處理，使人們視聽享受達(dá)到較完美的境地。同時，由于數(shù)字信號處理的碼率很高，一般VCD視盤機(jī)的MPEG1視頻數(shù)據(jù)率和音頻數(shù)據(jù)率之和約1.5Mb／s；DVD的MPEG2音視頻可變碼率平均為4.69Mb／s，最大速率達(dá)10.7Mb／s，可見碼率之高，而且，處理系統(tǒng)又與高速的存儲器配合使用數(shù)據(jù)的讀寫。隨著碼率的不斷提高，數(shù)字信號處理的速度越來越快，故會產(chǎn)生與速度成正比的大量干擾脈沖，且頻率越來越高，幅度越來越大，從而對產(chǎn)品的抗干擾設(shè)計帶來更大的難度，這也是產(chǎn)品品質(zhì)高低的關(guān)鍵所在。
3數(shù)字電路的常見干擾
數(shù)字音視頻（AV）產(chǎn)品的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的常見噪聲有以下幾種：
(1)電源噪聲：主要是DSP電路、CPU、動態(tài)存儲器件和其它數(shù)字邏輯電路在工作過程中的邏輯狀態(tài)高速變換，從而造成系統(tǒng)電流和電壓變化所產(chǎn)生的噪聲，同時也包括溫度變化時的直流噪聲以及供電電源本身產(chǎn)生的噪聲；
(2)地線噪聲：系統(tǒng)內(nèi)各部分地線之間出現(xiàn)電位差或存在接地阻抗所引起的接地噪聲；
(3)反射噪聲：指的是傳輸線路各部分的特性阻抗不同或與負(fù)載阻抗不匹配時，其傳輸信號在終端(或臨界)部位將產(chǎn)生反射，從而使信號波形發(fā)生畸變或產(chǎn)生振蕩。
(4)串?dāng)_噪聲：由于扁平電纜或束捆導(dǎo)線等傳輸線之間、印制電路板內(nèi)平行印制導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)以及高速開關(guān)電流通過分布電容等寄生參數(shù)把無用信號成分疊加在目的信號上所引起的噪聲。
可見，形成干擾的基本要素有干擾源、傳播路徑和敏感器件三點。因此，抗干擾設(shè)計的基本原則為抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能。
4干擾噪聲的抑制措施
4.1電源和地線噪聲的抑制
抑制電源干擾是抗干擾設(shè)計中最先考慮和最重要的原則。電源在向系統(tǒng)提供能源的同時，會將其噪聲加到所供電的電源上；電網(wǎng)上的強(qiáng)干擾也會通過電源進(jìn)入電路；此外，即使電池供電，其電池本身也有高頻噪聲。事實上，DVD所用的電源就經(jīng)歷了從線性電源、高壓開關(guān)電源和低壓開關(guān)電源的過程。
抑制電源干擾就是盡可能的減小干擾源的du／dt和di／dt。減小干擾源的du／dt主要通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的di／dt則可在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。常用措施如下：
(1)在電源變壓器的前端加裝電源濾波器，這種電源濾波器具有良好抑制共模噪聲和串模噪聲的能力，可隔離外部和內(nèi)部脈沖噪聲的干擾；
(2)采用開關(guān)電源來取代線性電源以提高整機(jī)的性能；
(3)選用貼片元件并盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響；同時應(yīng)選用噪聲容限大的數(shù)字IC。
(4)在VDD及VOC電源端盡可能靠近器件處接入濾波電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑，可用10μF鋁電解和0.1μF獨石電容并聯(lián)接在電源腳上。對于MPEG板主電源輸入端租MPEG解碼芯片以及DRAM、SDRAM等高速數(shù)字IC的電源端，可用鉭電解電容代替鋁電解電容，因為在高頻時，鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。
(5)對數(shù)?；旌想娐?，VDD與VOC應(yīng)連到模擬電源VOC，AGND與DGND接到模擬地AGND。根據(jù)BB、PHILIPS、ALPINE等公司的實驗結(jié)果，建議把D／A器件視為模擬器件，因此，MPEG電路與D／A器件連接中，D／A器件必須置于AGND上，同時要提供一條數(shù)字回路以供這些數(shù)字噪聲／能量反饋回信號源，從而減小數(shù)字器件的噪聲對模擬電路的影響，提高D／A器件的動態(tài)特性。
根據(jù)實測DVD播放器、MPEG解壓板數(shù)字電源、VDD與模擬電源、VOC的噪聲電平可知，電源上疊加的噪聲電平已相當(dāng)小，VDD噪聲電平與VOC噪聲電平的波形基本一致，且數(shù)字電源噪聲電平(VPP=85mV)明顯大于模擬電源的噪聲電平，這說明，此處的干擾脈沖主要是數(shù)字信號產(chǎn)生的。
4.2反射干擾噪聲的抑制
在DSP輸出端加適當(dāng)電阻可使之與束捆線和扁平電纜的特性阻抗基本一致，并使發(fā)送端的阻抗基本匹配，從而抵消數(shù)字信號脈沖的上升／下降過沖。此外，把束捆線的長度縮短到1max以下，也可以減輕波形畸變。從而使DSP的波形明顯改善。
事實上，也可以用終端二極管取代匹配電阻。此法已在數(shù)字IC的芯片制作中被廣泛用作輸入輸出端的匹配和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。這種匹配方法能改善終端波形，且對發(fā)送端的電平高低沒有影響，同時具有補(bǔ)設(shè)方便，多個同機(jī)負(fù)載時可達(dá)到最佳匹配，可有效抑制過沖脈沖等優(yōu)點。
在系統(tǒng)中外加整形電路也可以減小因連接線不匹配而引起的干擾噪聲，整形電路通常加在輸入端之前，但是也應(yīng)當(dāng)注意，不能使信號產(chǎn)生新的相位變化。
4.3數(shù)字信號的串?dāng)_抑制
在考慮數(shù)字信號的串?dāng)_抑制時，應(yīng)盡可能縮短信號線的傳輸長度。在多種電平的信號傳輸時，應(yīng)盡量把前后沿時間相近的同級電平信號劃為一組進(jìn)行傳輸。DATA、BCK、LRCK信號與主時鐘之間應(yīng)使用一根地線相互隔離。必要時，也可用屏蔽線代替束捆線來傳輸MCLK和BCK時鐘，以減小串?dāng)_和輻射。
在雙面印制板布線時，可用正面?zhèn)鬏敻哳l數(shù)字信號和時鐘信號，然后在其傳輸印制電路背面盡可能加大接地面積。這樣，由于平行導(dǎo)線間的分布電容在導(dǎo)線接近地平面時會變小，信號線之間串音干擾就會減小；在MPEG芯片、DRAM、SDRAM及其它高速數(shù)字器件的印制板布線時，可在其背面布上大片地線，這樣，地線就可以旁路或屏蔽器件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲。
5結(jié)束語
電磁兼容技術(shù)是一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及到電子、計算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以及人民生活的各個方面。因此，在數(shù)字AV產(chǎn)品設(shè)計、試制過程中，應(yīng)把電磁兼容設(shè)計作為設(shè)計過程的重要一環(huán)，從元件選購、電路板設(shè)計及整機(jī)整體布局就各方面嚴(yán)格按照數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計要求，來設(shè)計、開發(fā)具備良好電磁兼容性能和優(yōu)良音視頻性能的數(shù)字AV產(chǎn)品。
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