在任何高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，處理噪音和電磁干擾(EMI)都是必然的挑戰(zhàn)。處理音視訊和通訊訊號(hào)的數(shù)字訊號(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)該及早厘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(guī)劃將減少除錯(cuò)階段中的大量時(shí)間和工作反復(fù)，可節(jié)省整體設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。
如今，最快的DSP的內(nèi)部頻率速率高達(dá)數(shù)GHz，而發(fā)射和接收訊號(hào)的頻率高達(dá)數(shù)百 MHz。這些高速開關(guān)訊號(hào)將會(huì)產(chǎn)生大量的噪音和干擾，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，如具有音視訊接口、LCD和無線通訊功能，以太網(wǎng)絡(luò)和USB控制器、電源、振蕩器、驅(qū)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)受到相鄰零組件的影響。音視訊系統(tǒng)中特別容易產(chǎn)生這些問題，因?yàn)樵胍魰?huì)引起微妙的性能衰減，但這幾乎不會(huì)顯露在離散的數(shù)據(jù)之中。
重點(diǎn)是要從設(shè)計(jì)開始就著手解決噪音和干擾問題。許多設(shè)計(jì)第一次都沒有通過聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)的電磁兼容測(cè)試。如果在早期設(shè)計(jì)中，在低噪音和低干擾設(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)品上市時(shí)間的延遲。因此，從設(shè)計(jì)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)噪音的電源；
2. 將高速訊號(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)良訊號(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音和EMI方面的缺陷。
噪音的影響及控制
對(duì)于高速DSP而言，降低噪音是最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。來自任何噪聲源的過大噪音，都會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)邏輯和鎖相環(huán)(PLL)失效，降低可靠性。還會(huì)導(dǎo)致影響FCC認(rèn)證測(cè)試的輻射干擾。此外，除錯(cuò)一個(gè)噪音很大的系統(tǒng)是極端困難的；因此，要消除噪音──若能徹底消除的話──將要求在電路板設(shè)計(jì)中花費(fèi)大量心血。
在音視訊系統(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)生顯著影響。例如，音訊擷取和播放系統(tǒng)中，性能將取決于所用音訊編譯碼的質(zhì)量、電源噪音、PCB布線質(zhì)量、相鄰電路間的串?dāng)_大小等。而且，采樣頻率的穩(wěn)定度要求也非常高，以避免出現(xiàn)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(tǒng)中，主要的挑戰(zhàn)是消除色彩失真、60Hz‘嗡嗡’聲以及音訊敲擊聲。這些對(duì)高質(zhì)量視訊的系統(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訊電路板的設(shè)計(jì)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(hào)耦合到高阻抗的視訊電路訊號(hào)在線。
這些典型的視訊問題源包括：同步和畫素頻率的過沖和欠沖；影響色彩的編譯碼和畫素頻率抖動(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(yīng)用容易產(chǎn)生的噪音干擾問題，對(duì)于所有要求具有很低誤碼率的通訊系統(tǒng)來說也是常見的。在通訊系統(tǒng)中，輻射不僅僅產(chǎn)生EMI問題，還會(huì)阻塞其它的通訊訊息信道，引起偽訊息信道檢測(cè)。采用適當(dāng)?shù)碾娐钒逶O(shè)計(jì)、屏蔽技術(shù)以及RF和混合的模擬/數(shù)字訊號(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：訊號(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)生是由于相鄰訊號(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訊號(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)致能夠摧毀其它系統(tǒng)的EMI問題。
當(dāng)高速DSP系統(tǒng)中的噪音無法根本消除時(shí)，則應(yīng)該將其減到最小。電子零組件內(nèi)部都有噪音，故仔細(xì)選擇組件特性，并選用適當(dāng)?shù)慕M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布線和回路退耦可協(xié)助控制系統(tǒng)噪音。一個(gè)優(yōu)秀的PCB布線將降低噪音通道產(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，不過也可以使相鄰的電路對(duì)噪音不感應(yīng)或消除噪音的耦合通道。以下將討論幾種可解決由系統(tǒng)噪音和EMI引發(fā)之常見問題的技術(shù)。
保持最短的電流回路
低速訊號(hào)電流沿阻抗最小，即最短的路徑返回源端。而高速訊號(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訊號(hào)線下方，如圖1所示。
圖１：高速訊號(hào)與低速訊號(hào)電流的比較。
因此，高速訊號(hào)設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是為訊號(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)。電源平面透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(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)。
在高速視訊系統(tǒng)中，保持回路短的目的意味著視訊地不能被隔離。而必須被隔離的音訊地，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：音訊地隔離。
電源隔離和鎖相環(huán)
如何實(shí)現(xiàn)最佳供電是控制噪音和輻射的最大挑戰(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(jìng)用和電容充電所引起的大瞬態(tài)電流；由于退耦和布線不合理引起的大電壓下降；振蕩器使線性調(diào)節(jié)器輸出過載。
圖3為電流回路設(shè)計(jì)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，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)噪音非常敏感，且對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)來說，要求抖動(dòng)非常低。你還必須選擇模擬或數(shù)字PLL，模擬PLL對(duì)噪音的敏感度比數(shù)位PLL低。
如圖4所示，具有低截至頻率的Π型濾波器經(jīng)常被用來隔離PLL與系統(tǒng)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(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，但確保了低噪音和優(yōu)異的PLL性能。
圖4：PLL電源隔離。
圖5：利用LDO實(shí)現(xiàn)PLL電源的隔離。
串?dāng)_及傳輸線效應(yīng)
訊號(hào)間的干擾，即串?dāng)_，可透過電磁輻射在印刷線間傳播。這也可能由電源和地平面上的無用訊號(hào)以電氣形式產(chǎn)生。串?dāng)_與印刷線間距的平方成反比。因此，為了將串?dāng)_減到最小，單端訊號(hào)的布線間距應(yīng)至少是印刷線寬度的2倍。對(duì)于像以太網(wǎng)絡(luò)和 USB這類差分訊號(hào)，印刷線間距需與印刷線寬度相同，目的是能匹配差分阻抗。關(guān)鍵訊號(hào)可用地和電源平面屏蔽，或在改板時(shí)增加與訊號(hào)平行的地線。
有些訊號(hào)還會(huì)產(chǎn)生引起串?dāng)_的高頻諧波。由于輻射的能量正比于訊號(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為視訊干擾的實(shí)例，這些干擾可能由內(nèi)部頻率輻射引起。在北美地區(qū)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(cè)所示的干擾。透過在音訊頻率印刷在線增加一個(gè)串聯(lián)電阻來放慢頻率的上升和下降時(shí)間可減少干擾，其結(jié)果如圖6右側(cè)所示。不過，設(shè)計(jì)師需要了解定時(shí)裕度，以便將上升和下降沿降低到系統(tǒng)所允許的限度內(nèi)。
圖6：解決音視訊串?dāng)_。
與串?dāng)_相關(guān)的是傳輸線效應(yīng)，這種效應(yīng)在高速印刷線變成產(chǎn)生輻射干擾的發(fā)射器時(shí)產(chǎn)生。通常，當(dāng)訊號(hào)的上升時(shí)間小于傳播延遲的2倍時(shí)，印刷線才發(fā)射訊號(hào)。這暗示為了減少傳播延遲，印刷線的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。另一個(gè)是合理的訊號(hào)端接將減慢訊號(hào)的上升時(shí)間，將反射引起的過沖和欠沖減到最小。圖7顯示了如何利用平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)整合了電阻，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)訊號(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)載可以減少源電流，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非常重要。對(duì)于無連接的接腳來說，雖然內(nèi)部的上拉和下拉電阻是足夠的，但高速開關(guān)噪音能夠傳過來，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訊號(hào)印刷線，或電纜的共模輻射，另一種是其訊號(hào)和回路構(gòu)成一個(gè)大電流回路的差分模式輻射。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。
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)(如圖8所示)，可在電纜上加一個(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)載方式，不過在訊號(hào)印刷線間加入一條地線也有助于減少輻射。另一種可能方案是將訊號(hào)的印刷線長(zhǎng)度減短至小于訊號(hào)波長(zhǎng)(或訊號(hào)頻率的倒數(shù))的1/20。例如，為了避免傳輸輻射，500MHz的印刷線應(yīng)該短于1.18英吋。
圖8：共模輻射。
對(duì)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(shù)。減少輻射的方法包括：端接負(fù)載來降低源電流，用合適的電流通道來提供可減少回路面積的回路，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。把高速訊號(hào)隔離起來，并使其遠(yuǎn)離其它訊號(hào)。如果可能的話，不要把地層隔開。盡管噪音和輻射是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜的無用功能引起的，但透過上述的一些簡(jiǎn)單方法還是可以控制的。
圖9：差模輻射。
本文小結(jié)
高速的DSP視訊系統(tǒng)中有許多潛在的噪音和輻射源，它們可以擾亂系統(tǒng)的工作，或者使設(shè)計(jì)無法通過FCC的認(rèn)證。所幸的是，對(duì)噪音和輻射的規(guī)劃和掌握可協(xié)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)省大量的除錯(cuò)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)噪音和EMI的兩種常用技術(shù)。具備了這些技術(shù)，DSP視訊設(shè)計(jì)師就能有效地解決系統(tǒng)的噪音和輻射。