DSP系統(tǒng)中的EMC和EMI的解決方案

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。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)。