DSP系統中的EMC和EMI的解決方案

在任何高速數字電路設計中，處理噪音和電磁干擾(EMI)都是必然的挑戰。處理音視訊和通訊訊號的數字訊號處理(DSP)系統特別容易遭受這些干擾，設計時(shí)應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。良好的規劃將減少除錯階段中的大量時(shí)間和工作反復，可節省整體設計時(shí)間和成本。

如今，最快的DSP的內部頻率速率高達數GHz，而發(fā)射和接收訊號的頻率高達數百 MHz。這些高速開(kāi)關(guān)訊號將會(huì )產(chǎn)生大量的噪音和干擾，將影響系統性能并產(chǎn)生電平很高的EMI。而DSP系統也變得更加復雜，如具有音視訊接口、LCD和無(wú)線(xiàn)通訊功能，以太網(wǎng)絡(luò )和USB控制器、電源、振蕩器、驅動(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。音視訊系統中特別容易產(chǎn)生這些問(wèn)題，因為噪音會(huì )引起微妙的性能衰減，但這幾乎不會(huì )顯露在離散的數據之中。

重點(diǎn)是要從設計開(kāi)始就著(zhù)手解決噪音和干擾問(wèn)題。許多設計第一次都沒(méi)有通過(guò)聯(lián)邦通訊委員會(huì )(FCC)的電磁兼容測試。如果在早期設計中，在低噪音和低干擾設計方法上花費一些時(shí)間，就會(huì )減少后續階段的重新設計成本和產(chǎn)品上市時(shí)間的延遲。因此，從設計一開(kāi)始，開(kāi)發(fā)工程師就應該著(zhù)眼于：
　　1. 選用在動(dòng)態(tài)負載條件下具有低開(kāi)關(guān)噪音的電源；
　　2. 將高速訊號線(xiàn)間的串擾降到最??；
　　3. 高頻和低頻退耦；
　　4. 具有最小傳輸線(xiàn)效應的優(yōu)良訊號完整性；

如果實(shí)現了這些目標，開(kāi)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

對于高速DSP而言，降低噪音是最重要的設計準則之一。來(lái)自任何噪聲源的過(guò)大噪音，都會(huì )導致隨機邏輯和鎖相環(huán)(PLL)失效，降低可靠性。還會(huì )導致影響FCC認證測試的輻射干擾。此外，除錯一個(gè)噪音很大的系統是極端困難的；因此，要消除噪音──若能徹底消除的話(huà)──將要求在電路板設計中花費大量心血。

在音視訊系統中，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(zhù)影響。例如，音訊擷取和播放系統中，性能將取決于所用音訊編譯碼的質(zhì)量、電源噪音、PCB布線(xiàn)質(zhì)量、相鄰電路間的串擾大小等。而且，采樣頻率的穩定度要求也非常高，以避免出現不希望的雜音，如在播放和擷取時(shí)的‘砰砰’聲和‘喀嚓’聲。

在視訊系統中，主要的挑戰是消除色彩失真、60Hz‘嗡嗡’聲以及音訊敲擊聲。這些對高質(zhì)量視訊的系統都是有害的，例如安全監控方面的應用。實(shí)際上，上述這些問(wèn)題通常都與視訊電路板的設計不良有關(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；音訊訊號耦合到高阻抗的視訊電路訊號在線(xiàn)。

這些典型的視訊問(wèn)題源包括：同步和畫(huà)素頻率的過(guò)沖和欠沖；影響色彩的編譯碼和畫(huà)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。

音視訊應用容易產(chǎn)生的噪音干擾問(wèn)題，對于所有要求具有很低誤碼率的通訊系統來(lái)說(shuō)也是常見(jiàn)的。在通訊系統中，輻射不僅僅產(chǎn)生EMI問(wèn)題，還會(huì )阻塞其它的通訊訊息信道，引起偽訊息信道檢測。采用適當的電路板設計、屏蔽技術(shù)以及RF和混合的模擬/數字訊號的隔離等技術(shù)，就可以解決這些挑戰。

在高速DSP系統中有許多潛在的開(kāi)關(guān)噪聲源，包括：訊號線(xiàn)間的串擾；傳輸線(xiàn)效應引起的反射；退耦電容不合適引起的電壓降低；高電感的電源線(xiàn)，振蕩器和鎖相環(huán)電路；開(kāi)關(guān)電源；線(xiàn)形調整器不穩定性所引起的大容性負載；磁盤(pán)驅動(dòng)器。

這些問(wèn)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線(xiàn)形成輻射天線(xiàn)所導致。如果輻射干擾足夠強的話(huà)，將會(huì )導致能夠摧毀其它系統的EMI問(wèn)題。

當高速DSP系統中的噪音無(wú)法根本消除時(shí)，則應該將其減到最小。電子零組件內部都有噪音，故仔細選擇組件特性，并選用適當的組件至關(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(xiàn)和回路退耦可協(xié)助控制系統噪音。一個(gè)優(yōu)秀的PCB布線(xiàn)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(xiàn)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(guò)也可以使相鄰的電路對噪音不感應或消除噪音的耦合通道。以下將討論幾種可解決由系統噪音和EMI引發(fā)之常見(jiàn)問(wèn)題的技術(shù)。

保持最短的電流回路

低速訊號電流沿阻抗最小，即最短的路徑返回源端。而高速訊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訊號線(xiàn)下方，如圖1所示。

圖１：高速訊號與低速訊號電流的比較。

因此，高速訊號設計目標之一就是為訊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(lái)實(shí)現。電源平面透過(guò)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(xiàn)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)鍵訊號最好布到靠近地平面一邊，而其余的則應靠近電源平面一側。