深度解析在DSP系统中出现噪声和EMI问题

在任何高速数字电路设计中，处理噪声和电磁干扰（EMI）都是一个必然的挑战。处理音视频和通信信号的数字信号处理（DSP）系统特别容易遭受这些干扰，设计时应该及早搞清楚潜在的噪声和干扰源，并及早采取措施将这些干扰降到最小。良好的规划将减少调试阶段中的大量时间和工作的反复，从而会节省总的设计时间和成本。
　　如今，最快的DSP的内部时钟速率高达数千兆赫，而发射和接收信号的频率高达几百兆赫。这些高速开关信号将会产生大量的噪声和干扰，将影响系统性能并产生电平很高的EMI。而DSP系统也变得更加复杂，比如具有音视频接口、LCD和无线通信功能，以太网和USB控制器、电源、振荡器、驱动控制以及其他各种电路，所有这些都将产生噪声，也都会受到相邻元器件的影响。音视频系统中特别容易产生这些问题，因为噪声会引起敏感的模拟性能的下降，而对于离散的数据来说却不明显。
　　至关重要的是从设计的一开始就着手解决噪声和干扰问题。许多设计第一次都没有通过联邦通信委员会（FCC）的电磁兼容测试。如果在早期的设计中在低噪声和低干扰设计方法上花费一些时间，就会减少后续阶段的重新设计成本和产品的上市时间的延迟。因此，从设计的一开始，开发工程师就应该着眼于：
　　1. 选用在动态负载条件下具有低开关噪声的电源；
　　2. 将高速信号线间的串扰降到最小；
　　3. 高频和低频退耦；
　　4. 具有最小传输线效应的优良的信号完整性；
　　如果实现了这些目标，开发工程师就能有效避免噪声和EMI方面的缺陷。
　　噪声的影响及控制
　　对于高速DSP而言，降低噪声是最重要的设计准则之一。来自任何噪声源的过大的噪声，都会导致随机逻辑和锁相环（PLL）失效，从而降低可靠性。还会导致影响FCC认证测试的辐射干扰。此外，调试一个噪声很大的系统是极端困难的；因此，要消除噪声-如果能够彻底消除的话-则要求在电路板设计中花费大量的功夫。
　　在音视频系统中，即便是比较小的干扰，也会对最终产品的性能产生显著的影响。例如，音频捕获和回放系统中，性能将取决于所用的音频编解码的质量，电源的噪声，PCB布线质量，以及相邻电路间的串扰大小等。而且，采样时钟的稳定度也要求非常高，以避免出现不希望的杂音，如在回放和捕获过程中的“砰砰”声和“咔嚓”声。
　　在视频系统中，主要的挑战是消除色彩失真，60Hz“嗡嗡”声以及音频敲击声。这些对高质量视频的系统都是有害的，例如安全监控方面的应用。实际上，上述这些问题通常都与视频电路板的设计不良有关。具体包括：电源噪声传到视频的DAC输出上；音频回放引起电源的瞬变；音频信号耦合到了高阻抗的视频电路的信号线上。
　　这些典型的视频问题源包括：同步和像素时钟的过冲和欠冲；影响色彩的编解码和像素时钟的抖动；缺少端接电阻的图像失真；音视频隔离较差引起的闪烁。
　　音视频应用容易产生的噪声干扰问题，对于所有要求具有很低误码率的通信系统来说也是常见的。在通信系统中，辐射不仅仅产生EMI问题，还会阻塞其他的通信信道，从而引起虚假的信道检测。采用适当的电路板设计技术、屏蔽技术以及RF和混合的模拟/数字信号的隔离等技术，就可以解决这些挑战。
　　在高速DSP系统中有许多潜在的开关噪声源，包括：信号线间的串扰；传输线效应引起的反射；退耦电容不合适所引起的电压降低；高电感的电源线，振荡器和锁相环电路；开关电源；线形调整器不稳定性所引起的大容性负载；磁盘驱动器。
　　这些问题由电耦合和磁耦合共同产生。电耦合的产生是由于相邻信号和电路的寄生电容和互感所引起，而磁耦合的形成是由于相邻的信号线形成辐射天线所导致。如果辐射干扰足够强的话，将会导致能够摧毁其他系统的EMI问题。
　　当高速DSP系统中的噪声无法根本消除时，则应该将其减到最小。电子元器件内部都有噪声，故仔细地选择器件特性，并选用适当的器件是至关重要的。除了器件的正确选择外，还有两种通用的技术，即PCB布线和回路退耦可以帮助控制系统噪声。一个优秀的PCB布线将降低噪声通道产生的可能性。另外，还减小了能够传播到印制线和电流回路上的辐射，退耦避免相邻电路产生的噪声影响。最好的方法是从源头上滤除噪声，不过也可以使相邻的电路对噪声不敏感或者消除噪声的耦合通道。
　　现在我们讨论几种可以解决由系统噪声和EMI引起的许多常见问题的技术。
　　保持电流回路最短
　　低速信号电流沿阻抗最小，即最短的路径返回源端。而高速信号则是沿电感最小的路径返回：这样的最小的回路面积位于信号线的下面，如图1所示。
　　
　　图１：高速信号与低速信号电流的比较。
　　因此，高速信号设计的目标之一就是为信号电流提供最小的电感回路。这可以利用电源平面和地平面来实现。电源平面通过形成自然的高频退耦电容将寄生电感降到最小。而地平面形成一个屏蔽面，即众所周知的镜像平面，能够提供最短的电流回路。
　　一种有效的PCB布线方法就是将电源平面和地平面靠在一起。这样形成了高平板电容和低阻抗，有利于降低噪声和辐射。为了屏蔽，最好的选择是：关键信号最好布到靠近地平面一边，而其余的则应靠近电源平面一侧。
　　在高速视频系统中，保持回路短的目的意味着视频地不能被隔离。而必须被隔离的音频地，绝不能在数据输入点处短接到数字地上，如图2所示。
　　
　　图2：音频地隔离。