資料介紹
在任何高速數(shù)字電路設(shè)計中,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的數(shù)字訊號處理(DSP)系統(tǒng)特別容易遭受這些干擾,設(shè)計時應(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)劃將減少除錯階段中的大量時間和工作反復(fù),可節(jié)省整體設(shè)計時間和成本。
如今,最快的DSP的內(nèi)部頻率速率高達(dá)數(shù)GHz,而發(fā)射和接收訊號的頻率高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz。這些高速開關(guān)訊號將會產(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)動控制以及其它各種電路,它們都將產(chǎn)生噪音,也都會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,因為噪音會引起微妙的性能衰減,但這幾乎不會顯露在離散的數(shù)據(jù)之中。
重點(diǎn)是要從設(shè)計開始就著手解決噪音和干擾問題。許多設(shè)計第一次都沒有通過聯(lián)邦通訊委員會(FCC)的電磁兼容測試。如果在早期設(shè)計中,在低噪音和低干擾設(shè)計方法上花費(fèi)一些時間,就會減少后續(xù)階段的重新設(shè)計成本和產(chǎn)品上市時間的延遲。因此,從設(shè)計一開始,開發(fā)工程師就應(yīng)該著眼于:
1. 選用在動態(tài)負(fù)載條件下具有低開關(guān)噪音的電源;
2. 將高速訊號線間的串?dāng)_降到最??;
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
對于高速DSP而言,降低噪音是最重要的設(shè)計準(zhǔn)則之一。來自任何噪聲源的過大噪音,都會導(dǎo)致隨機(jī)邏輯和鎖相環(huán)(PLL)失效,降低可靠性。還會導(dǎo)致影響FCC認(rèn)證測試的輻射干擾。此外,除錯一個噪音很大的系統(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,也會對最終產(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。
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;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、屏蔽技術(shù)以及RF和混合的模擬/數(shù)字訊號的隔離等技術(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形成輻射天線所導(dǎo)致。如果輻射干擾足夠強(qiáng)的話,將會導(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,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)。
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