在任何高速數(shù)字電路設(shè)計中，處理噪聲" title="噪聲">噪聲和電磁干擾（EMI）都是一個必然的挑戰(zhàn),。處理音視頻和通信信號的數(shù)字信號處理（DSP" title="DSP">DSP）系統(tǒng)特別容易遭受這些干擾，設(shè)計時應(yīng)該及早搞清楚潛在的噪聲和干擾源,，并及早采取措施將這些干擾降到最小,。良好的規(guī)劃將減少調(diào)試階段中的大量時間和工作的反復(fù)，從而會節(jié)省總的設(shè)計時間和成本,。

　　如今,，最快的DSP的內(nèi)部時鐘速率高達(dá)數(shù)千兆赫，而發(fā)射和接收信號的頻率高達(dá)幾百兆赫,。這些高速開關(guān)信號將會產(chǎn)生大量的噪聲和干擾,，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,，比如具有音視頻接口,、LCD和無線通信功能，以太網(wǎng)和USB控制器,、電源,、振蕩器、驅(qū)動控制以及其他各種電路,，所有這些都將產(chǎn)生噪聲,，也都會受到相鄰元器件的影響。音視頻系統(tǒng)中特別容易產(chǎn)生這些問題,，因為噪聲會引起敏感的模擬性能的下降,，而對于離散的數(shù)據(jù)來說卻不明顯,。

　　至關(guān)重要的是從設(shè)計的一開始就著手解決噪聲和干擾問題。許多設(shè)計第一次都沒有通過聯(lián)邦通信委員會（FCC）的電磁兼容測試,。如果在早期的設(shè)計中在低噪聲和低干擾設(shè)計方法上花費一些時間,，就會減少后續(xù)階段的重新設(shè)計成本和產(chǎn)品的上市時間的延遲。因此,，從設(shè)計的一開始,，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)噪聲的電源；

　　2. 將高速信號線間的串?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)良的信號完整性,；

　　如果實現(xiàn)了這些目標(biāo),，開發(fā)工程師就能有效避免噪聲和EMI方面的缺陷。

　　噪聲的影響及控制

　　對于高速DSP而言,，降低噪聲是最重要的設(shè)計準(zhǔn)則之一,。來自任何噪聲源的過大的噪聲，都會導(dǎo)致隨機邏輯和鎖相環(huán)（PLL）失效,，從而降低可靠性,。還會導(dǎo)致影響FCC認(rèn)證測試的輻射干擾。此外,，調(diào)試一個噪聲很大的系統(tǒng)是極端困難的,；因此，要消除噪聲-如果能夠徹底消除的話-則要求在電路板設(shè)計中花費大量的功夫,。

　　在音視頻系統(tǒng)中,，即便是比較小的干擾，也會對最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生顯著的影響,。例如,，音頻捕獲和回放系統(tǒng)中，性能將取決于所用的音頻編解碼的質(zhì)量,，電源的噪聲,，PCB布線質(zhì)量，以及相鄰電路間的串?dāng)_大小等,。而且,，采樣時鐘的穩(wěn)定度也要求非常高，以避免出現(xiàn)不希望的雜音,，如在回放和捕獲過程中的“砰砰”聲和“咔嚓”聲。

　　在視頻系統(tǒng)中,，主要的挑戰(zhàn)是消除色彩失真,，60Hz“嗡嗡”聲以及音頻敲擊聲,。這些對高質(zhì)量視頻的系統(tǒng)都是有害的，例如安全監(jiān)控方面的應(yīng)用,。實際上,，上述這些問題通常都與視頻電路板的設(shè)計不良有關(guān)。具體包括：電源噪聲傳到視頻的DAC輸出上,；音頻回放引起電源的瞬變,；音頻信號耦合到了高阻抗的視頻電路的信號線上。

　　這些典型的視頻問題源包括：同步和像素時鐘的過沖和欠沖,；影響色彩的編解碼和像素時鐘的抖動,；缺少端接電阻的圖像失真；音視頻隔離較差引起的閃爍,。

　　音視頻應(yīng)用容易產(chǎn)生的噪聲干擾問題,，對于所有要求具有很低誤碼率的通信系統(tǒng)來說也是常見的。在通信系統(tǒng)中,，輻射不僅僅產(chǎn)生EMI問題,，還會阻塞其他的通信信道，從而引起虛假的信道檢測,。采用適當(dāng)?shù)碾娐钒逶O(shè)計技術(shù),、屏蔽技術(shù)以及RF和混合的模擬/數(shù)字信號的隔離等技術(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：信號線間的串?dāng)_；傳輸線效應(yīng)引起的反射,；退耦電容不合適所引起的電壓降低,；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)生是由于相鄰信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信號線形成輻射天線所導(dǎo)致,。如果輻射干擾足夠強的話,，將會導(dǎo)致能夠摧毀其他系統(tǒng)的EMI問題。

　　當(dāng)高速DSP系統(tǒng)中的噪聲無法根本消除時,，則應(yīng)該將其減到最小,。電子元器件內(nèi)部都有噪聲，故仔細(xì)地選擇器件特性，并選用適當(dāng)?shù)钠骷侵陵P(guān)重要的,。除了器件的正確選擇外,，還有兩種通用的技術(shù)，即PCB布線和回路退耦可以幫助控制系統(tǒng)噪聲,。一個優(yōu)秀的PCB布線將降低噪聲通道產(chǎn)生的可能性,。另外，還減小了能夠傳播到印制線和電流回路上的輻射,，退耦避免相鄰電路產(chǎn)生的噪聲影響,。最好的方法是從源頭上濾除噪聲，不過也可以使相鄰的電路對噪聲不敏感或者消除噪聲的耦合通道,。

　　現(xiàn)在我們討論幾種可以解決由系統(tǒng)噪聲和EMI引起的許多常見問題的技術(shù),。

　　保持電流回路最短

　　低速信號電流沿阻抗最小，即最短的路徑返回源端,。而高速信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信號線的下面,，如圖1所示。

　　圖１：高速信號與低速信號電流的比較,。

　　因此,，高速信號設(shè)計的目標(biāo)之一就是為信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實現(xiàn),。電源平面通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。這樣形成了高平板電容和低阻抗,，有利于降低噪聲和輻射,。為了屏蔽，最好的選擇是：關(guān)鍵信號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),。

　　在高速視頻系統(tǒng)中，保持回路短的目的意味著視頻地不能被隔離,。而必須被隔離的音頻地,，絕不能在數(shù)據(jù)輸入點處短接到數(shù)字地上，如圖2所示,。

　　圖2：音頻地隔離,。

　　電源隔離和鎖相環(huán)

　　如何實現(xiàn)最佳供電是控制噪聲和輻射的最大挑戰(zhàn)。動態(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,；由總線競用和電容器充電所引起的很大的瞬態(tài)電流,；由于退耦和布線不合理引起較大的電壓下降；振蕩器使線性調(diào)節(jié)器輸出過載,。

　　圖3給出了一個設(shè)計電流回路的實例,，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，動態(tài)電流回路將較大,，這將加大電源電壓的降幅,，從而產(chǎn)生電磁輻射。

　　圖3：電源退耦,。

　　為PLL供電時,，電源隔離是非常重要的，因為PLL對噪聲非常敏感,，并且對于穩(wěn)定系統(tǒng)來說,，要求抖動非常低。你還需要選擇模擬的還是數(shù)字的PLL,，模擬PLL對噪聲的敏感度比數(shù)字PLL要低,。

　　圖4：PLL電源隔離。

　　如圖4所示的具有低截至頻率的∏型濾波器經(jīng)常被用來將PLL與系統(tǒng)中的其他高速電路隔離開,。一個較好的辦法是利用一個低壓差（LDO）電壓調(diào)整器來獨立產(chǎn)生PLL的電源電壓,，如圖5所示。該方法雖增加了成本,，但確保了低噪聲和優(yōu)異的PLL性能,。

　　圖5：利用LDO實現(xiàn)PLL電源的隔離。

　　串?dāng)_及傳輸線效應(yīng)

　　信號間的干擾,，即串?dāng)_,，可以通過電磁輻射在印制線間傳播。這也可能由電源和地平面上的無用信號以電氣的形式產(chǎn)生,。串?dāng)_與印制線間距的平方成反比,。因此，為了將串?dāng)_減到最小,，單端信號的布線間距應(yīng)至少是印制線寬度的2倍,。對于像以太網(wǎng)和USB這類的差分信號，印制線間距需要與印制線寬度相同,，目的是能夠與差分阻抗相匹配,。關(guān)鍵信號可以用地和電源平面進(jìn)行屏蔽，或者在改板時增加與信號并行的地線,。

　　有些信號還產(chǎn)生引起串?dāng)_的高頻諧波,。由于輻射的能量正比于信號的上升和下降時間，較慢的上升或下降時間引起的干擾將較小。圖6顯示出視頻干擾的實例,，這些干擾可能由內(nèi)部時鐘的輻射所引起,。在北美地區(qū)第二頻道中，18.432MHz的音頻時鐘的三次諧波,，將產(chǎn)生如圖中左側(cè)所示的干擾,。通過在音頻時鐘印制線上增加一個串聯(lián)電阻來放慢時鐘的上升和下降時間，減小了干擾,，其結(jié)果如圖6中的右側(cè)所示,。不過，設(shè)計師需要了解定時裕度,，以便于將上升和下降沿降低到系統(tǒng)所允許的限度內(nèi),。

　　圖6：解決音視頻串?dāng)_。

　　與串?dāng)_相關(guān)的是傳輸線效應(yīng),，這種效應(yīng)在高速印制線變成產(chǎn)生輻射干擾的發(fā)射器時產(chǎn)生,。通常，當(dāng)信號的上升時間小于傳播延遲的2倍時,，印制線才發(fā)射信號,。這就暗示出了一個經(jīng)驗，即為了減小傳播延遲,，印制線的長度應(yīng)盡可能短,。另一個是合理的信號端接將減慢信號的上升時間，從而將反射引起的過沖和欠沖減到最小,。圖7顯示了如何利用并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)計師可能會質(zhì)疑,，既然芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了電阻,，在外部端接負(fù)載電阻是否還有其重要性。實際上,，除了控制傳輸線效應(yīng)外,，外部電阻還可以實現(xiàn)信號完整性的精密調(diào)整。DSP無法與電路板阻抗完全匹配,，因此端接負(fù)載可以減小源電流,，以及上升和下降時間。

　　與外部端接負(fù)載電阻一樣,，外部的上拉和下拉電阻也是重要的,。對于無連接的引腳來說，雖然內(nèi)部的上拉和下拉電阻是足夠的,，但高速開關(guān)噪聲能夠傳過來,，并會誤觸發(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信號印制線,，或者電纜的共模輻射，另一種是其信號和回路構(gòu)成一個大電流環(huán)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，直到其飽和點,。這兩種模式的輻射如圖8和9所示,。

　　圖8：共模輻射。

　　圖9：差模輻射,。

　　如何處理EMI取決于輻射源。對于共模輻射,，當(dāng)EMI來自外部電纜時（例如圖8所示的情況）,，可以在電纜上加一個扼流圈。如果導(dǎo)致EMI的是內(nèi)部傳輸線,，則通常用端接負(fù)載的方式,，不過在信號印制線間加入一條地線也有助于減小輻射。另一種可能的方案是將信號的印制線長度減短至小于信號波長（或信號頻率的倒數(shù)）的1/20,。例如,，為了避免傳輸輻射，500MHz的印制線應(yīng)該短于1.18英寸,。

　　對于差分模式輻射,，所輻射的能量是電流、環(huán)路面積和頻率的函數(shù),。減小輻射的方法包括：端接負(fù)載來降低源電流,，用合適的電流通道來提供可以減小回路面積的回路，或者降低頻率,。

　　在計算退耦電阻時,，還應(yīng)考慮動態(tài)電流。高速電流可能隨時變化,，這種瞬變也會引起輻射,。此外，改變電容器的值時要防止自諧振限制頻率范圍,。PCB分層是一個好方案,，因為電源層對高頻形成自然的退耦，而地層則提供最短的回路,。把高速信號隔離起來,，并使其遠(yuǎn)離其他信號,。如果可能的話，不要把地層隔開,。盡管噪聲和輻射是由系統(tǒng)設(shè)計中的復(fù)雜的無用功能引起的,，但通過上述的一些簡單方法還是可以控制的。

　　本文小結(jié)

　　高速的DSP視頻系統(tǒng)中有許多潛在的噪聲和輻射源,，它們可以擾亂系統(tǒng)的工作,，或者使設(shè)計通不過FCC的認(rèn)證。所幸的是,，對噪聲和輻射的規(guī)劃和掌握可以幫助系統(tǒng)設(shè)計師將這些問題減到最小,。早期的努力將節(jié)省大量的調(diào)試工作和后期的麻煩。PCB布局和回路退耦是設(shè)計師可以限制系統(tǒng)噪聲和EMI的兩種常用技術(shù),。具備了這些技術(shù),，DSP視頻設(shè)計師就能有效地解決系統(tǒng)的噪聲和輻射。