DSP系統中噪聲和電磁干擾EMI的影響以及控制方法

　　在任何高速數字電路設計中，處理噪聲和電磁干擾（EMI）都是一個必然的挑戰。處理音視頻和通信信號的數字信號處理（DSP）系統特別容易遭受這些干擾，設計時應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。良好的規劃將減少調試階段中的大量時間和工作的反復，從而會節省總的設計時間和成本。

　　如今，最快的DSP的內部時鐘速率高達數千兆赫，而發射和接收信號的頻率高達幾百兆赫。這些高速開關信號將會產生大量的噪聲和干擾，將影響系統性能并產生電平很高的EMI。而DSP系統也變得更加復雜，比如具有音視頻接口、LCD和無線通信功能，以太網和USB 控制器、電源、振蕩器、驅動控制以及其他各種電路，所有這些都將產生噪聲，也都會受到相鄰元器件的影響。音視頻系統中特別容易產生這些問題，因為噪聲會引起敏感的模擬性能的下降，而對于離散的數據來說卻不明顯。

　　至關重要的是從設計的一開始就著手解決噪聲和干擾問題。許多設計第一次都沒有通過聯邦通信委員會（FCC）的電磁兼容測試。如果在早期的設計中在低噪聲和低干擾設計方法上花費一些時間，就會減少后續階段的重新設計成本和產品的上市時間的延遲。因此，從設計的一開始，開發工程師就應該著眼于：

　　1. 選用在動態負載條件下具有低開關噪聲的電源；

　　2. 將高速信號線間的串擾降到最小；

　　3. 高頻和低頻退耦；

　　4. 具有最小傳輸線效應的優良的信號完整性；

　　如果實現了這些目標，開發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計準則之一。來自任何噪聲源的過大的噪聲，都會導致隨機邏輯和鎖相環（PLL）失效，從而降低可靠性。還會導致影響FCC認證測試的輻射干擾。此外，調試一個噪聲很大的系統是極端困難的；因此，要消除噪聲-如果能夠徹底消除的話-則要求在電路板設計中花費大量的功夫。

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

　　在視頻系統中，主要的挑戰是消除色彩失真，60Hz“嗡嗡”聲以及音頻敲擊聲。這些對高質量視頻的系統都是有害的，例如安全監控方面的應用。實際上，上述這些問題通常都與視頻電路板的設計不良有關。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。

　　音視頻應用容易產生的噪聲干擾問題，對于所有要求具有很低誤碼率的通信系統來說也是常見的。在通信系統中，輻射不僅僅產生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。采用適當的電路板設計技術、屏蔽技術以及RF和混合的模擬/數字信號的隔離等技術，就可以解決這些挑戰。

　　在高速DSP系統中有許多潛在的開關噪聲源，包括：信號線間的串擾；傳輸線效應引起的反射；退耦電容不合適所引起的電壓降低；高電感的電源線，振蕩器和鎖相環電路；開關電源；線形調整器不穩定性所引起的大容性負載；磁盤驅動器。

　　這些問題由電耦合和磁耦合共同產生。電耦合的產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致。如果輻射干擾足夠強的話，將會導致能夠摧毀其他系統的EMI問題。

　　當高速DSP系統中的噪聲無法根本消除時，則應該將其減到最小。電子元器件內部都有噪聲，故仔細地選擇器件特性，并選用適當的器件是至關重要的。除了器件的正確選擇外，還有兩種通用的技術，即PCB布線和回路退耦可以幫助控制系統噪聲。一個優秀的PCB布線將降低噪聲通道產生的可能性。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。

　　現在我們討論幾種可以解決由系統噪聲和EMI引起的許多常見問題的技術。

　　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。

DSP系統中噪聲和電磁干擾EMI的影響以及控制方法