DSP系统中噪声和EMI问题的解决方案
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2020-10-24
22:16:30
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DSP系统中噪声和系统中噪声和EMI问题的解决方案问题的解决方案
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。
在任何高速数字电路设计中，处理
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 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 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。
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