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高速視頻處理系統中的信號完整性分析
摘要：結合高速DSP圖像處理系統討論了高速數字電路中的信號完整性問題，分析了系統中信號反射、串擾、地彈等現象破壞信號完整性的原因，通過先進IS工具的輔助設計，找出了確保系統信號完整性的具體方法。關鍵詞：高速電路設計信號完整性DSP系統
深亞微米工藝在IC設計中的使用使得芯片的集成規模更大、體積越來越小、引腳數越來越多；由于近年來IC工藝的發展，使得其速度越來越高。從而，使得信號完整性問題引起電子設計者廣泛關注。
在視頻處理系統中，多維并行輸入輸出信號的頻率一般都在百兆赫茲以上，而且對時序的要求也非常嚴格。本文以DSP圖像處理系統為背景，對信號完整性進行準確的理論分析，對信號完整性涉及的典型問題[1]——不確定狀態、傳輸線效應、反射、串擾、地彈等進行深入研究，并且從實際系統入手，利用IS仿真軟件尋找有效的途徑，解決系統的信號完整性問題。
1系統簡介
為了提高算法效率，實時處理圖像信息，本圖像處理系統是基于DSP+FPGA結構設計的。系統由SAA7111A視頻解碼器、TI公司的TMS320C6701DSP、Altera公司的EPlK50QC208FPGA、PCI9054PCI接口控制器以及SBRAM、SDRAM、FIFO、FLASH等構成。FPGA是整個系統的時序控制中心和數據交換的橋梁，而且能夠對圖像數據實現快速底層處理。DSP是整個系統實時處理高級算法的核心器件。系統結構框圖如圖1所示。
在整個系統中，PCB電路板的面積僅為15cm×l5cm，系統時鐘頻率高達167MHz，時鐘沿時間為0．6ns。由于系統具有快斜率瞬變和極高的工作頻率以及很大的電路密度，使得如何處理高速信號問題成為一個制約設計成功的關鍵因素。
2系統中信號完整性問題及解決方案
2．1信號完整性問題產生機理
信號的完整性是指信號通過物理電路傳輸后，信號接收端看到的波形與信號發送端發送的波形在容許的誤差范圍內保持一致，并且空間鄰近的傳輸信號間的相互影響也在容許的范圍之內。因此，信號完整性分析的主要目標是保證高速數字信號可靠的傳輸。實際信號總是存在電壓的波動，如圖2所示。在A、B兩點由于過沖和振鈴[2]的存在使信號振幅落入陰影部分的不確定區，可能會導致錯誤的邏輯電平發生。總線信號傳輸的情況更加復雜，任何一個信號發生相位上的超前或滯后都可能使總線上數據出錯，如圖3所示。圖中，CLK為時鐘信號，D0、D1、D2、D3是數據總線上的信號，系統允許信號最大的建立時間[1]為△t。在正常情況下，D0、D1、D2、D3信號建立時間△t1<△t，在△t時刻之后數據總線的數據已穩定，系統可以從總線上采樣到正確的數據，如圖3(a)所示。相反，當信號D1、D2、D3受過沖和振鈴等信號完整問題干擾時，總線信號就發生了相位偏移和失真現象，使D0、D1、D2、D3信號建立時間△t2>△t，系統在△t時刻將從總線上得到錯誤數據信息，產生錯誤的控制信號，擾亂了正常工作，使信號完整性問題更加復雜，如圖3(b)所示。
2．2信號的反射
信號的反射就是指在傳輸線端點上有回波。當傳輸線上的阻抗不連續時，就會導致信號反射的發生。在這里，以圖4所示的理想傳輸線模型來分析與信號反射有關的重要參數。圖中，理想傳輸線L被內阻為Ro的數字信號驅動源Vs驅動，傳輸線的特性阻抗為Zo，負載阻抗為RL。在臨界阻抗情況下，Ro＝Zo=RL，傳輸線的阻抗是連續的，不會發生任何反射。在實際系統中由于臨界阻尼情況很難滿足，所以最可靠的適用方式是輕微的過阻尼，因為這種情況沒有能量反射回源端。
負載端阻抗與傳輸線阻抗不匹配會在負載端(B點)反射一部分信號回源端(A點)，反射電壓信號的幅值由負載反射系數幾決定，可由下式求出：
PL=(RL-Z0)/(RL+Z0)(1)
式中，PL稱為負載電壓反射系數，它實際上是反射電壓與入射電壓之比。由式(1)可知—1≤PL≤+1，當RL=Zo時，PL＝0，不會發生反射。可見，只要根據傳輸線的特性阻抗進行終端匹配，就能消除反射。從原理上說，反射波的幅度可以大到入射電壓的幅度，極性可正可
負。當RL<Zo時，PL<0，處于過阻尼狀態，反射波極性為負；當RL>Zo時，PL>0，處于欠阻尼狀態，反射波極性為正。當從負載端反射回的電壓到達源端時，又將再次反射回負載端，形成二次反射波，此時反射電壓的幅值由源反射系數PS決定，可由下式求出：
Ps=(R0-Zo)/(R0+Z0)(2)
在高速數字系統中，傳輸線的長度符合下式時應使用端接技術：
L>tr/(2tpdl)(3)
式中，L為傳輸線線長，tr為源端信號的上升時間，tpdL為傳輸線上每單位長度的帶載傳輸延遲。即當tr小于2TD(TD為傳輸延時)時，源端完整的電平轉移將發生在從傳輸線的接收端反射回源端的反射波到達源端之前，這需要使用端接匹配技術，否則會在傳輸線上引起振鈴。
結合圖1設計本系統時，采用MentorGraphics公司的信號完整性分析工具InterconnectSynthesis(IS)，信號驅動器和接收器均使用TTL_S工藝器件的IBIS模型進行電路仿真，選擇出正確的布線策略和端接方式。DSP與SBSRAM接口的時鐘高達167MHz，時鐘傳輸和延時極小，很容易在信號線出現反射現象。根據公式(2)，要消除源端的反射波必須在源端進行阻抗匹配，使反射系數PS為0。用interconnectSynthsis仿真測試可得此時鐘線的傳輸阻抗Zo=47Ω。因此，在DSP的SDCLK時鐘的輸出端應采用串聯匹配法[1][3]，串入47Ω的電阻進行源端匹配消除源端的信號反射現象。對于負載端的反射，根據公式(1)，要使PL＝0，必須保證負載阻抗RL＝Zo。因此，在SBSRAM的時鐘輸入端口應采用戴維南終端匹配法[1][3]，并聯兩個電阻R1和R2且R1＝R2=94Ω(R1//R2＝Zo)實現終端匹配，其端接前后InterconnectSynthesis仿真的波形如圖5所示。端接后信號線的反射噪聲明顯減小，滿足了系統對時鐘信號完整性的要求。
2．3信號的串擾
串擾是指當信號在傳輸線上傳播時，因電磁耦合對相鄰傳輸線產生不期望的電壓或電流噪聲干擾。隨著電子產品的小型化，PCB板線間距減小，串擾問題更加嚴重。
對于高速電路來說，一般都采用平板電源地層，兩導體間的串擾取決于它們的耦合電感和耦合電容[3]。在數字電路設計中，通常感性串擾要比容性串擾大，所以應重點考慮導線間的互感問題。兩導體間的感性串擾系數計算可以通過下式得出：
式中，常數k取決于信號的建立時間和信號線的干擾長度(平行長度)；H為信號線到平板地層的距離；D為兩干擾線的中心的距離。由(4)式可知，串擾大小與線間距(D)成反比，與線平行長度(K)成正比，與信號線距地層的距離(H)成正比。針對這些串擾的特性，結合圖1設計本系統時，主要用以下幾種方法減少串擾：(1)加大線的間距，盡可能減少DSP與SBSRAM、SDRAM以及FPGA之間高速信號線的平行長度，必要時采用jog方式走線；(2)高速信號線在滿足條件的情況下，加入端接匹配減少或消除反射，從而減小串擾；(3)將信號層的走線高度限制在高于地平面10mil左右，可以顯著減少串擾；(4)用InterconnectSynthsis進行仿真時，在串擾嚴重的兩條線之間插入一條地線，可以起到隔離作用，從而減少串擾。
2．4地彈噪聲
隨著數字設備的速度變快，它們的輸出開關時間越來越少。當大量的開關電路同時由邏輯高變為邏輯低時，由于地線通過電流的能力不夠，電流涌動就會引起地參考電壓發生波動，稱之為地彈。
在地彈現象的分析中，對驅動設備來說，外部設備都被看作容性負載即(Cl～Cn)。這些容性負載儲存的電荷量Q可由下式決定：
Q＝V×C
上式中，V是電容器兩端上的電壓，C是容性負載的電容。
一個設備外界和地線通路都有內在的電感L[2]。在大量數字邏輯輸出由高電壓變為低電壓的過程中，儲存在負載電容的電荷會涌向設備地，這個電流浪涌會通過電感L產生電壓VGND，其大小可用下式得出：
VGND=L×(di/dt)
由于系統地和設備地之間的電壓VGND的存在，對于各邏輯器件來說，其有效輸入電壓值為：VACTIVE＝VIN—VGND。如果地彈產生的電壓值VGND過大，就會導致各器件對輸入電壓判斷的錯誤，擾亂整個系統的正常工作。
結合圖1設計本系統時，由于FPGA控制邏輯部分存在大量快速開關輸出電路，當這些開關電路同時發生邏輯變化時，產生的開關電流會涌入地平面回路，破壞地平面的參考電壓，引入地彈噪聲。對于
地彈噪聲的干擾，通過下面幾種方法可減小地彈對電路的影響：(1)增加VCC／GND間的去耦電容個數，并盡可能使其與Vcc／GND對數相等；(2)降低器件的輸出容性負載，減少負載器件個數；用SN74LVTH62245驅動器實現FPGA同步輸出引腳與DSP數據線的隔離；用SN74LBI6244構成地址隔離，降低同步噪聲對DSP高速電路的干擾；(3)在電源輸入端跨接10～100μF的電解電容，在每個集成電路芯片都布置一個O．1μF的瓷片電容，濾掉電源和地的噪聲信號；(4)對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的SBSRAM、SDRAM存儲器件，在芯片的電源線和地線之間接入0．1μF的退耦電容。在采取地彈噪聲處理后利用頻譜分析儀測得系統的騷擾頻譜，可以發現頻譜已經變得很平坦，騷擾電平已降到系統容許的范圍以內，達到了系統對地參考電壓的要求。
在高速電路設計中，信號完整性問題是一個復雜的問題，往往有許多難以預料的因素影響整個系統的性能。因此信號完整性分析在高速電路設計中的作用舉足輕重，只有解決好高速設計中的信號完整性問題，高速系統才能準確、穩定地工作。
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