高速视频处理系统中的信号完整性分析
2008-08-04
作者：王 勇 李德华 薛 雷 钱
摘 要： 结合高速DSP图像处理系统讨论了高速数字电路中的信号完整性" title="信号完整性">信号完整性问题，分析了系统中信号反射、串扰" title="串扰">串扰、地弹" title="地弹">地弹等现象破坏信号完整性的原因，通过先进IS工具的辅助设计，找出了确保系统信号完整性的具体方法。
关键词：高速电路设计 信号完整性 DSP系统
深亚微米工艺在IC设计中的使用使得芯片的集成规模更大、体积越来越小、引脚数越来越多；由于近年来IC工艺的发展，使得其速度越来越高。从而，使得信号完整性问题引起电子设计者广泛关注。
在视频处理系统中，多维并行输入输出信号的频率一般都在百兆赫兹以上，而且对时序的要求也非常严格。本文以DSP图像处理系统为背景，对信号完整性进行准确的理论分析，对信号完整性涉及的典型问题[1]——不确定状态、传输线效应、反射、串扰、地弹等进行深入研究，并且从实际系统入手，利用IS仿真软件寻找有效的途径，解决系统的信号完整性问题。
1 系统简介
为了提高算法效率，实时处理图像信息，本图像处理系统是基于DSP+FPGA结构设计的。系统由SAA7111A视频解码器、TI公司的TMS320C6701 DSP、Altera公司的EP1K50QC208 FPGA、PCI9054 PCI接口控制器以及SBRAM、SDRAM、FIFO、FLASH等构成。FPGA是整个系统的时序控制中心和数据交换的桥梁，而且能够对图像数据实现快速底层处理。DSP是整个系统实时处理高级算法的核心器件。系统结构框图如图1所示。
在整个系统中，PCB电路板的面积仅为15cm×15cm,系统时钟频率高达167MHz，时钟沿时间为0.6ns。由于系统具有快斜率瞬变和极高的工作频率以及很大的电路密度，使得如何处理高速信号问题成为一个制约设计成功的关键因素。
2 系统中信号完整性问题及解决方案
2.1信号完整性问题产生机理
信号的完整性是指信号通过物理电路传输后，信号接收端看到的波形与信号发送端发送的波形在容许的误差范围内保持一致，并且空间邻近的传输信号间的相互影响也在容许的范围之内。因此，信号完整性分析的主要目标是保证高速数字信号可靠的传输。实际信号总是存在电压的波动，如图2所示。在A、B两点由于过冲和振铃[2]的存在使信号振幅落入阴影部分的不确定区，可能会导致错误的逻辑电平发生。总线信号传输的情况更加复杂，任何一个信号发生相位上的超前或滞后都可能使总线上数据出错，如图3所示。图中，CLK为时钟信号，D0、D1、D2、D3是数据总线上的信号，系统允许信号最大的建立时间" title="建立时间">建立时间[1]为Δt。在正常情况下，D0、D1、D2、D3信号建立时间Δt1＜Δt，在Δt时刻之后数据总线的数据已稳定，系统可以从总线上采样到正确的数据,如图3(a)所示。相反，当信号D1、D2、D3受过冲和振铃等信号完整问题干扰时，总线信号就发生了相位偏移和失真现象，使D0、D1、D2、D3信号建立时间Δt2＞Δt，系统在?驻t时刻将从总线上得到错误数据信息，产生错误的控制信号，扰乱了正常工作，使信号完整性问题更加复杂，如图3(b)所示。
2.2 信号的反射
信号的反射就是指在传输线端点上有回波。当传输线上的阻抗不连续时，就会导致信号反射的发生。在这里，以图4所示的理想传输线模型来分析与信号反射有关的重要参数。图中，理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源VS驱动，传输线的特性阻抗为Z0，负载阻抗为RL。在临界阻抗情况下，R0＝Z0＝RL，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射。在实际系统中由于临界阻尼情况很难满足，所以最可靠的适用方式是轻微的过阻尼，因为这种情况没有能量反射回源端。
负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端（B点）反射一部分信号回源端（A点），反射电压信号的幅值由负载反射系数PL决定，可由下式求出：
式中，PL称为负载电压反射系数，它实际上是反射电压与入射电压之比。由式（1）可知-1≤PL≤+1，当RL＝Z0时，PL＝0，不会发生反射。可见，只要根据传输线的特性阻抗进行终端匹配，就能消除反射。从原理上说，反射波的幅度可以大到入射电压的幅度，极性可正可负。当RL
在高速数字系统中，传输线的长度符合下式时应使用端接技术[3]：
式中，L为传输线线长，tr为源端信号的上升时间，tpdL为传输线上每单位长度的带载传输延迟。即当tr小于2TD (TD为传输延时)时，源端完整的电平转移将发生在从传输线的接收端反射回源端的反射波到达源端之前，这需要使用端接匹配技术，否则会在传输线上引起振铃。
结合图1设计本系统时，采用MentorGraphics公司的信号完整性分析工具InterconnectSynthesis（IS），信号驱动器和接收器均使用TTL_S工艺器件的IBIS模型进行电路仿真，选择出正确的布线策略和端接方式。DSP与SBSRAM接口的时钟高达167MHz，时钟传输和延时极小，很容易在信号线出现反射现象。根据公式（2）,要消除源端的反射波必须在源端进行阻抗匹配，使反射系数PS为0。用interconnectSynthsis仿真测试可得此时钟线的传输阻抗Z0＝47Ω。因此，在DSP的SDCLK时钟的输出端应采用串联匹配法[1][3]，串入47Ω的电阻进行源端匹配消除源端的信号反射现象。对于负载端的反射，根据公式（1）,要使PL=0，必须保证负载阻抗RL=Z0。因此，在SBSRAM的时钟输入端口应采用戴维南终端匹配法[1][3]，并联两个电阻R1和R2且R1=R2=94Ω(R1//R2=Z0)实现终端匹配，其端接前后InterconnectSynthesis仿真的波形如图5所示。端接后信号线的反射噪声明显减小，满足了系统对时钟信号完整性的要求。
2.3 信号的串扰
串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻传输线产生不期望的电压或电流噪声干扰。随着电子产品的小型化，PCB 板线间距减小，串扰问题更加严重。
对于高速电路来说，一般都采用平板电源地层,两导体间的串扰取决于它们的耦合电感和耦合电容[3]。在数字电路设计中，通常感性串扰要比容性串扰大，所以应重点考虑导线间的互感问题。两导体间的感性串扰系数计算可以通过下式得出：
式中，常数k取决于信号的建立时间和信号线的干扰长度（平行长度）；H为信号线到平板地层的距离；D为两干扰线的中心的距离。由（4）式可知，串扰大小与线间距（D）成反比，与线平行长度（k）成正比，与信号线距地层的距离（H）成正比。针对这些串扰的特性，结合图1设计本系统时,主要用以下几种方法减少串扰:（1）加大线的间距，尽可能减少DSP与SBSRAM、SDRAM以及FPGA之间高速信号线的平行长度，必要时采用jog方式走线;(2）高速信号线在满足条件的情况下，加入端接匹配减少或消除反射，从而减小串扰；(3)将信号层的走线高度限制在高于地平面10mil左右，可以显著减少串扰；(4）用InterconnectSynthsis进行仿真时，在串扰严重的两条线之间插入一条地线，可以起到隔离作用，从而减少串扰。
2.4 地弹噪声
随着数字设备的速度变快，它们的输出开关时间越来越少。当大量的开关电路同时由逻辑高变为逻辑低时,由于地线通过电流的能力不够,电流涌动就会引起地参考电压发生波动, 称之为地弹。
在地弹现象的分析中，对驱动设备来说，外部设备都被看作容性负载即（C1～Cn）。这些容性负载储存的电荷量Q可由下式决定：
Q=V×C
上式中，V是电容器两端上的电压，C是容性负载的电容。
一个设备外界和地线通路都有内在的电感L[2]。在大量数字逻辑输出由高电压变为低电压的过程中，储存在负载电容的电荷会涌向设备地，这个电流浪涌会通过电感L产生电压VGND，其大小可用下式得出：
VGND=L×(di/dt)
由于系统地和设备地之间的电压VGND的存在，对于各逻辑器件来说，其有效输入电压值为：VACTIVE=VIN－ VGND。如果地弹产生的电压值VGND过大，就会导致各器件对输入电压判断的错误，扰乱整个系统的正常工作。
结合图1设计本系统时，由于FPGA控制逻辑部分存在大量快速开关输出电路，当这些开关电路同时发生逻辑变化时，产生的开关电流会涌入地平面回路，破坏地平面的参考电压，引入地弹噪声" title="地弹噪声">地弹噪声。对于地弹噪声的干扰,通过下面几种方法可减小地弹对电路的影响:（1）增加 VCC∕GND间的去耦电容个数,并尽可能使其与VCC∕GND对数相等;（2）降低器件的输出容性负载,减少负载器件个数；用SN74LVTH62245驱动器实现FPGA同步输出引脚与DSP数据线的隔离；用SN74LBI6244构成地址隔离，降低同步噪声对DSP高速电路的干扰；（3）在电源输入端跨接10～100μF的电解电容，在每个集成电路芯片都布置一个0.1μF的瓷片电容，滤掉电源和地的噪声信号；（4)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的SBSRAM、SDRAM存储器件，在芯片的电源线和地线之间接入0.1μF的退耦电容。在采取地弹噪声处理后利用频谱分析仪测得系统的骚扰频谱，可以发现频谱已经变得很平坦，骚扰电平已降到系统容许的范围以内，达到了系统对地参考电压的要求。
在高速电路设计中，信号完整性问题是一个复杂的问题，往往有许多难以预料的因素影响整个系统的性能。因此信号完整性分析在高速电路设计中的作用举足轻重，只有解决好高速设计中的信号完整性问题，高速系统才能准确、稳定地工作。
参考文献
1 Howard W.Johnson，Martin Graham.High-speed Digital Design a Handbook of Black Magic[M].Prentice Hall, 1993
2 Stephen H.Hall , Garrett W.Hall, Jame A.McCall. HighSpeed Digital System Design －A Handbook Of Interconnect Theory and Design Practices[M].John Wley &Sons.Inc,2000
3 谢金明. 高速数字电路板设计与噪声控制技术[M].北京：电子工业出版社，2003