高速數位介面解決EMI挑戰

目前高速數位介面使用的資料傳輸速率超過許多行動通訊設備(如智慧型手機和平板電腦)的作業頻率。針對介面進行精心設計，以便能有效管理介面產生的本地電磁輻射，避免介面訊號受到其他本地射頻的干擾。本文探討管理高速數位介面EMI的一些重要技術，以及如何有助於解決EMI的問題。

針對要求體積小、功耗低、重量輕的行動設備，小尺寸且低成本的高速串列(HSS)介面特別可貴。當行動設備必須與遠端網路通訊時，可能會發生電磁干擾(EMI)，因為現代HSS介面使用的資料速率往往高於行動設備所使用的無線通訊頻率。

為了實現成功的行動通訊產品，產品內所有的元件必須要各司其職、和平共處。這不僅表示任何非預期產生的射頻訊號必須不干擾任何有意發射的射頻訊號，還意味著任何有意的射頻訊號必須不干擾其它任何電路的作業。這就是所謂的相互透明原則：任何電路的作業都是透明的──這意味著不干擾到其它電路的作業。重要的是規格制訂機構必須要特別注意從介面到射頻以及從射頻到介面所產生的EMI，因為無論介面如何‘獨善其身’，只要它易受干擾或本身發射干擾，整個產品就無法正常作業。MIPI聯盟已經開發出兩種非常關注相互透明度的規格了。

電磁科學告訴我們(根據Maxwell等式)：當電子移動時會產生射頻訊號。在進行設計時，可以採用七種主要的技術來管理EMI：隔離、訊號振幅、偏移範圍、資料速率、訊號均衡、壓擺率控制以及波形成形。這些技術各有不同功用，以下將逐一討論。

隔離

實體隔離可能是最顯而易見的技術。對於射頻訊號來說，如果我們能為其進行‘遮罩’，那麼就不會干擾到其他訊號。雖然隔離永遠不會盡善盡美，而且以蜂巢式或無線區域網路(WLAN)頻率來看，實際的隔離值大約在20~40dB之間。達到這種程度的隔離對於解決EMI問題通常必不可少。因此，仔細測量IC封裝與PCB佈局提供的隔離至關重要。

圖1：目前表面裝貼RF封裝可能採用的一種隔離罩。

訊號振幅

降低介面訊號振幅就能降低EMI，但效果不大。若訊號振幅降低一半，EMI僅降低6dB。這可能足以擺脫一個封閉的問題，但該方法也同時降低了接收器餘裕，並可能導致介面錯誤。因此，最好是用來作為解決EMI問題的最後手段。

漂移與平衡

漂移是差分訊號兩個分量之間的時間偏移。平衡是差分訊號兩個分量間的振幅匹配。這兩個參數基本由介面驅動器電路決定，且最好將其一起進行分析。如圖2所示，當訊號平衡在10%以內，與漂移造成的EMI影響相較，訊號平衡的實際值顯得沒那麼重要了。這意味著，從EMI的角度來看，在設計介面驅動電路時，儘量減少漂移遠比致力於振幅平衡更事半功倍。

圖2：訊號平衡和漂移的比較。該圖顯示，管理漂移比取得一個非常閉合的訊號平衡更重要。甚至在2%的UI漂移時，訊號平衡誤差高達10%的影響也微不足道。僅當漂移完全為零時(一個不太可能的情況)，訊號平衡才變得重要。

資料傳輸速率

數位訊號的射頻頻譜具備不同的特性，從EMI的角度來看，最重要的是該資料速率及其整數倍速率的頻譜零值。圖3清楚顯了這些頻譜零值。

圖3：改變介面資料速率會移動頻譜零值。這是無需任何濾波、能降低特定頻帶EMI的一種特別有效的方法。

這些零值獨立存在於任何訊號濾波。透過改變資料速率，而非將頻譜零值移到一個射頻接收器頻帶附近以除去進入接收器的EMI，則是一種切實可行的選擇。對必須辨識來自多個衛星極其微弱訊號的GPS接收器來說，這尤為重要。圖3顯示這種用於保護GPS接收器的技術，資料速率從1.248Gbps(圖3a)變為1.456Gbps(圖3b)。

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