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高速數位介面解決EMI挑戰

上網時間: 2014年09月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:數位介面  EMI  隔離  資料傳輸速率  壓擺率 

壓擺率

介面承載的所有必要資訊都位於主譜瓣。頻譜旁瓣顯示有關資料波形變換的資訊,而非資料本身。對於因旁瓣(這些旁瓣頻率高於資料速率)能量產生的EMI來說,可以透過減少每個波形變換的壓擺率加以抑制。這麼做之所以有效,是因為非預期射頻訊號的總頻寬並不經由資料速率管理,而是由資料波形的最快變換(邊緣)所決定的。

控制壓擺率對於來自差分訊號的較高頻率旁瓣帶來影響
圖4:控制壓擺率對於來自差分訊號的較高頻率旁瓣帶來影響:(上圖)眼圖的邊緣變換時間定義;(下圖)與a圖顯示的變換一致的頻譜。

圖4a(上圖)說明這種技術確實影響到介面訊號的‘眼圖’。雖然完全睜開的眼寬度變窄了,但眼頂部和底部之間的分離不受影響。這是使用該濾波技術的代價。

請注意:壓擺率控制僅降低旁瓣振幅。對主瓣的任何影響都可以忽略不計。這有利有弊:好處在於這意味著壓擺率控制並不會稀釋資料內容。壞處是當干擾頻率來自主瓣時,會使該技術無效。因此,如採用M-PHY的MIPI Alliance DigRFSM等應用,人們傾向於使用每個都執行於較低資料速率的多條通道,而非一條作業於較高資料速率的通道。

波形成形

實施壓擺率控制的直接方法是調整電流源充放電電容器。這就產生了如圖3及下面圖5a中所示的直線變換。其它波形形狀也會影響EMI值,結果有好有壞。例如圖5b顯示由簡單RC濾波所得到的指數波形效果。在此,EMI其實變得更嚴重。原因是在任何變換開始時,指數波形都形成一個銳角,即使任何變換結束時是光滑的。但在變換終點前,已經造成損壞了。

a)線性變換

b)指數變換

c)濾波後的波形
圖5:EMI訊號頻譜隨不同波形形狀的訊號變換而變化:a)線性變換,b)指數變換,和c)濾波後的波形。實際上指數變換抑制EMI的能力最差。

圖5c展示當所有的銳角從介面波形移除時,頻譜箝限性能大幅改善。除去銳角是波形成形的首要目標,所以,有時也將其稱為波形曲率限制。

技術組合

所有的EMI管理技術始於最大化實體隔離。除了隔離以外,取決於介面標準化委員會遇到的具體問題,分別採取不同的技術。以下介紹來自MIPI標準的兩個例子。

MIPI聯盟的M-PHY規格是一種使用低振幅差分訊號的HSS連結。由於資料傳輸速率高於許多蜂巢式和其它無線通訊頻率,因此結合使用資料速率選擇、壓擺率控制以及漂移邊界等方法以降低出現在內部射頻接收器輸入端的EMI。

MIPI聯盟的M-PHY介面結合漂移邊界與壓擺率控制技術
圖6:MIPI聯盟的M-PHY介面結合漂移邊界與壓擺率控制技術,以期降低高頻EMI。

MIPI聯盟的射頻前端(RFFE)介面存在不同的問題,而且採用不同的技術管理EMI。RFFE應用需要較大振幅的單端訊號,即使該介面作業時緊鄰敏感的射頻輸入。該技術組合首先採用與應用需求一致的最低資料傳輸速率。然後針對介面波形實施曲率控制,以確保任何EMI都被限定在低於本地射頻的工作頻率。

MIPI聯盟的RFFE介面結合資料速率選擇和波形成形技術
圖7:MIPI聯盟的RFFE介面結合資料速率選擇和波形成形技術,將不需要的射頻訊號頻段控制在主要的無線通訊頻段以下:(上圖)26MHz資料速率已使大部份訊號能量位於低頻,而(下圖)在每一個轉換的開始和結束都另行建置少量的曲率控制,大幅改善EMI抑制性能。

總結

設計EMI管理是實現行動設備內介面和RF相互透明度的關鍵。從重視相互透明度的M-PHY和RFFE介面規格制訂中所獲得的經驗顯示,對於降低EMI來說,有的技術很有效、有些則否。截至目前為止,最有效的技術是良好的實體隔離。其次是實現差分訊號所容許的漂移,以及避免採用可能導致指數介面波形的RC濾波。對於減少EMI來說,使用波形成形技術來減少介面波形上的銳角是特別有效的方法。

另一種選擇資料速率的技術則不需使用濾波。由於來自數位波形的EMI在此資料速率和其所有的整數倍速率都有頻譜零值,將這些零值放置在所關注頻帶的附近也十分有效。此外,也可以透過降低介面波形振幅的方式。這種技術也不致於受到太多EMI的影響。

(參考原文:Manage EMI from high-speed digital interfaces,by Earl McCune, Peter Lefkin)


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