衛星高速基帶傳輸的抗同步開關噪聲設計

關鍵詞： 同步開關噪聲 基帶傳輸 噪聲 電路板

　　俞凌筠,韓佳鑫,孫立達

　　（上海衛星工程研究所， 上海 200240）

　　摘要：對高速基帶傳輸中產生噪聲" title="同步開關噪聲" target="_blank">同步開關噪聲的原因進行了深入分析。通過理論分析和試驗數據，提出了抗同步開關噪聲的方法。對于今后在高速基帶設計中避免同步開關噪聲有一定的指導意義。

　　關鍵詞： 同步開關噪聲；基帶傳輸

0引言

　　圖1高速基帶傳輸設計原理圖隨著衛星基帶設備電路板上大量使用高集成度的高速數字芯片，同步開關噪聲（Simultaneous Switching Noise，SSN）問題成為制約高速基帶傳輸設計的一個瓶頸。同步開關噪聲是指當器件上多個邏輯電路或I/O管腳同時處于開關狀態時，產生瞬間變化的電流，在經過回流路徑上存在的電感時，形成交流壓降，從而引起噪聲。如果引起地平面的波動，就會造成芯片地與系統地不一致，這種現象稱為地彈［12］。

　　同步開關噪聲的危害是非常大的，會增加電源噪聲，影響信號的質量和時序，產生毛刺，從而導致數字電路誤采樣［3］。另外，同步開關噪聲引起的問題一般隱藏得很深，只有在器件多個邏輯單元同時開關時才會發生，用正常的業務測試方法很難發現，容易漏測［4］。針對高速基帶傳輸中的同步開關噪聲問題，本文提出了優化設計方案。

1高速基帶傳輸設計

　　某衛星型號高速基帶傳輸設計如下：數據處理FPGA通過LVDS接口接收外部112.5 Mb/s×16 bit高速數據流，對其進行串并轉換后緩存，利用驅動器164245建立96 bit并行數據傳輸，通過背板傳輸至接口及校驗FPGA進行后續數據處理，其中背板上單位傳輸速率為40 Mb/s。其設計原理圖如圖1所示。

　　在上述傳輸條件下，當傳輸隨機數據序列時，傳輸結果無誤碼；而在傳輸含有長0或長1的數據序列時，產生了大量的誤碼。通過對背板傳輸信號進行監視，發現在傳輸長0或長1數據時，產生了同步開關噪聲。本該傳輸0的某些時間點出現了毛刺，該毛刺信號接近接收器的門限，從而導致誤判。

2同步開關噪聲產生原因分析

　　2.1開關驅動器數量

　　開關驅動器的數量為在并行傳輸中邏輯0向邏輯1跳變的位數數量。開關驅動器的數量由并行傳輸的總位數和數據源的類型兩方面決定。近年來由于衛星載荷高速傳輸的需求，使得背板基帶傳輸中傳輸位數由32 bit增加到96 bit，且載荷數據隨機性不強，常常含有長0長1的數據。因此，并行傳輸的位數增加和傳輸含有長0長1的數據序列增加了開關驅動器的數量，當開關驅動器增加到一定數量時，就會引發同步開關噪聲，產生毛刺，造成誤判，如圖2所示。

　　2.2回路電感

　　電路板級的電源必須通過感性連接器為元器件提供各種瞬時的電流需求。在電路板級任何流經連接器的電流必須有對應的供電電源，并通過電源引腳和接地引腳返回。由于電流在連接器上必須通過接地引腳返回電源，當接地引腳與目標信號引腳之間的距離增加時，總的回路電感將增大。如果回路不連續，且若干個輸出對應的返回電流流經一塊很小的區域，則同步開關噪聲會急劇增大。

　　圖3背板引腳分配示意圖根據背板的引腳分配圖（如圖3所示），通過對引腳A31和A24上的眼圖信號進行分析（A31引腳離電源地最近，A24引腳離電源地最遠），發現離電源地近的引腳A31的信號眼圖質量比離電源地遠的引腳A24的好，如圖4、圖5所示。因此，引腳離電源地越遠，回路電感越大，同步開關噪聲越大；反之，同步開關噪聲越小。

　　2.3開關時間

　　開關同步時間為驅動器上由0跳變至1或由1跳變至0的時間。板級上的走線本身有著一定的寄生電容，通過串接電阻即可實現RC充放電電路，調節電阻的阻值即可改變充放電時間。通過對上節同步開關噪聲最嚴重的引腳24進行不同阻值的電阻（33 Ω、51 Ω）串接后再對其眼圖進行監測，發現串接51 Ω電阻后的信號眼圖質量比串接33 Ω的好，如圖6、圖7所示。因此，串聯電阻的阻　圖7引腳24串接51Ω電阻眼圖值越小（或不串接電阻），開關時間越短，同步開關噪聲越大；反之，同步開關噪聲越小。

3高速基帶傳輸抗同步開關噪聲設計

　　針對多位并行高速傳輸容易造成同步開關噪聲的缺點，抗同步開關噪聲設計的方案包括對數據源傳輸前后進行加解擾處理、增加接地引腳數量并合理分配其位置、在背板傳輸線上串聯電阻三個方面。

　　由于高速基帶傳輸無法降低并行傳輸位數，因此只能通過增加傳輸數據的隨機性來減小開關驅動器的數量，從而有效地抑制同步開關噪聲。通過在數據源傳輸前對數據源進行加擾，傳輸后進行解擾的方法增加傳輸過程中數據源的隨機性，從而有效減小傳輸過程中同步開關驅動器的數量。

　　在PCB板設計時增加接地引腳數量，合理分配接地引腳的位置，保證每個傳輸節點附近都分布接地引腳，使得板級電流回路暢通，從而減少回路電感，減小同步開關噪聲。

　　在背板每位傳輸線中串接電阻，增加驅動開關時間。考慮串聯電阻與輸出阻抗的匹配性，選擇串接51 Ω的電阻。

　　按照上述優化方案，對某型號衛星高速基帶傳輸設計進行優化更改，對優化后的設計采用長0長1數據樣本進行測試，更改前后的某引腳眼圖如圖8所示，同步開關噪圖8設計更改前后傳輸長0長1序列某引腳眼圖對比聲影響改善顯著（毛刺現象減少）。誤碼率測試中，測試樣本數據量大于1 GB，測試結果顯示測試誤碼率為0。

4結束語

　　本文結合衛星高速基帶傳輸設計的工程實際，對同步開關噪聲產生的原因進行了分析，并進行了設計改進。通過對多種數據樣本的測試，驗證了改進設計的有效性，對今后高速基帶傳輸的設計具有一定的指導意義。

參考文獻

　　［1］ 張穎.高速PCB電路中同步開關噪聲抑制方法研究［D］.西安：西安電子科技大學，2012.

　　［2］ 宋萬均,張安堂.雙基地雷達目標速度計算的FPGA實現［J］.電子技術應用,2014,40(1):4749,52.

　　［3］ 張從力,史記征.擴頻技術在礦井透地通信系統中的應用與仿真［J］.微型機與應用, 2013,32(1): 5153,56.

　　［4］ 陸增援. FPGA上同步開關噪聲的分析［EB/OL］.（20090403）［20160115］.電子工程專