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高速视频处理系统中的信号完整性分析

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问题，分析了系统中信号反射、串扰、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EPlK50QC208 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×l5cm，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[1]为△t。在正常情况下，D0、D1、D2、D3信号建立时间△t1<△t，在△t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△t2>△t，系统在△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Ro的数字信号驱动源Vs驱动，传输线的特性阻抗为Zo，负载阻抗为RL。在临界阻抗情况下，Ro＝Zo=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几决定，可由下式求出：

PL=(RL-Z0)/(RL+Z0) (1)

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=Zo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RLZo时，PL>0，处于欠阻尼状态，反射波极性为正。当从负载端反射回的电压到达源端时，又将再次反射回负载端，形成二次反射波，此时反射电压的幅值由源反射系数PS决定，可由下式求出：

Ps=(R0-Zo)/(R0+Z0) (2)

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：

L>tr/(2tpdl) (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Zo=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＝Zo。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＝Zo)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。