A Processing Method of Typical and Complex Ground Connection in Mixed Signal System

TONG Xiangjie，XIE Fengling，SUN Chengwen

(ZTE Corporation，Nanjing 210012，China)

A Processing Method of Typical and Complex Ground Connection in Mixed Signal System

TONG Xiangjie*，XIE Fengling，SUN Chengwen

(ZTE Corporation，Nanjing 210012，China)

According to the matter of TDMA noise in the project process，it is systematically explained the fundamentals and usual solutions of TDMA noise．Unfortunately，these common measures can’t play a part in our mobile terminal design．With the conscientious researches on our task，a perfect method was found to solve this problem which was that the star ground connection in partial audio circuits and the ground plane design were organically employed．At last，the main measure of ground connection was summarized in mixed signal system in order to obtain the best system performance．

mixed signal system;star ground connection;time domain multiple access(TDMA)noise;burst period

所有信號處理系統(tǒng)都要求混合信號器件，例如:模數(shù)轉換器ADC或數(shù)模轉換器DAC等。但是要在高噪聲數(shù)字環(huán)境下保持性能，依賴于優(yōu)秀的電路設計方法，例如:正確的信號布局、去耦和接地等。這其中，在系統(tǒng)設計中，接地毫無疑問是我們討論最多的話題之一。盡管基本概念十分簡單，但實現(xiàn)起來卻并不容易。主要原因有:(1)就線性系統(tǒng)而言，接地是信號建立的參考基準，而不幸的是，它也成為單極電源系統(tǒng)中電源電流的返回通路。錯誤的接地方法會降低高精度線性系統(tǒng)的性能;(2)沒有哪一種教程能夠保證一定能獲得理想的結果。

正因為如此，混合信號系統(tǒng)要解決好接地問題，只能根據(jù)實際情況，采用不同的設計策略。但是，可能一提到接地，大家的焦點會不自覺的集中到數(shù)字地和模擬地的連接問題，可能這類討論也是在各類論文中出現(xiàn)最多的，比如分析數(shù)字地和模擬地如何劃分，如何連接。誠然，數(shù)字地和模擬地的設計是混合信號系統(tǒng)中接地設計的重要內容，但是大家很可能會忽略系統(tǒng)地的設計。如何使模擬地、數(shù)字地和系統(tǒng)地有機結合起來，是接地方案設計的重點，接下來通過實際案例的調試與分析，混合應用了不同的接地處理策略，使得混合數(shù)字系統(tǒng)性能可靠，具有非常強的代表性!

1　技術背景

眾所周知，移動終端的基本功能就是語音通話，只有清晰的語音質量才能滿足用戶對移動終端的基本需求，或者說，通話不清晰的移動終端，其他功能再強，是沒有用戶會為之買單的。在包含第2代(2G)移動通訊GSM制式(全球移動通系統(tǒng)，Global System for Mobile Communications)產(chǎn)品研發(fā)中，如果電路設計不科學，在GSM通話語音中很可能存在時分多址噪音(TDMA Noise)，這個噪音也被稱作電流音/脈沖噪音(Burst Noise)或者217Hz噪音(217 Hz Noise)。

為了更好地了解時分多址噪音產(chǎn)生的機理，首先我們需要清楚GSM工作的基本原理。該技術綜合采用了頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)技術。在頻分部分，它將最大25 MHz帶寬按照每200 kHz分成124個載頻，一個或者多個載頻被分配到每個基站，然后這個或者這些載頻會被實時地分成時分多址序列，時分多址序列基本時長被稱作突發(fā)脈沖序列周期(Burst Period)，周期為15 ms/26 ms (約等于0．577 ms)，8個突發(fā)脈沖序列周期集合成一個時分多址幀(TDMA Frame)(120/26 ms，約4．615 ms)，由它組成邏輯信道的基本單元，一個物理信道是指每個時分多址幀中的一個突發(fā)脈沖序列周期。圖1是時分多址幀示意圖。其實，我們經(jīng)常聽到突發(fā)脈沖頻率指的是幀頻率，它的頻率就等于1/4．615 ms=217 Hz。但是，我們不是說要濾除這個217 Hz，這個是載頻內部的突發(fā)脈沖序列。

圖1　時分多址幀示意圖

從電路域的角度來看，包含GSM制式的移動終端，在GSM工作時，射頻功放每隔4．615 ms會有一個發(fā)射信號，在該信號中包含900 MHz/1 800 MHz/ 1 900 MHz的2G GSM信號以及功放PA(Power Amplifier)的包絡線(Envelope)。而PA在每次發(fā)射是都會有一個Burst大電流的需求，正是因為發(fā)射功率較大要抽取大量的電流，加上電池有內阻，這樣電源上出現(xiàn)很大的紋波，致使整個系統(tǒng)的電流就會不停的大范圍波動。由于電流總是從源頭最終下地，如果電路通路不是很通暢，電源電路就會把這個噪聲串到整個電路板上。

圖2是PA工作時的功耗示意圖，事實上PA開關導致的電源紋波、地彈，已經(jīng)強烈影響到音頻輸入或者輸出的采樣部分低噪音放大器(LNA)的電源以及相關AD或者DA轉換的參考電源。此時，如果電路沒有合理設計，音頻電路就會受到干擾，即PA在發(fā)射時就會產(chǎn)生Envelope雜音，因為人耳的聽覺頻率范圍為20 Hz～20 kHz，217Hz確實是落在人耳可聽到的范圍，這樣，如果手機來電，則在移動終端聽筒中會聽到“吱吱”或“嗡嗡”的聲音或者對方能聽到明顯的此類噪音。

圖2　PA工作時的功耗

產(chǎn)生時分多址噪音的主要方式有兩種:傳導和輻射。輻射產(chǎn)生電流音主要原因是當PA工作時，移動終端輻射電磁波，而這些電磁波被移動終端內部音頻相關電路所接收，并且解調出217 Hz脈沖串，這些解調后的信號要么直接影響相關音頻電路性能，要么通過音頻功放放大后影響語音通話質量。

而傳導影響語音質量的途徑主要是:地和電源。從移動終端的設計實踐來看，如果系統(tǒng)中存在由輻射引起的電流音問題，只要通過必要的濾波等手段切斷輻射途徑，問題就能夠得到很好的解決。然而，系統(tǒng)中一旦存在由傳導引起的電流音問題，通常一方面比較難定位，由于芯片的高集成度和電源種類也比較多，不知道是哪路或者哪些電源受到干擾后引起的，如果是接地不合理引起的，就更難定位，因為所有地都是接一起的，通常很難驗證;另外一個方面，一旦是定位為傳導原因引起的，通常需要重新設計系統(tǒng)硬件，而且即使重新設計也非常難保證就一定能解決。

由此可見，移動終端設計中要盡可能避免由傳導原因引起的時分多址噪音，特別是由地傳導所帶來的。這樣就需要設計中合理統(tǒng)籌數(shù)字地、模擬地和系統(tǒng)地的連接。在接地設計中經(jīng)常使用的一個術語是星形接地。這個術語的意思是，某個電路中所有電壓均指一個單接地點，也即星形接地點。它的關鍵特性是，在接地網(wǎng)絡中，對特定點的所有電壓進行測量，而不僅僅是某個非定義接地(不管探針定在何處)。特別需要指出，這種方法實現(xiàn)起來很困難。例如，在一個星形接地系統(tǒng)中，為了最小化信號相互作用和高阻抗信號或接地通路產(chǎn)生的效應而擬定出所有信號通路，會帶來實現(xiàn)問題。當給電路添加電源時，它們會增加非理想接地通路，或者其現(xiàn)有接地通路中電源電流較強或噪聲較多，以致于破壞信號傳輸。此外，在混合系統(tǒng)接地設計中，另外一種典型方法是數(shù)字地和模擬地的分割設計，但是經(jīng)常遇到的課題是:數(shù)字地和模擬地是否要做分割以及如何分割。圖3就是數(shù)字地和模擬地分割設計的示意圖，數(shù)字地和模擬地通常用磁珠連接，圖中紅色的代表磁珠，這種地的分割設計比星形接地容易實現(xiàn)，也是經(jīng)常被采用的設計方案。第3種接地設計，就是不分模擬地和數(shù)字地，即將模擬地和數(shù)字地就近連接后接入系統(tǒng)地，相對于前兩種地設計從表面上來看是最簡單的，但是從我們上面的分析來看，這種設計風險也是比較大的，如在射頻PA工作時候所引起的地彈，容易引入噪音，從而導致設計缺陷。因此接地方案需要慎重選擇，下面通過研發(fā)實踐進行進一步分析和研究。

2　移動終端研發(fā)中時分多址噪音問題

通常，包含GSM制式的移動終端研發(fā)調試過程，經(jīng)常提到的一個話題就是時分多址噪音，如前所述，可以認為該噪音也是GSM工作時的副產(chǎn)品，如果設計過程中不加以充分考量，語音通話質量就大打折扣，甚至成為產(chǎn)品的缺陷。在移動終端中的音頻通路通常有:主麥克、聽筒(Receiver)、揚聲器(Speaker)，還有耳機相關的副麥克和左右聲道聽筒，當然如在帶有藍牙(Bluetooth)功能的移動終端中，當然還包括藍牙語音通路等。那么一旦出現(xiàn)一個回路通話時有電流音，是否所有音頻通路都會出現(xiàn)問題呢?

從工程研發(fā)實際來看，項目中出現(xiàn)的電流音問題通常部分通路有問題，只有在非常惡劣的情況下，所有音頻通路都有電流音問題，而且一般情況下，在信號等級良好的情況下，由于射頻的驅動功率較小，通常不會直觀感受電流音問題的存在。工程設計中通常讓移動終端GSM最大發(fā)射功率下測試音頻客觀數(shù)據(jù)，一般來講，正常音量下接收空閑信道底噪需要小于－57 dBPa(A)，最大音量下要小于－54 dBPa(A)，且接收空閑信道底噪的峰峰值要小于10 dB，通常超過－57 dBPa(A)就會感覺到電流音。對于工程設計來看，如果在極限條件下滿足這些客觀要求指標，那么用戶在使用過程中就不會感知由電流音引起的語音通話異常問題，因為該極限功率下，移動終端和基站之間通常很難建立可靠的網(wǎng)絡連接了。

圖3　數(shù)字地和模擬地分割設計示意圖

我們在項目過程中，就遇到了這樣的電流音問題，主要表現(xiàn)為:在GSM最大發(fā)射功率下，主麥克，聽筒和揚聲器通路性能正常，而在耳機和副麥克通路存在音頻問題，主要是耳機下行語音通路(左右聲道)存在較明顯的電流音，GSM最大發(fā)射功率下相關測試數(shù)據(jù)如圖3所示?？梢钥闯?客觀數(shù)據(jù)在－54 dB，臨界標準，且接收空閑信道底噪峰峰值已經(jīng)大于10 dB，與主觀體驗是吻合的。

圖4　耳機電流音測試數(shù)據(jù)

3　項目時分多址噪音問題的分析

在移動終端研發(fā)中，一旦遇到時分多址噪音時，通常采用如下步驟定位故障問題:

3．1確定是輻射還是傳導原因引起的時分多址噪音

通常，把射頻信號通過同軸線引入移動終端，在最大功率下測試，一般而言，音量越大，TDMA noise也會越大，所以我們要在增益最大的模式下測試。而且由于一般與RF功率強度有關，所以研發(fā)調試方法是:可以鏈接綜測儀，調節(jié)小區(qū)(cell)功率，采用回環(huán)模式，看通話電流音是否有變化。通過這兩個方法結合，便于快速復現(xiàn)故障。如果移動終端通過上述方法，發(fā)現(xiàn)故障消失，說明項目中的故障問題不是由輻射干擾造成的;反之，故障現(xiàn)象存在，且隨著發(fā)生功率的變化而變化，說明是傳導干擾造成的。經(jīng)過試驗，發(fā)現(xiàn)我們項目研發(fā)中所遇到的問題，屬于后者。

3．2進一步分析由傳導引起時分多址噪音的主因

如前所述，由傳導引起時分多址噪音主要的可能因素是電源和地，當然也可能存在信號之間的串擾(Crosstalk)，因此，為定位此問題，就需要對項目初始設計情況進行重新仔細審查。發(fā)現(xiàn)耳機電路與另外一個同平臺項目設計一樣，而且同該項目沒有該問題，所以硬件原理圖設計不存在錯誤。

接下來就是對該項目的PCB設計進行檢查。通常，為工程師相對熟悉的且能預防時分多址噪音的設計主要原則有:(1)音頻走線盡可能的短，避免或者減少耦合干擾;(2)音頻線采用并行走線，以提高共模抑制比(CMRR);(3)麥克走線采用差分接法，以減小主板內電氣噪音的干擾，并且正負信號線需要對稱走線，同時之間的距離越近越好，(4)保證所有音頻信號走PCB內層;(5)確保工作電源的穩(wěn)定，電源噪音是所有模擬電路的禍根，直接關系到音頻性能。圖5是符合上述規(guī)則的音頻走線示意圖，主板下方是麥克，中間是音頻編碼解碼器(Codec)，其主要作用是進行音頻信號的AD、DA轉換以及相關處理，上方是聽筒。根據(jù)以上原則和設計參考，進行了檢查，發(fā)現(xiàn)PCB設計完全符合，耳機左右聲道走線通過地層包地處理，非常完整，且音頻走線側包地處都通過過孔接到地平面上，應該說接地是可靠的，所以可排除信號串擾導致電流音的可能性。

下一步檢查是否由電源引起的，從原理圖上就可以分析出來，由于主麥克和副麥克供電電源是一樣的，而且AD轉換和DA轉換用的參考電源是同一個，而主麥克和聽筒工作時，同樣的測試環(huán)境下，沒有時分多址噪音的發(fā)生，所以就可以斷定該項目故障不是由電源噪音引起的。

圖5　符合音頻PCB設計規(guī)則示例

在具體分析主板接地前，我們先說明一下移動終端接地的一般處理原則。像移動終端這樣的混合信號系統(tǒng)，首先由于內部模擬部分的AD轉換或者DA轉換的精度要求相對不是很高，加上子單元功能模塊布局很難規(guī)則，這樣就不便于模擬地和數(shù)字地的集中處理，比如說攝像頭的模擬電源通常在主板的最上側，而主麥克的地通常是在最下側，這樣就很難對地平面進行分割，加上各子單元供電復雜，比如說攝像頭就有3路供電，接口電源、核電源和模擬電源，因此采用全面星形接地就更沒有可能性了。所以，通常移動終端通常采用不分模擬地或者數(shù)字地的接地方法。這種處理策略是得到實踐證明有效的，如圖5設計方案，就沒有發(fā)生過時分多址噪音問題。

在沒有遇到本項目的時分多址噪音之前，幾乎所有項目都采用了不分地接法，都是把所有器件地信號管腳統(tǒng)一接到地平面，然后地平面接到系統(tǒng)地上，需要特別說明的是，這類設計需要保證地平面的完整性的。本項目設計布局如圖6所示，相關音頻單元和射頻PA等在主板位置做了標識，其中電池連接器是電池接入位置，代表系統(tǒng)接地點，其他音頻單元直接就近接入地完整地平面，然后地平面在電池連接器處與系統(tǒng)地相連。

圖6　項目主板功能單元示意圖

為發(fā)現(xiàn)線索，進一步對比圖5所示的成熟方案(5)和圖6所示的本項目方案(6)，從板型可以發(fā)現(xiàn)，成熟方案(5)板型是長方形，而本項目方案(6)成“L”型，且音頻編碼解碼器處的豎邊比較窄，相當于方案(5)中挖掉右下側部分，就成方案(6)了，有此可見，耳機處到系統(tǒng)地的阻抗發(fā)生了很大變化，當PA大功率工作時，情況有可能就凸顯出來了。同時，必須說明一下，耳機左右聲道是由Codec模塊驅動的?；诖丝剂?，懷疑大功率發(fā)射下，耳機左右聲道回流受到干擾，因為耳機左右聲道的參考地在Codec處，音頻功能單元電源由Codec內部集成低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)提供的。

基于上述假設，將耳機的地從靠近耳機座的位置斷開，通過外部跳線方式從耳機端挪到芯片端，即采用星形接地，如圖7所示。

圖7　耳機座接地外部跳線示意圖

耳機地線遠端星形接地后的，接收空閑信道底噪峰峰值降低，耳機下行底噪測試客觀數(shù)據(jù)為－67 dB，如圖8所示，整體底噪和峰值都有所改善，主觀音質也可接受，說明修改是有效的。

圖8　耳機地線Codec處接地下行底噪測試數(shù)據(jù)

進一步觀察PCB，發(fā)現(xiàn)左右聲道是平行走線的，而且左右聲道在芯片端預留了串聯(lián)電阻，為進一步證明上述方案的有效性，進一步做了如下實驗:耳機斷開右聲道，耳機地線利用與左聲道平行走線的右聲道在Codec遠端星形接地再進行驗證。如圖9所示。

圖9　利用右聲道走線遠端接地

圖10　利用右聲道走線遠端接地接收底噪數(shù)據(jù)

4　時分多址噪音解決方案驗證結果

根據(jù)上述耳機接地單獨采用星形接地方案的測試情況，于是項目就采用了該方案，重新進行PCB設計，并對優(yōu)化設計進行了測試驗證，如圖11所示。

圖11　改板PCB耳機下行電流音測試結果

發(fā)現(xiàn)改板后的主板耳機下行電流音客觀數(shù)據(jù)為－72．7 dB，尖峰大大減小，主觀音質很好。為了進一步驗證星形接地的有效性，反之，將改板后主板的耳機由遠端接地，修改為在耳機座側近端接地(相當于恢復成改版前設計)，發(fā)現(xiàn)又出現(xiàn)耳機電流音問題了，客觀測試數(shù)據(jù)結果如圖12所示。這樣充分證明了此處采用星形接地方法的重要意義。

圖12　改板主板耳機地改為近端地測試數(shù)據(jù)

5　結束語

從上述項目實踐可知，接地方案的合理與否，對混合信號系統(tǒng)的性能至關重要。這樣，就要求工程師在系統(tǒng)設計時針對接地方案需要進行充分評估，通常，評估接地設計所采用的主要策略有如下幾個方面:

首先，方案評估中必須將接地設計納入其中，即重視接地方案的系統(tǒng)設計。通常，一般工程師認為，接地非常簡單或者也很少專業(yè)資料指導，經(jīng)常忽略方案設計中的接地評估，把關注點集中在子系統(tǒng)功能設計實現(xiàn)中去，為混合信號系統(tǒng)可靠性埋下隱患。

其次，硬件布局設計中就要充分考慮接地策略，通常，布局的不同接地策略是不相同的。由于硬件布局設計是硬件系統(tǒng)方案的重要組成部分，這也是為什么系統(tǒng)方案要充分評估系統(tǒng)接地策略的重要原因。如圖5和圖6的接地方案就不能完全一樣，方案(6)就遇到了耳機左右聲道的時分多址噪音問題，而方案(5)則沒有問題。即使針對同一方案，如果系統(tǒng)地(電池連接器)接入不同，接地方案也會不同。我們在項目過程中，在方案(6)中做了如下實驗:如果在耳機座附近接入系統(tǒng)地，即把電池連接器挪到耳機座附近，發(fā)現(xiàn)時分多址噪音也得到有效抑制的，主觀音質良好。因此，布局設計的不同，需要采用不同的接地策略的;

其次，還必須要充分了解混合信號系統(tǒng)各功能單元的電氣特性，特別是共模抑制比、電源抑制比等重要電氣參數(shù)，以及如本文中提到的PA開關時的大電流特點，布局和設計中需要充分考慮各相關敏感電路的電流回流路徑，判斷是否可能存在類似本文中提到的傳導干擾，提前采用必要的預防措施，保證項目目標的達成;

對于上級撥付專項資金搞的工程，在審查過程中應注意資金支出是否做到?？顚Ｓ谩⑹欠癜雌谧泐~到位，日后設置專戶存儲等，對于村集體經(jīng)濟組織進行的服務全村得建設性及公益性建設項目，還應注意賬目決策是否經(jīng)過村民大會批準，是否有可行性規(guī)劃，建設承包商是否正規(guī)，村干部有沒有在建設過程中私自扣除建設撥款。力爭做好整個過程的財務審計審查記錄，對待問題絕不姑息。

最后，就是接地方案本身的選擇，無論是星形接地、數(shù)字地模擬地分割，還是不分數(shù)字地和模擬地，一種策略不一定能夠解決所有問題，雖然星形接地和數(shù)字地模擬地分割相對難實現(xiàn)，但是并不代表不用，通常需要根據(jù)布局、電氣特性等綜合考慮，一個項目中可以同時采用兩種接地策略，從本項目的實踐來看，效果非常好。

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童向杰(1976－)，男，漢族，浙江臨安人，中興通訊股份有限公司，碩士研究生，工程師，從事電子產(chǎn)品研發(fā)近15年，具有豐富的電子產(chǎn)品及信號完整性設計從業(yè)經(jīng)歷;

謝鳳玲(1977－)，女，江西贛州人，中興通訊股份有限公司，碩士研究生，工程師，從事電子產(chǎn)品研發(fā)近10年，具有豐富的電子產(chǎn)品從業(yè)經(jīng)歷;

孫承文(1983－)，男，安徽合肥人，中興通訊股份有限公司，碩士研究生，工程師，從事電子產(chǎn)品研發(fā)近5年，具有豐富的電子產(chǎn)品及移動終端音頻設計從業(yè)經(jīng)歷。

EEACC:1110;6450F10．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．025

混合信號系統(tǒng)中一種典型復合接地策略

童向杰*，謝鳳玲，孫承文
(中興通訊股份有限公司，南京210012)

結合項目過程遇到的一個時分多址噪音問題，系統(tǒng)闡釋了時分多址噪音發(fā)生的機理和常用解決途徑，但是這些常用的措施并不能解決該項目的時分多址噪音問題。通過該項目調試實踐，發(fā)現(xiàn)除了相關音頻單元部分采用星形接地外，其他部分模擬地和數(shù)字地不進行分割的綜合策略，很好的解決了時分多址噪音問題。最后，進一步對混合數(shù)字信號系統(tǒng)接地策略的選擇進行了總結，以期在混合信號系統(tǒng)設計中能夠獲得最佳性能。

混合信號系統(tǒng);星形接地;時分多址噪音;突發(fā)脈沖序列周期

TN912

A文獻標識碼:1005－9490(2015)01－0115－07

2014－03－21修改日期:2014－04－15