數(shù)字電路信號(hào)傳輸噪聲的控制措施研究

陳淑芳

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350001）

0 引 言

由于半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的不斷發(fā)展，信號(hào)的傳輸速度越來(lái)越快。其中，信號(hào)質(zhì)量和完整性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于數(shù)字電路而言，噪聲的存在很大程度上影響了信號(hào)質(zhì)量。因此，技術(shù)改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中需要明確噪聲的主要來(lái)源。

當(dāng)前，電路的集成度越來(lái)越高，且電路設(shè)計(jì)水平不斷完善，不僅提升了信號(hào)傳輸效率，也改善了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。但是，信號(hào)傳輸過(guò)程中存在噪聲，影響了信號(hào)的傳輸效率，因此研究高速數(shù)字電路信號(hào)傳輸，采取針對(duì)性的措施做好噪聲抑制工作，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)電路的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)字電路技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

數(shù)字電路電子技術(shù)由數(shù)字組合形成，數(shù)字主要在［0，9］內(nèi)。計(jì)算機(jī)編碼時(shí)，選擇二進(jìn)制方式，聯(lián)網(wǎng)難度較小，較易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)字信號(hào)之間的對(duì)接。保存信息數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的加密處理，難度較小，可以提高信息處理與傳遞的速度，可借助數(shù)字信號(hào)技術(shù)搭建智能通信網(wǎng)絡(luò)。就當(dāng)前情況來(lái)說(shuō)，信號(hào)高效率傳遞有助于提高通信網(wǎng)絡(luò)使用質(zhì)量與效率，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

現(xiàn)代數(shù)字信息傳播建立在數(shù)字信號(hào)基礎(chǔ)上。利用數(shù)字信號(hào)傳播信息具有傳播速度快、安全性高以及傳播靜音效果好等顯著優(yōu)勢(shì)。除了良好的靜音效果外，數(shù)字信號(hào)還具有極強(qiáng)的抗外界干擾能力，可以提高信息傳播的精準(zhǔn)性。數(shù)字信號(hào)技術(shù)在遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸過(guò)程中具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以增加保密內(nèi)容，在提高信號(hào)傳輸速度的基礎(chǔ)上保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩訹1]。

2 數(shù)字電路信號(hào)傳輸噪聲的成因

高速數(shù)字信號(hào)傳輸質(zhì)量與傳輸線質(zhì)量、信號(hào)傳輸過(guò)程中反射的基本情況以及串?dāng)_對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?方面有關(guān)。由于不同情況下信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量受到的影響因素存在差異，因此在實(shí)際工作中需要綜合考量信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸蛩兀瑥亩皶r(shí)采取有效措施來(lái)提升數(shù)字信號(hào)的傳輸效率和傳輸質(zhì)量。

2.1 傳輸線質(zhì)量

在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，高速數(shù)字電路應(yīng)運(yùn)而生。這種傳輸方式屬于一種新型的電路傳輸方式，且信號(hào)傳輸過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。整個(gè)傳輸路徑的設(shè)計(jì)不僅需要以專業(yè)的電路理論知識(shí)為基礎(chǔ)，還應(yīng)重點(diǎn)考慮信號(hào)的衰減情況，并采取有效的措施保證信號(hào)的完整性、穩(wěn)定性以及安全性。對(duì)于高速數(shù)字電路信號(hào)的傳輸而言，傳輸線非常重要，通常需要以印刷電路板為主要載體。這一器件的集成度相對(duì)較高，由一層介質(zhì)或者多層介質(zhì)構(gòu)成，并包括信號(hào)層、電源層以及底層的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得印刷電路板的集成度越來(lái)越高，且精度不斷提升。不同的層次需要使用傳輸線、器件以及電源等完成連接。信號(hào)傳輸過(guò)程中使用的傳輸線，與器件中包含的電阻、電容以及電感存在一定的相似之處[2]。

在特定的環(huán)境中，由于傳輸線的獨(dú)特性會(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)特殊的電氣特性，主要借助電容和電感表現(xiàn)出來(lái)。高速數(shù)字電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)需要合理選擇傳輸線，從而在提升信號(hào)傳輸速度的同時(shí)，保證信號(hào)的完整性。

2.2 反射因素

在高速數(shù)字電路的信號(hào)傳輸過(guò)程中，反射是還原信號(hào)的重要方式。每個(gè)點(diǎn)都存在瞬時(shí)阻抗，假如傳輸線屬于可控制阻抗，瞬時(shí)阻抗可以在信號(hào)傳輸過(guò)程中保持不變，那么可以認(rèn)為這種阻抗與傳輸線的功能相同。在這種條件下，整個(gè)信號(hào)傳輸過(guò)程中，信號(hào)的反射基本處于一個(gè)穩(wěn)定不變的狀態(tài)。如果在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)瞬時(shí)阻抗突變的情況，部分信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)不同程度的折射和衰減現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)不同程度的失真。折射和衰減過(guò)程中，信號(hào)被分成幾個(gè)部分，一部分沿著原來(lái)的途徑傳輸，另一部分發(fā)生折射，因此最終能接收一定的信號(hào)，但不能保證信號(hào)的完整性和質(zhì)量[3]。一定程度上而言，反射屬于信號(hào)傳輸中的有效標(biāo)識(shí)，也是造成出現(xiàn)信號(hào)抑制的重要原因。反射問(wèn)題導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)，會(huì)影響噪聲情況，使電路出現(xiàn)錯(cuò)誤。就當(dāng)前的研究可以發(fā)現(xiàn)，信號(hào)反射是一種常見(jiàn)問(wèn)題，需要相關(guān)技術(shù)人員高度重視。此外，發(fā)射問(wèn)題不受地域限制，在任何地方都有可能發(fā)生。

2.3 串?dāng)_因素

在高速數(shù)字電路的信號(hào)傳輸過(guò)程中，串?dāng)_也是一種常見(jiàn)的問(wèn)題。信號(hào)傳輸?shù)膬蓚€(gè)路徑存在一定程度的電磁效應(yīng)，但這種效應(yīng)較為明顯時(shí)，就會(huì)影響整個(gè)信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率。形成這種問(wèn)題的主要原因在于邊緣的耦合作用。可以將串?dāng)_分成兩種形式，一種是電容性串?dāng)_，另一種是電感性串?dāng)_。造成串?dāng)_的原因是電場(chǎng)或者磁場(chǎng)發(fā)生了一定的耦合。按照傳播方向的差異，它又可以分為近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_。在高速數(shù)字電路中，串?dāng)_是客觀存在的。電流的存在會(huì)形成一定的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，因此電磁感應(yīng)對(duì)整個(gè)信號(hào)的影響是必然的。這種現(xiàn)象的客觀存在給高速電路的信號(hào)質(zhì)量控制設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了一定的困難，需要整個(gè)電路的設(shè)計(jì)工作明確并積極采取有效的措施來(lái)降低串?dāng)_的影響。通常情況下，高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)會(huì)在布線設(shè)計(jì)、板線連接以及封裝等過(guò)程中處理串?dāng)_問(wèn)題，可以使用低介質(zhì)常數(shù)的材料并增加線與線之間的距離，降低電磁效應(yīng)，控制好耦合的長(zhǎng)度，從而降低耦合的影響。串?dāng)_問(wèn)題嚴(yán)重的線路需要及時(shí)進(jìn)行隔離處理，以降低對(duì)信號(hào)的影響。實(shí)際電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮電路的集成度和設(shè)計(jì)工程的需要情況，并綜合成本選擇線路的材質(zhì)、布線以及間距，必要時(shí)作出一定的取舍，從而保證信號(hào)傳輸?shù)目傮w效益[4]。

3 數(shù)字電路信號(hào)傳輸噪聲的控制措施

可以從內(nèi)部設(shè)計(jì)優(yōu)化、合理分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)置以及引入數(shù)字信號(hào)技術(shù)3個(gè)方面入手，處理當(dāng)前高速數(shù)字電路信號(hào)傳輸過(guò)程中的影響因素，從而提升信號(hào)的傳輸速率、質(zhì)量和噪聲抑制水平，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)數(shù)字電路的發(fā)展。

3.1 優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計(jì)

由于噪聲對(duì)高速數(shù)字電路傳輸?shù)挠绊戄^大，不僅會(huì)降低傳輸速率，也會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量，因此在數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)需要重視噪聲對(duì)信號(hào)的影響。需要根據(jù)傳輸需要，調(diào)整不同系統(tǒng)的內(nèi)部元件，從而保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性。電路的容積對(duì)整個(gè)電路功能的發(fā)揮具有直接影響，因此噪聲的處理需要重視內(nèi)部的優(yōu)化設(shè)計(jì)，配置好元器件和線路之間的關(guān)系，從而改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量[5]。第一，設(shè)計(jì)電路板內(nèi)板時(shí)，需要重視器件的布局設(shè)計(jì)，既要滿足集成度的需要，又要有效控制元器件之間存在的電磁等影響，從而合理控制元件的密度，保證不同的元器件都能夠及時(shí)通風(fēng)，確保傳輸信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)，延長(zhǎng)元器件的使用壽命。第二，重視電路系統(tǒng)的優(yōu)化，尤其是散熱情況的提升，保證電源供電的穩(wěn)定性，有效避免出現(xiàn)局部過(guò)熱和高溫高壓影響元件性能的情況。第三，內(nèi)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要做好配線的安裝工作，盡可能降低電磁耦合效應(yīng)，減少公共阻抗，從而有效避免噪聲的出現(xiàn)。第四，做好接地設(shè)計(jì)，保證電路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3.2 有效分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

高速電路的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要做好電源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分配工作。第一，對(duì)于中高壓電路而言，重視感應(yīng)噪聲的位置，盡量選擇金屬屏蔽方式，依靠電子裝置、引線以及遠(yuǎn)距離輸入和輸出，在一定程度上降低信號(hào)的傳輸長(zhǎng)度和信號(hào)傳輸?shù)淖杩梗瑥亩行П苊庑盘?hào)的衰減。第二，針對(duì)磁場(chǎng)引發(fā)的噪聲問(wèn)題，需要選擇具有電磁感應(yīng)的電力線，通過(guò)合理擺放電線的方式，有效消減電磁感應(yīng)現(xiàn)象，降低對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽５谌鸹ǚ烹娫肼曇彩怯绊懶盘?hào)質(zhì)量和傳輸?shù)闹匾蛩兀枰O(shè)計(jì)人員及時(shí)采用隔離方式進(jìn)行處理。以上幾種噪聲問(wèn)題處理過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際情況、工程的實(shí)際需要以及成本的控制情況，采取有效措施控制。當(dāng)前就高速電路的發(fā)展而言，做好噪聲的抑制工作有利于提升電路設(shè)計(jì)水平，保證信號(hào)傳輸，從而推動(dòng)我國(guó)電子技術(shù)和集成電路的進(jìn)一步發(fā)展[6]。

3.3 引入數(shù)字信號(hào)技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸出的一種數(shù)字電子技術(shù)，具有明顯優(yōu)勢(shì)。它以數(shù)字傳承技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)加以轉(zhuǎn)化，可為后續(xù)信號(hào)的轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支持，提升了數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量，保證了其安全性。數(shù)字信號(hào)后處理技術(shù)是數(shù)字電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的一種新型數(shù)字處理技術(shù)，需要依靠當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)。利用數(shù)字信號(hào)后處理技術(shù)能夠幫助用戶轉(zhuǎn)化需要傳輸?shù)男盘?hào)和內(nèi)容，為其賦予獨(dú)特的加密和解密方式，從而提高信號(hào)的安全性。另外，該技術(shù)的處理過(guò)程是對(duì)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，使其變成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，然后利用網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行傳輸，再利用相應(yīng)的解碼器獲取正確的傳輸內(nèi)容，由此形成一個(gè)閉合回路，從而保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩浴４送猓瑪?shù)字信號(hào)后處理技術(shù)在整個(gè)傳輸過(guò)程中一直沿用二進(jìn)制傳輸模式，在一定程度上能夠確保傳輸模式和標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

4 結(jié) 論

高速數(shù)字電路在科技的推動(dòng)下日新月異，但涉及到的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題。結(jié)合當(dāng)前信號(hào)傳輸中的主要影響因素，及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行處理，客觀看待噪聲的存在，綜合材料、設(shè)計(jì)以及成本因素不斷優(yōu)化電路，才能為我國(guó)高速數(shù)字電路的發(fā)展提供助力。