原创 扩频时钟SSC是抖动吗? #D0140

2017-6-23 09:20 1696 0 分类: 通信

数字电路的抖动通常是我们不希望的,因为抖动会造成采样位置的偏差,可能会引起数据传输错误,因此一般情况下会希望信号里的抖动越小越好。


但是,事情没有绝对的,在有些场合下,出于一些特殊的目的,人们可能会在数字总线上有意增加一些抖动,其中最典型的抖动就是SSC(Spread Spectrum Clocking),即扩频时钟。


SSC引入的目的是降低系统的EMI(Electromagnetic Interference)辐射。在很多消费电子的应用中,总线的速率越来越高,因此系统的EMI问题也越来越严重。为了控制电子设备的EMI对其它设备和人体的影响,很多产品在上市销售前都必须通过严格的EMI测试,比如FCC/CE等认证中都需要进行EMI相关的测量。


要减小系统的EMI问题,通常有几种方法:

 滤波的方法:

由于EMI的大小和信号跳变沿有关,边沿越陡EMI辐射越大,所以通过在总线上串联一些电阻或并联一些电容可以减缓信号的跳变沿从而减小EMI辐射。很多数字总线如USB、PCI-E、HDMI、MIPI等对于信号的最快上升时间都有一定的限制性要求,以在保证信号能够通过眼图测试的情况下尽可能减缓信号的跳变沿。但是由于现在数字总线速率越来越高,数据比特宽度越来越窄,比如对于一个5Gbps的信号来说,其数据比特宽度只有200ps,因此信号的上升沿不可能太缓。

 屏蔽的方法:

如果电路板上的辐射太大,可以通过增加屏蔽措施的方法来控制对外界的EMI辐射,比如对于一些辐射比较大的电路部分额外增加屏蔽壳。但是额外的屏蔽措施对于系统的重量、体积、成本增加很多,同时对于很多消费类电子产品来说增加屏蔽壳会使接口连接变得非常不方便,因此一般只是对一些比较关键的电路(比如射频或者开关电源电路)进行特殊屏蔽。

 SSC扩频时钟的方法:

扩频时钟的方法是在数字系统的时钟源头进行轻微的调频,从而降低EMI辐射的峰值功率。扩频时钟的方法实现简单且成本较低,只要在时钟源上进行扩频则后级的所有数字信号上就都带上了扩频,因此是在消费类的高速数字总线上普遍使用的一种控制EMI的方式。


SSC技术本质上是对数字系统的时钟进行轻微的调频。

下图是一个带扩频时钟的信号的例子,图中上面部分是一个原始的带SSC调制的1GHz的时钟波形,下面部分是我们借助相应的分析软件解析出的被测信号频率随时间的变化波形。从图中我们可以看到,被测信号的频率随着时间有明显周期性的变化。

01


采用了SSC技术后可以大大减小系统EMI辐射的峰值。

在做系统级的EMI测试时很多辐射的的峰值出现在系统工作时钟的整数倍的频点上,采用SSC技术后可以降低辐射的峰值。从下图的频谱中我们可以看到,对于同一个1GHz的时钟信号来说,采用扩频时钟技术后信号的辐射分布在更宽的一个频带内,信号辐射的峰值能量相对于没有采用扩频时钟技术时可以下降10多个dB。

02


采用SSC技术时需要考虑以下几个因素对于数字系统的影响:

 SSC的调制深度:

调制深度是指对信号进行调频时被调制信号的频率变化范围。调制深度过浅,对于辐射的改善情况有限;调制深度过深则时钟的频率被拉偏比较多,对于系统中晶振、PLL的要求过高。一般SSC的调制深度在工作频率的0.1%~1%左右,PCI-E、DP、SATA、USB3.0等很多总线采用的都是下展频的方式,允许的最大调制深度是-0.5%。采用下展频的好处是打开SSC调制后系统实际的工作频率永远在标称频率之下,上图所示就是个下展频的例子。

 SSC的调制频率:

SSC的调制频率反映的是被调制信号频率变化的快慢。如果调制频率太快,后级的PLL电路可能会跟踪不上;而如果调制频率太慢,则可能会产生一些额外的音频噪声。典型使用的SSC的调制频率在30k~33kHz左右。

 SSC的调制波形:

调制波形是指被调制信号的频率随时间的变化波形,调制波形可以是正弦波、锯齿波或三角波。三角波的调制方式由于实现简单,调制后信号的频谱接近均匀分布,因此很多总线的扩频时钟都采用的是三角波的调制波形。


一般情况下滤波、屏蔽、以及SSC等几种控制EMI的技术会结合起来实现更好的EMI控制,比如用SSC方法控制数字电路的辐射,用屏蔽的方法控制射频电路、电源电路以及整机的辐射,用滤波的方法控制对外的输入输出接口的辐射等。


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