信号完整性基础系列之十二

信号完整性基础系列之十二——扩频时钟（SSC）及其测量方法汪进进美国力科公司深圳代表处扩频时钟(SSC)就是频率按一定规律变化的时钟。SSC是英文SpreadSpectrumClocking的简称，在PC和通信行业都有广泛应用。根据傅立叶变换原理，固定频率的时钟，其频谱能量集中在基波频率上，不易通过FCC，CISPR，VDE等认证，而频率变化的时钟，其频谱能量被分散在一定频谱范围上，峰值能量能减小2-18dB，如图一所示。扩频方法在通信行业被用做一种信号编码的方法，这种方法原理上具有减小EMI的优势，所谓CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）手机辐射小就是这个道理，因此电信运营商将CDMA称为“绿色通信”。扩频之后频谱的总能量没有减少，但由于FCC等规定的是电子设备发射的最大EMI不能超标，如图二所示，所以说SSC是降低EMI的有效方法。虽然EMI的减少可通过PCB布线，滤波，屏蔽等多种手段，但现在新的FFC要求PC主板能“开箱”通过EMI测试，通过外壳屏蔽的方法已不能满足这种要求，SSC成了降低EMI的必要手段。现在的主板芯片供应商都会支持芯片的扩频时钟功能。PCI-E,SATA,SAS,等几乎所有的高速芯片都支持SSC。当前热门的USB3.0一致性测试中更是特别强调了SSC的测量。图一SSC带来的频谱变化图二FCC的规定EMI的减少量和频率变化的调制程度有关。频率变化范围越大，EMI降低越大。但频率变化范围太大又会使PC系统时序设计带来困难。在Intel的Pentium?4处理器中，建议这种频率变化要小于时钟频率的0.8%。对于100MHz的时钟，如果按±0.8%来调制，频率的摆动范围就是99.2MHz-100.8MHz。但是如果要设计一个100MHz作为参考时钟的系统，调制后时钟频率工作到100.8MHz时，处理器可能会工作到超出额定频率，带来不可预知的问题，所以在实际系统中，一般都采用负向调制以保证总线时序上的最小周期要求。如图二所示，SSC的频率在和之间调制。图三SSC调制方式SSC的调制频率通常都选择大于30KHz（大于音频带宽）,即图三中的fm大于30KHz。SSC的调制方式也有很多种，目前主要有三种。如图三所示。最简单的三角波形调制方式并不是能量分散的最好方式。有些公司声称其开发的专利方式能比竞争对手的减小EMI多2-3dB。图三中按最优化的调制方法的EMI效果最好。这种最优化的方式正是按图三的方式调制的，波形比较复杂，频率变化过程精确控制。图四不同的调制方式得到不同频谱效果芯片的SSC功能是可以通过软件控制使能的。示波器的FFT分析也能够很容易看出当前工作状态有无SSC。图五为对SATA信号的FFT分析结果，能明显看到SSC能有效分散EMI的峰值能量。图五蓝色表示没有SSC的频谱，红色表示有SSC的频谱力科示波器的抖动追踪功能可以方便地在时域上观察SSC的调制频率和调制深度，观察调制波形的形状，并且能够测量追踪后的调制波形的幅值和频率来确认SSC工作是否正常。所谓抖动追踪功能，就是测量波形的每个周期的参数，并将此参数数值作为对应的每个周期的垂直轴从而分析出参数的变化过程，如图六所示。该功能是力科公司在1997年发明的，至今力科示波器仍保持这个功能方面的领先性。该功能的详情将参看我们之前的文章.图六抖动追踪功能的实现原理抖动追踪功能的具体操作步骤有五步，图七所示为前四个操作步骤。步骤1，选择频率测量参数;步骤2，将信号输入设置为Data;步骤3，自动查找中心频率;步骤4，跟踪频率参数。图七通过抖动功能测量SSC的操作步骤图八利用频率追踪功能观察和测量SSC跟踪频率后得到的波形如图八中的F3（中间的蓝色波形）所示，然后我们要进行步骤5：对频率追踪后的波形进行滤波，最终得到F8（下面的绿色波形）。力科示波器在抖动追踪方面的优势是：即使在捕获20Mpts的数据样本时的抖动追踪结果还是实时的、动态的，有非常好的刷新速度，而其它品牌示波器的显示结果则是离线的，在1Mpts时的速度就非常非常慢，在20Mpts的时候通常会死机。对追踪后的波形测量频率（P2），最大值（P3），最小值（P4），峰峰值（P5），对应为前面提到的SSC的fm,等参数。使用一阶的FCGoldenPLL测量带有SSC的SATA眼图结果如图九左图所示，眼图必然会碰到模板，一阶PLL不能跟踪SSC带来的频率变化。采用二阶PLL测量出的眼图结果如右图所示，这使得在有SSC时能测量出有意义的眼图结果。有些芯片不能关闭SSC功能，那么这时候采用二阶PLL的方式仍然能判断出信号的质量。所以在有SSC时要注意串行数据眼图的PLL设置。图九有SSC时PLL设置对测量眼图的影响参考文献：SpreadAware，CypressSemiconductorCorporationEMISuppressionTechniqueswithSpreadSpectrumFrequencyTimingGenerator(SSFTG)ICs，CypressSemiconductorCorporation3，Intel?Pentium?4Processorinthe423-pinpackageEMIGuideline，IntelCorporation