时钟扩频 (Spread Spectrum Clock,SSC)的数字应用

来源:技术在线
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       在电子电路的世界中,只要有电子信号的存在,就必然会造成电磁干扰(Electromagnetic Interference , EMI),过大的EMI不仅仅会造成对其他邻近的电子装置产生影响,更甚者有可能会影响人体的健康,因此,在一些国际电信协会如美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission, FCC)等都有明确定义出电子产品在EMI上的相关法规。此外,随着各种传输界面速度的提升,EMI的效应也日益明显,逐渐成为电路设计上不可忽略的因素,因此,如何降低EMI对于工程师来说一直是一个重要的议题。

       在电路上降低EMI通常都是利用屏蔽技术(Shielding),即在电路外多加一层接地金属,通过金属吸收导地的方式来降低EMI效应。这种技术虽然相当有效,但在实际运用上,却往往会增加电路板面积、重量以及成本,在现今电子产品追求轻薄短小的主流中,并不是一个合适的选择方案。此外,也有通过使用RLC元件滤波器来降低Rise/Fall time的方式来降低EMI。此种方式虽然也可有效降低EMI,但同时也会影响到信号完整性,造成信号眼图闭合,造成接收端难以辨别信号,导致0与1误判,进而造成位元错误率的攀升。

       因此,在现今高速串列信号中,如PCI-E、SATA、USB3.0、DisplayPort等,……通常会利用时钟扩频(Spread Spectrum Clock, SSC)的方式来降低EMI。

       那到底什么是时钟扩频(Spread Spectrum Clock, SSC)呢?其实时钟扩频就是一种频率调变的延伸,经由一个周期性调变信号(通常都是三角波),改变信号的频率,便能够有效地将原本集中在某个频率的能量,分散到附近频带,藉此降低EMI,如图(一)所示,左图为时域调变信号,fnorm代表未调变前信号的频率,δ为频率变化量,调变过后的信号频率会在fnorm及(1-δ) fnorm间变化。右图则是频域上的变化,我们可以看到经过扩频后,频谱由原本波峰的位置向左边分散。fm则为调变频率,一般使用30~33kHz,避免对原本信号造成太大影响。


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       由于美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission, FCC)定义EMI的规范是在特定频段内峰值能量(Peak power)不能超过规范值,通过这个方式,我们可以有效的降低EMI。
       此外,扩频的方式还有分三种,分别为向上扩频、向下扩频、中心扩频,其差异是在于频率变化的方向,如图(一)即为SATA Gen3 spec所规范的向下扩频,其传输率为6Gbps、假设频率变化量为-0.5%的话,我们即可看到传输率在6Gbps~5.97Gbps变化。

       但是对于接收端来说,SSC会是一个类似周期性抖动的效应,如图(二),蓝色虚线为接收端判断位准的位置,黑色虚线为阀值,如果频率变动过大,我们会看到第二个位元在发射端原本位准为0,却因为频率变动过大,导致信号在接收端被误判为1,进而导致位元错误率上升,这并不是我们所乐见的。



       因此,在一些实际应用上如PCI-E、SATA、USB3.0、DisplayPort,调变频率及频率变化的程度都不会太大,以避免上述的情况发生。此外,上述四种应用,除了都采用向下扩频以外。Modulation rate都是30kHz~33kHz,SSC deviation为-5000ppm。相较于上述的应用,其调变频率远小于资料传输率,而且频率变化的幅度 也仅有-0.5%,再加上接收端CDR(Clock Data Recovery)都是采用锁相回路PLL,能锁住低频率的抖动,更降低了SSC对接收端造成的负担。

       也由于SSC能有效降低EMI的重要性,PCI-E、SATA、USB3.0、DisplayPort等应用在测试规范都有要求研发者测试Modulation rate及SSC deviation这两个SSC相关参数,测试仪器为高频宽示波器,如Agilent DSA91304A。此外,Agilent也有推出对应各种应用的自动化测试软件如U7243A USB 3.0 Compliance Test Software 自动化测试软件,能够协助客户自动量测测试规范所要求的所有的测试项目。此外,由于SSC可以看成是一种周期性抖动,因此也可以通过Jitter分析软件如Agilent N5400A EZJIT+来进行分析,图(三)为USB3.0 test pattern CP1通过EZJIT+还原出SSC调变波形。
       图(四)与图(五)为USB 3.0 specification说明SSC相关参数及周期性三角波调变信号的图示。其中UI=1/5G bps=200 ps;为一个位元的传输时间。SSC Deviation为-5000ppm,代表变化量约为1 ps; Modulation rate为30~33kHz,代表经过SSC调变后,信号UI会在200 ps到201 ps之间做变化,变化的时间相对于UI更为缓慢,约为33.3μs(由33kHz的倒数所求出)。对照图(三)我们可以了解到经由量测调变信号周期性三角波的频率,就可以得到Modulation rate;量测三角波的频率Vpp,就可以得到SSC deviation。



       下表为Agilent U7243A所量测出来USB3.0 SSC的相关测试项目报告,另外,在spec有提到 accuracy为+/- 300ppm,因此,实际测试规范示意如图(六) ,明确解释出U7243A 的三个测试项目:min SSC deviation、max SSC deviation、SSC Modulation Rate pass limit 与specification的对应关系如下:



       PCI-E、DisplayPort、SATA同样采用向下扩频-5000ppm,30kHz< Modulation rate<33kHz,比较不同的是accuracy的部分,PCI-E、DisplayPort与USB3.0相同为+/-300ppm。SATA的accuracy较为宽松,为+/- 350ppm。(安盟科技(浩网集团)技术应用工程师 陈俊甫(Jeff Chen) 供稿)

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