擴(kuò)頻時(shí)鐘技術(shù)分享
擴(kuò)頻時(shí)鐘，全稱Spread Spectrum Clocking。當(dāng)前PCIE、SATA、SAS、USB3.0等幾乎所有的高速芯片都支持SSC的功能。我們在日常的測試中也會(huì)經(jīng)常接觸到SSC，包括在測試高速信號(hào)的速率時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)的比特率并不是穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值而是在一個(gè)很小的范圍內(nèi)浮動(dòng)；在一些總線的一致性測試中也有規(guī)范SSC測試的參數(shù)。
所以本篇文章就從為什么要使用SSC技術(shù)、SSC技術(shù)是什么、SSC對測試高速總線信號(hào)的影響和如何使用示波器來對SSC進(jìn)行分析這幾個(gè)方面來進(jìn)行分享。
No.1
為什么要在高速總線中使用SSC技術(shù)
目的就是為了降低EMI輻射，使用頻率變化的時(shí)鐘，可以讓信號(hào)的頻譜能量被分散在一定頻譜范圍上，峰值能量能減小2-18dB。未加SSC時(shí)，信號(hào)的能量非常集中，且幅度很大；而加了SSC后，信號(hào)能量被分散到一個(gè)頻帶范圍以內(nèi)，信號(hào)能量的整體幅度也有明顯降低，頻率變化范圍越大，EMI抑制量越大，這樣信號(hào)的 EMI 輻射發(fā)射就將會(huì)得到非常有效的抑制。
圖1 擴(kuò)頻前后的信號(hào)頻譜示意圖
No.2
SSC技術(shù)是什么
類似于擴(kuò)頻通信，擴(kuò)頻時(shí)鐘也是用一個(gè)較低的頻率調(diào)制系統(tǒng)時(shí)鐘，使得窄帶的周期性系統(tǒng)時(shí)鐘被有意擴(kuò)展為寬帶，基頻和諧波所包含的峰值能量顯著降低，在頻域上的表現(xiàn)是產(chǎn)生一個(gè)具有邊帶諧波的頻譜。擴(kuò)頻時(shí)鐘一般有如下參數(shù)：擴(kuò)頻類型、擴(kuò)展率、調(diào)制率和調(diào)制波形。
擴(kuò)頻類型：有三種分別是向下擴(kuò)頻、中心擴(kuò)頻或向上擴(kuò)頻，由于中心和向上擴(kuò)頻都會(huì)產(chǎn)生超過系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率，會(huì)對系統(tǒng)造成影響，所以一般向下擴(kuò)頻用的最為廣泛。
擴(kuò)展率：是頻率抖動(dòng)（或擴(kuò)展）范圍與原CLK頻率（fc）的比值。雖然高擴(kuò)展率加強(qiáng)了對EMI的衰減程度，但是也可能會(huì)超過系統(tǒng)最大額定頻率或低于平均頻率而影響系統(tǒng)性能，一般擴(kuò)展頻率在0.5%~2.5%之間。
調(diào)制率fm：用于確定CLK頻率擴(kuò)展周期率，在該周期內(nèi)CLK頻率變化Δf 并返回到初始頻率。一般來說頻譜調(diào)制速率較低，可以實(shí)現(xiàn)頻率平滑調(diào)制，減少調(diào)制后的時(shí)鐘周期的抖動(dòng)參數(shù)。因此當(dāng)系統(tǒng)對時(shí)鐘周期抖動(dòng)參數(shù)較敏感時(shí)，降低調(diào)制速率是一種有效的設(shè)計(jì)手段。雖然通過減小頻譜調(diào)制速率可以降低調(diào)制時(shí)鐘源的時(shí)鐘周期抖動(dòng)，但是仍然會(huì)引入一定的附加的時(shí)鐘周期抖動(dòng)，在有些電路設(shè)計(jì)中會(huì)最終導(dǎo)致系統(tǒng)出錯(cuò)。
圖2 擴(kuò)頻類型示意圖
圖3 調(diào)制波形示意圖
No.3
SSC對測試高速總線信號(hào)的影響
SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘其實(shí)可以看成是一種人為引入的一種具有確定周期的有界固有抖動(dòng)，擴(kuò)頻時(shí)鐘其實(shí)是會(huì)改變信號(hào)的傳輸速率的，所以帶有SSC（擴(kuò)頻時(shí)鐘）的串行數(shù)據(jù)的眼圖測量SSC的使用會(huì)影響到串行數(shù)據(jù)眼圖的測量效果，因此在進(jìn)行信號(hào)眼圖測量驗(yàn)證時(shí)需要選擇合適的鎖相環(huán)。
如使用一階的FC Golden PLL測量帶有SSC的SATA眼圖，眼圖觸碰到了信號(hào)模板，這是由于一階PLL不能跟蹤SSC帶來的頻率變化。采用二階PLL測量眼圖，這使得在有SSC時(shí)能測量出有意義的眼圖結(jié)果。有些芯片不能關(guān)閉SSC功能，那么這時(shí)候采用二階PLL的方式仍然能判斷出信號(hào)的質(zhì)量。所以在有SSC時(shí)要注意串行數(shù)據(jù)眼圖的PLL設(shè)置。
No.4
如何使用示波器來對SSC進(jìn)行分析
我們已經(jīng)知曉了SSC的一些關(guān)鍵參數(shù)，下面我將會(huì)介紹如何使用力科示波器的各種功能來從原始波形中得到擴(kuò)頻時(shí)鐘的波形。
再對frequency@level做track追蹤，如圖6所示，還可以注意到中心頻率。我們已經(jīng)可以看到他有一個(gè)低頻的包絡(luò)，這其實(shí)就是我們ssc擴(kuò)頻時(shí)鐘信號(hào)，我們只要再通過濾波器或者對曲線的平均就可以得到最終的ssc信號(hào)，也就是前邊介紹的時(shí)間——頻率曲線。
圖7 最終提取出的ssc示意圖
當(dāng)然也可以使用功能更加強(qiáng)大使用起來更加便捷的Clock Expert選件來進(jìn)一鍵SSC提取和其他的全面時(shí)鐘分析功能，如圖8所示。
圖8 選件Clock Expert界面示意圖