扩频时钟（SSC）概念以及Lattice FPGA对扩频时钟的支持

发表于 2019/6/8 16:19:13 阅读（10923）

由于FCC、IEC等规定电子产品的EMI辐射不能超出一定的标准。因此电路设计者需要从多个角度来思考如何降低系统的EMI辐射，如进行合理的PCB布线、滤波、屏蔽等。由于信号的辐射主要是由于信号的能量过于集中在其载波频率位置，导致信号的能量在某一频点位置处的产生过大的辐射发射。因此为了进一步有效的降低EMI辐射，芯片厂家在设计芯片时也给容易产生EMI的信号增加了SSC（Spread Spectrum Clocking）即扩频时钟的功能，采用SSC的功能可以有效的降低信号所产生的EMI。

EMI一直是高速系统设计的难点，在传统设计中，主要通过滤波、接地、屏蔽等方法来减小EMI辐射，这些方法都是通过改变/切断EMI辐射路径来达到减小EMI辐射的目的，往往设计成本比较高，另外还有一种更好的治本方法，那就是在EMI源头上做文章，减小EMI的产生，SSC技术就是其中一种。学过信号与系统课程的同学都知道，对于固定频率的时钟，所有能量都集中在其基频上，其频谱很窄，但幅度很高，对外辐射能量很大，而对于频率变化的时钟，其能量会分散在一定频率范围上。

当前PCIE、SATA、SAS、USB3.0等几乎所有的高速协议都支持SSC的功能。本文就将SSC的基本概念、SSC的测试测量方法做一介绍。

一、SSC（扩频时钟）的概念

如下图1所示为一信号在是否具有SSC前后的频谱对比。图中蓝色曲线为没有SSC时候的频谱，浅色的为具有SSC时的频谱。从图中可见，未加SSC时，信号的能量非常集中，且幅度很大；而加了SSC后，信号能量被分散到一个频带范围以内，信号能量的整体幅度也有明显降低，这样信号的EMI辐射发射就将会得到非常有效的抑制。这就是通过使用SSC扩频时钟的方法抑制EMI辐射的基本原理。

使用SSC的方法能在多大程度上抑制EMI辐射和调制后信号能量在多宽频率范围内变化有关，频率变化范围越大，EMI抑制量越大。但这两者需要一个权衡，因为频率变化范围太大会使系统的时序设计带来困难。在Intel的Pentium4处理器中建议此频率变化范围要小于时钟频率的0.8%，如对于 100MHZ的时钟，如果按照+/-0.8%来调制的话，频率的变化范围就是99.2MHZ-100.8MHZ。而对于100MHZ参考时钟的系统工作到 100.8MHZ，可能会导致处理器超出额定工作频率，带来其它系统工作问题。因此在实际系统工作中一般都采用负向调制（downspeading）以保证时序上的最小周期要求，因此图1中的具有SSC的信号能量变化范围主要集中在信号载频的左侧。当前高速串行数据中比较常用的SSC频率为30KHZ、变调深度为0.5%。为了保证 SSC处在规定的工作范围以内，对SSC的测试是非常重要的。

图1 SSC扩频时钟的图示（使用SSC之后的波形颜色有点太浅了）

二、SSC（扩频时钟）对信号的影响

SSC会导致信号的频率产生波动。如果以信号的某一个边沿为参考基准，无限的累加波形数据，则应可以观察到因频率的变化而导致的波形边沿位置的变化。如下图2所示的上侧波形为一串行数据的模拟余辉显示，从余辉图中可见，信号边沿随着时间的变化呈现不同程度的变化。图2所示的下侧波形为对上侧模拟余辉波形做水平余辉直方图的结果（F4=Phistogram(F1)），通过直方图的方法将频率的变化反应到纵轴上，可以进一步更加明显的看出信号边沿的变化情况。

图2 频率波动对信号边沿位置的影响（有SSC）

图3 频率波动对信号边沿位置的影响（无SSC）

图4频率波动对信号边沿位置的影响（有SSC）放大后的图示（时基起始点为-75ns）

图5频率波动对信号边沿位置的影响（无SSC）放大后的图示（时基起始点为-75ns）

从上图所示，带有SSC的余辉直方图逐渐呈现三角形的变化，而没有SSC时则理论上应趋于高斯分布。

三、SSC（扩频时钟）的测量

示波器中一般集成了两种常用的方法用于测量SSC。

一种是利用示波器中的抖动追踪（track）功能可以很方便的观察和分析信号中的SSC的频率、调制深度等参数，如下图6所示，F1为1Gbps的信号波形，F2为对F1波形频率的追踪，F3是对F2波形的滤波；另外一种是直接利用示波器中的SSCTrack函数分析功能，如下图6中的F5是直接用示波器中的函数SSCTrack功能进行SSC波形追踪的结果，此功能和对频率进行追踪的功能很类似，相当于将频率追踪、滤波的功能集成到一起，因此 F5的运算对象是数据波形F1，且该功能还将信号的频率1GHZ作为一个基准，因而测量得到最大频率和最小频率分别为467.8KHZ和 -4.5058MHZ(用第一种的Track功能测得的值为1.000039 GHZ和995.351 MHZ)，调频宽度为4.9736MHZ（变调深度为 0.49736%）。SSC扩频时钟的频率约为30.39KHZ。

图6 SSC扩频时钟的测试

由于SSC波形的频率比较低，约为30KHZ（周期约为33.3us），因此对采集多大的数据量进行分析有一定的要求，如测试中一屏幕采集5个SSC波形周期的话，则总的采集时间长度约为200us，如果设置示波器采样率为20GS/S，那么则需要采集至少4M(200us/50ps)的数据量。

上述提到的Track功能是指某一参数（如本例中的频率）的变化范围表示在纵轴上，由于这一参数是随着时间的变化而变化的，因此通过Track图可以观察到参数随着时间的变化情况，具体可参见示波器的相关的介绍文档。

四、带有SSC（扩频时钟）的串行数据的眼图测量

SSC的使用会影响到串行数据眼图的测量效果，因此在进行信号眼图测量验证时需要选择合适的锁相环。如使用一阶的FC Golden PLL测量带有SSC的SATA眼图结果如图7左图所示，眼图触碰到了信号模板，这是由于一阶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图7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。