SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘概述和主要參數(shù)

一、SSC概述

1）SSC英文全稱：Spread Spectrum Clocking，中文名擴(kuò)頻時(shí)鐘。

2）SSC目的：為了降低與信號(hào)基頻相關(guān)（包含信號(hào)本身以及諧波）的EMI（Electromagnetic interference）輻射，以減少系統(tǒng)之間的干擾。

3）SSC手段：通過(guò)一個(gè)較低的頻率來(lái)調(diào)制信號(hào)，使得信號(hào)的頻譜在基頻附近被擴(kuò)展，窄帶的周期信號(hào)被擴(kuò)展為寬帶信號(hào)，且信號(hào)基頻和諧波的峰值能量顯著降低。

4）SSC缺點(diǎn)：擴(kuò)頻信號(hào)比未擴(kuò)頻信號(hào)增加了抖動(dòng)。

5）SSC應(yīng)用：廣泛用于微處理器、PCIe、USB等時(shí)鐘。

二、SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘主要參數(shù)

1）擴(kuò)展率δ：頻率擴(kuò)展變化的范圍Δf與原CLK頻率(fc)的比值，一方面，頻率變化范圍越大，其能量分布就越寬，EMI抑制能力會(huì)越強(qiáng)，但因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)于輸入時(shí)鐘有一定的頻率范圍要求，因此擴(kuò)展率不宜過(guò)大，否則會(huì)使得實(shí)際時(shí)鐘超過(guò)系統(tǒng)額定頻率，一般δ在0.5%~2.5%之間；

2）擴(kuò)頻類型：向下擴(kuò)頻、中心擴(kuò)頻或向上擴(kuò)頻，一般選擇向下擴(kuò)頻，偶爾使用中心擴(kuò)頻；

向下擴(kuò)頻up spreading: δ = -Δf /fc x 100%，擴(kuò)頻的頻率變化范圍≤基準(zhǔn)頻率，其最大頻率等于基準(zhǔn)頻率；

中心擴(kuò)頻center spreading: δ = ±1/2Δf/fc x 100%，擴(kuò)頻的頻率變化范圍圍繞基準(zhǔn)頻率變化，其中間頻率等于基準(zhǔn)頻率；

向上擴(kuò)頻down spreading: δ = Δf/fc x 100%，擴(kuò)頻的頻率變化范圍≥基準(zhǔn)頻率，其最大頻率等于基準(zhǔn)頻率；

3）調(diào)制率fm：用于確定擴(kuò)展時(shí)鐘頻率變化的周期/變化速度，在該周期內(nèi)CLK頻率變化Δf 并返回到初始頻率fc，通常情況下調(diào)制率選擇33KHz。

4）調(diào)制波形：代表擴(kuò)展時(shí)鐘頻率隨時(shí)間的變化曲線，可以為正弦波、三角波、非線性的Hershey kiss波等。

總結(jié)：如上圖所示，擴(kuò)展率表征擴(kuò)頻時(shí)鐘的頻率變化范圍；擴(kuò)頻類型表征擴(kuò)頻時(shí)鐘的頻率是往小了變化，還是往大了變化；調(diào)制率表征擴(kuò)頻時(shí)鐘頻率變化的速度，多長(zhǎng)時(shí)間從擴(kuò)頻時(shí)鐘的頻率最小變?yōu)樽畲螅徽{(diào)制波形表示擴(kuò)頻時(shí)鐘的頻率變化不一定是線性的，可以是正弦波等非線性方式。

三、SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘抑制EMI示意

1）無(wú)擴(kuò)頻信號(hào)-100MHz方波

如上圖所示，100MHz的方波其功率在0.5dBm，高功率的載波信號(hào)會(huì)導(dǎo)致輻射發(fā)送和電磁干擾，如果該信號(hào)的平衡或者端接匹配未做好，將進(jìn)一步導(dǎo)致干擾加大。

對(duì)于降低EMI，通常做法比如修改局部電路，增加濾波、或者通過(guò)修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加接地屏蔽等，這些方法主要通過(guò)改變或者切斷輻射的路徑來(lái)降低，這些方法也會(huì)帶來(lái)額外的成本開(kāi)銷(xiāo)，擴(kuò)頻SSC技術(shù)是一種相對(duì)廉價(jià)的解決方案，其思路是用較寬頻上較低功耗的頻譜來(lái)替代較窄頻帶上較高功耗的頻譜，從而實(shí)現(xiàn)從能量源頭進(jìn)行解決。

通過(guò)對(duì)該100MHz的方波進(jìn)行擴(kuò)頻，選用的擴(kuò)頻率δ為0.5%，選用的擴(kuò)頻類型為向下擴(kuò)頻，選擇的擴(kuò)頻調(diào)制率為33KHz，選用的調(diào)制波形為三角波，則其頻譜如上圖。

與原始信號(hào)相比，未加SSC時(shí)，信號(hào)能量非常集中，幅度較大，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)能量的整體幅度也明顯降低，大約降低10dBm左右，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。

四、SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘應(yīng)用

SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘在PCIe設(shè)備中應(yīng)用廣泛，但需要注意下，PCIe的時(shí)鐘架構(gòu)一般分為Common Clock Architecture（同源）、Separate Clock Architecture（獨(dú)立）、Data Clock Architecture（數(shù)據(jù)），其中Data Clock Architecture用的較少，只有PCIe Gen2和Gen3支持。

同源時(shí)鐘應(yīng)用較為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)即其對(duì)時(shí)鐘的要求稍微低點(diǎn)，能夠支持SSC擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用，從而降低EMI；其缺點(diǎn)，其要求時(shí)鐘到各個(gè)PCIe設(shè)備的時(shí)鐘偏差小于12ns,這對(duì)于大背板應(yīng)用存在困難。

獨(dú)立時(shí)鐘應(yīng)用也蠻多，其優(yōu)點(diǎn)即應(yīng)用方便，時(shí)鐘不需要跨連接器和背板等；其缺點(diǎn)，對(duì)時(shí)鐘要求較高，一般不支持SSC擴(kuò)頻，畢竟當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)被擴(kuò)頻后，其實(shí)際信號(hào)相當(dāng)于在原始信號(hào)上增加了抖動(dòng)，這個(gè)量級(jí)的抖動(dòng)對(duì)接收端時(shí)鐘的恢復(fù)有時(shí)會(huì)有較大困難。

五、SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘缺點(diǎn)

SSC會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的頻率產(chǎn)生波動(dòng)，相當(dāng)于在原始信號(hào)上增加了抖動(dòng)，因此從示波器看，如果以某一個(gè)邊沿進(jìn)行采樣基準(zhǔn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其他波形的邊沿會(huì)左右變化，累加波形余暉顯示很粗的其他波形邊沿。