扩频时钟技术分享：SSC技术是什么、SSC对测试高速总线信号的影响

扩频时钟，全称Spread Spectrum Clocking。当前PCIE、SATA、SAS、USB3.0等几乎所有的高速芯片都支持SSC的功能。我们在日常的测试中也会经常接触到SSC，包括在测试高速信号的速率时，我们会发现信号的比特率并不是稳定在一个数值而是在一个很小的范围内浮动；在一些总线的一致性测试中也有规范SSC测试的参数。

所以本篇文章就从为什么要使用SSC技术、SSC技术是什么、SSC对测试高速总线信号的影响和如何使用示波器来对SSC进行分析这几个方面来进行分享。

No.1

为什么要在高速总线中使用SSC技术

目的就是为了降低EMI辐射，使用频率变化的时钟，可以让信号的频谱能量被分散在一定频谱范围上，峰值能量能减小2-18dB。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，频率变化范围越大，EMI抑制量越大，这样信号的 EMI 辐射发射就将会得到非常有效的抑制。

图1 扩频前后的信号频谱示意图

No.2

SSC技术是什么

类似于扩频通信，扩频时钟也是用一个较低的频率调制系统时钟，使得窄带的周期性系统时钟被有意扩展为宽带，基频和谐波所包含的峰值能量显著降低，在频域上的表现是产生一个具有边带谐波的频谱。扩频时钟一般有如下参数：扩频类型、扩展率、调制率和调制波形。

扩频类型：有三种分别是向下扩频、中心扩频或向上扩频，由于中心和向上扩频都会产生超过系统时钟的频率，会对系统造成影响，所以一般向下扩频用的最为广泛。

扩展率：是频率抖动（或扩展）范围与原CLK频率（fc）的比值。虽然高扩展率加强了对EMI的衰减程度，但是也可能会超过系统最大额定频率或低于平均频率而影响系统性能，一般扩展频率在0.5%~2.5%之间。

调制率fm：用于确定CLK频率扩展周期率，在该周期内CLK频率变化Δf 并返回到初始频率。一般来说频谱调制速率较低，可以实现频率平滑调制，减少调制后的时钟周期的抖动参数。因此当系统对时钟周期抖动参数较敏感时，降低调制速率是一种有效的设计手段。虽然通过减小频谱调制速率可以降低调制时钟源的时钟周期抖动，但是仍然会引入一定的附加的时钟周期抖动，在有些电路设计中会最终导致系统出错。

图2 扩频类型示意图

调制波形：代表CLK频率随时间的变化曲线，通常为三角波和非线性的Hershey Kiss波形。相比三角波，Hershey Kiss在扩频后频域中能提供最佳的平坦度和最大的衰减幅度。Hershey Kiss波形在时域上和好时巧克力的形状也是一样的。

图3 调制波形示意图

No.3

SSC对测试高速总线信号的影响

SSC扩频时钟其实可以看成是一种人为引入的一种具有确定周期的有界固有抖动，扩频时钟其实是会改变信号的传输速率的，所以带有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，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测量眼图，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。

No.4

如何使用示波器来对SSC进行分析

我们已经知晓了SSC的一些关键参数，下面我将会介绍如何使用力科示波器的各种功能来从原始波形中得到扩频时钟的波形。

我们就以USB3.2的CP0为例，这里我导入的波形是Gen1_EyeJitterCP0的n和p，如图4所示。

图4 Gen1_EyeJitterCP0_p_(0)和Gen1_EyeJitterCP0_n_(0)示意图

首先我们对导入的两个波形进行math的差分运算结果储存在F1中。然后我们再对F1通道去做frequency @ level运算，并且输入类型选择data，如图5所示。

图5 frequency@level运算示意图

再对frequency@level做track追踪，如图6所示，还可以注意到中心频率。我们已经可以看到他有一个低频的包络，这其实就是我们ssc扩频时钟信号，我们只要再通过滤波器或者对曲线的平均就可以得到最终的ssc信号，也就是前边介绍的时间——频率曲线。

图6 track追踪示意图

再对track曲线进行滤波或平均，如图7所示，这就是我们最终得到的ssc曲线，可以看到扩频时钟的频率是31.889kHz,调制方式是三角波调制，方式是下扩频，峰峰值为25MHz，调制系数为0.5%。

图7 最终提取出的ssc示意图

当然也可以使用功能更加强大使用起来更加便捷的Clock Expert选件来进一键SSC提取和其他的全面时钟分析功能，如图8所示。

图8 选件Clock Expert界面示意图

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