This paper understands how spread spectrum technology handles the radiation of clock signal
Time:2022-01-23
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“展頻技術經常用于解決輻射問題,比如我們前面說的音頻功放,需要接LC濾波器。就有的廠家通過展頻技術,推出不需要LC濾波器的IC,比如下面這個。
先前我們說了說:為什么時鐘信號比數據信號更容易引起輻射超標?
為什么時鐘信號比數據信號更容易引起輻射超標?
并且做了試驗,如果認真看過的話,就會明白,周期性的信號是窄帶頻譜,特定的頻率的幅值會很高,這對認證測試來說非常的不利。而一般時鐘信號都是周期信號,這在電路中是少不了的。有沒有什么辦法,改造下時鐘的頻譜,同時又不影響功能呢?
答案是有的,那就是展頻技術。
展頻技術的應用
展頻技術經常用于解決輻射問題,比如我們前面說的音頻功放,需要接LC濾波器。就有的廠家通過展頻技術,推出不需要LC濾波器的IC,比如下面這個
還有專門的展頻時鐘芯片,用于降低EMI。
那么問題來了,展頻怎么就能解決輻射問題呢?
如何展頻
展頻,通常理解,就是將窄帶頻譜擴展為寬帶頻譜,讓能量不集中到某一個頻率點,將能量分散到多個頻率點。
我們知道,時鐘信號通常都是周期信號,它的頻譜就是窄帶的,能量集中。要想將它的頻譜進行擴寬,那肯定要對時鐘信號進行改造,如何改造呢?
原本的時鐘信號每個周期都是一樣的,周期時間長度也一樣,為Tclk。我們可以對其進行微調,比如先將每個時鐘周期比上一個時鐘周期的時間加長一點點,累計n個周期之后,再將每個時鐘周期比上一個時鐘周期縮短一點點,再累計n個周期,如此循環(huán)。
這樣時間一定的話,包含總的時鐘周期的個數是不變的,但是里面的時鐘信號的每個周期都是不一樣的,如下圖。
從上面的描述可以看到,會有幾個參數。
一個是調制速度:就是完成一次循環(huán)的時間,也就是2n*Tclk,這個時間的倒數就是調制速度對應的調制頻率。
一個是調制深度:調制后,會有最長的時鐘周期,也有最短的時鐘周期,它們相對原始周期長度有一個差值,這個差值除以原來的時鐘周期,就是調制深度,是個百分數。
還有一個是調制方式:前說的是時鐘周期長度線性增加或者減小,這種方式叫線性調制方式,線性調制方式如下所示:
在中間虛線位置時,時鐘的周期不變,也就是頻率不變。在三角波頂端時,時鐘周期變到最小,也就是頻率變到最大,為f+△f。
這個三角波的頻率就是調制速度,它一般遠小于時鐘頻率,在30Khz-60Khz左右。
調制深度就對應△f,一般實際變化量很小,小于3%。
現在我們知道了展頻之后的信號是什么樣的,那么它真的能將窄帶頻譜變?yōu)閷拵ьl譜嗎?我們下面畫出它的頻譜。
展頻后的頻譜
1、為了減小計算量(量大電腦內存不夠用),我們讓時鐘的頻率為1,調制速度為時鐘的千分之一,即0．001Hz,調制深度為2%。
2、為了更為清楚的看到展頻之后的頻譜,我們對1Hz基頻來個特寫。
調制之前1Hz的幅度是0．63,調制之后最高幅度為0．15。如果db來表示,那么就是降低了20log(0．63/0．15)=12．7dB。
3、上圖對應的是調制深度為2%,我們降低調制深度為1%,再來看看頻譜。
調制深度為1%的頻譜幅度最高為0．2,如果用db來表示,那么就是降低了20log(0．63/0．2)=9．96dB。
兩者對比,可看到,調制深度越大,頻譜越寬,幅度越小,對EMI的抑制作用也就越好。不過呢,調制深度大了,時鐘頻率變化越大,引起電路時序問題的可能性也就越大。
4、如果調制深度不變,改變調制速度會怎么樣呢?
將調制速度從0．001改為0．0001,即降低10倍,調制深度為2%,頻譜如下圖。
頻譜幅度最高為0．05,如果db來表示,那么就是降低了20log(0．63/0．05)=22dB。
可以看到,調制速度降低,對EMI的抑制作用越好。不過通常不會低于30Khz,因為20Khz就處于人耳可聽到的范圍,為了避免產生噪聲,不會再低了。
小結
1、 展頻技術可以將窄帶頻譜變成寬帶頻譜,能夠對輻射有抑制作用
2、調制速度越慢,調制深度越大,抑制效果越好
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