使用 SSCTrack 函數(shù)解調(diào)串行數(shù)據(jù)擴頻時鐘信號
引言
器件和系統(tǒng)時鐘通常以固定頻率運行，這可能會導(dǎo)致在時鐘頻率處產(chǎn)生電磁干擾，進而引發(fā)串?dāng)_并耦合至鄰近信號路徑。擴頻時鐘（SSC）技術(shù)通過對信號進行頻率調(diào)制，使設(shè)備能夠降低輻射。調(diào)制會將載波能量分散至更寬的頻率范圍，從而降低峰值功率。因此，監(jiān)管當(dāng)前高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（如 PCI Express 和 Serial ATA）的相關(guān)組織要求設(shè)備必須支持 SSC 功能，以確保符合規(guī)范。由于 SSC 涉及隨時間變化的頻率偏移，其調(diào)制特性的驗證和調(diào)試歷來較為復(fù)雜。通過使用SSCTrack函數(shù)，示波器能夠解調(diào)串行數(shù)據(jù)信號的擴頻調(diào)制，并以頻率隨時間變化的同步時域圖形顯示從載波中分離出的SSC調(diào)制波形。
SSC頻率調(diào)制率與SSC頻率偏移的定義
SSC頻率調(diào)制率（或SSC頻率）通常設(shè)定在30至33 kHz的固定頻率范圍內(nèi)，并施加于高速串行數(shù)據(jù)的時鐘信號上。例如，16 Gbps的串行數(shù)據(jù)信號可能具有31 kHz的SSC調(diào)制頻率。該低頻SSC調(diào)制用于避免音頻帶解調(diào)，并最大限度地減少系統(tǒng)時序偏差。
SSC頻率偏移是指相對于標(biāo)稱高速串行數(shù)據(jù)速率的向下展頻，表示SSC頻率變化的幅度，即高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)稱速率的降低量。
圖1：SSC頻率調(diào)制率與SSC頻率偏移
步驟1：計算串行數(shù)據(jù)平均頻率
串行數(shù)據(jù)平均頻率等于串行數(shù)據(jù)標(biāo)稱頻率減去SSC頻率偏移的一半。
例如，對于PCI Express 4.0串行數(shù)據(jù)信號，其比特率為16 Gbps，采用三角波SSC，調(diào)制頻率為31 kHz，頻率偏移范圍為0 ppm至-4.8 kppm。
比特率為16E+9（串行數(shù)據(jù)標(biāo)稱頻率），下展頻頻率偏移為4800E-6，計算得(16E+9)×(4800E-6) = 76.8E6，即76.8 MHz的頻率偏移。
因此，平均頻率為標(biāo)稱頻率減去頻率偏移的一半，即16 GHz – (0.5 × 76.8 MHz) = 15.9616 GHz。
圖2：串行數(shù)據(jù)平均頻率等于串行數(shù)據(jù)標(biāo)稱頻率減去SSC頻率偏移的一半
步驟 2：采集串行數(shù)據(jù)信號波形
采集信號時，確保采用最佳采樣率和垂直刻度（V/div）設(shè)置。例如，對于16 Gbps的串行數(shù)據(jù)信號，應(yīng)使用160 GS/s的采樣率。將輸入通道的垂直刻度調(diào)整至波形垂直方向占滿大部分網(wǎng)格，以最大化動態(tài)范圍。對于使用線纜采集的差分信號，應(yīng)分別調(diào)整每個單端輸入的垂直刻度，使其垂直方向占滿大部分網(wǎng)格，同時調(diào)整差分波形的垂直刻度，使其同樣占滿大部分網(wǎng)格。
如圖3所示，輸入信號為400 mV幅度、16 Gbps的PRBS 23波形，帶有31 kHz的SSC調(diào)制，向下擴頻至-4.8kppm。示波器采樣率為160 GS/s，垂直刻度設(shè)為55 mV/div，波形在垂直方向上占滿大部分網(wǎng)格。
圖3：采集的信號為帶有31 kHz SSC調(diào)制、向下擴頻-4.8kppm的16 Gbps差分波形
步驟3：應(yīng)用絕對值函數(shù)
使用運算函數(shù)，將
絕對值函數(shù)應(yīng)用于差分串行數(shù)據(jù)信號波形，將絕對值函數(shù)的向下脈沖縮放，使其在垂直方向上填滿大部分網(wǎng)格，如圖4所示。
圖4：差分波形的絕對值應(yīng)顯示為向下脈沖
步驟4：配置SSCTrack運算函數(shù)
使用運算函數(shù)，將SSCTrack應(yīng)用于絕對值函數(shù)。
將平均頻率設(shè)置為步驟1中計算的值。
LPF通帶寬度、LPF轉(zhuǎn)換寬度及帶寬均設(shè)置為2 MHz。建議采用750倍抽取和20 MHz/格的時間刻度。
將示波器時間基準(zhǔn)設(shè)置為至少20微秒/格，并重新采集波形。SSC調(diào)制輪廓應(yīng)如圖5所示。
圖5：SSCTrack運算符顯示擴頻調(diào)制輪廓
SSC 驗證示例：
如圖6所示，可直接對 SSCTrack 波形進行測量。通過對 SSCTrack 應(yīng)用頻率和峰峰值測量參數(shù)，可確認(rèn) SSC 頻率及頻率偏移的數(shù)值。
圖6：通過對 SSCTrack 的測量驗證 SSC 頻率和頻率偏移
SSC 調(diào)試示例：
圖7所示的是實際 Serial ATA 2i 信號存在顯著抖動問題，以下調(diào)試步驟用于定位問題根源。該信號比特率為3.0 Gbps，采用三角波 SSC ，調(diào)制頻率為31.8 kHz，頻率偏移范圍為0 ppm至-4.8 kppm。 比特率為3E+9，向下擴頻的頻率偏移為4800E-6，計算得 (3E+9)×(4800E-6) = 14.4E6，即14.4 MHz的頻率偏移。因此，平均頻率等于標(biāo)稱頻率減去頻率偏移的一半，即 3 GHz – (0.5 × 14.4 MHz) = 2.9928 GHz。
圖7中的SSCTrack波形顯示出異常的階梯狀SSC調(diào)制輪廓。對波形進行解調(diào)并繪制頻率-時間曲線后發(fā)現(xiàn)，SSC調(diào)制輪廓并非平滑的三角形，而是出現(xiàn)了意外的鋸齒狀且不規(guī)則的SSC調(diào)制形態(tài)。本例中，抖動問題是由被測設(shè)備內(nèi)數(shù)字編碼器固件錯誤引起，我們通過SSCTrack迅速定位了根本原因。
圖7：SSCTrack發(fā)現(xiàn)數(shù)字編碼器故障
結(jié)論：
通過將SSCTrack運算函數(shù)應(yīng)用于差分串行數(shù)據(jù)信號波形的絕對值，可實現(xiàn)SSC性能驗證，生成以時間為橫軸、頻率為縱軸的曲線。該頻率-時間調(diào)制曲線不僅可用于驗證SSC調(diào)制的形狀、頻率及偏移，還能用于SSC調(diào)制錯誤的調(diào)試與根源分析。