使用 SSCTrack 函數(shù)解調(diào)串行數(shù)據(jù)擴(kuò)頻時(shí)鐘信號(hào)
引言
器件和系統(tǒng)時(shí)鐘通常以固定頻率運(yùn)行，這可能會(huì)導(dǎo)致在時(shí)鐘頻率處產(chǎn)生電磁干擾，進(jìn)而引發(fā)串?dāng)_并耦合至鄰近信號(hào)路徑。擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）技術(shù)通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，使設(shè)備能夠降低輻射。調(diào)制會(huì)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(shí)間變化的頻率偏移，其調(diào)制特性的驗(yàn)證和調(diào)試歷來(lái)較為復(fù)雜。通過(guò)使用SSCTrack函數(shù)，示波器能夠解調(diào)串行數(shù)據(jù)信號(hào)的擴(kuò)頻調(diào)制，并以頻率隨時(shí)間變化的同步時(shí)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(shí)鐘信號(hào)上。例如，16 Gbps的串行數(shù)據(jù)信號(hào)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(shí)序偏差。
SSC頻率偏移是指相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)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(chēng)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(jì)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(chēng)頻率減去SSC頻率偏移的一半。
例如，對(duì)于PCI Express 4.0串行數(shù)據(jù)信號(hào)，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(chēng)頻率），下展頻頻率偏移為4800E-6，計(jì)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(chēng)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(chēng)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(hào)波形
采集信號(hào)時(shí)，確保采用最佳采樣率和垂直刻度（V/div）設(shè)置。例如，對(duì)于16 Gbps的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，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(mǎn)大部分網(wǎng)格，以最大化動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于使用線(xiàn)纜采集的差分信號(hào)，應(yīng)分別調(diào)整每個(gè)單端輸入的垂直刻度，使其垂直方向占滿(mǎn)大部分網(wǎng)格，同時(shí)調(diào)整差分波形的垂直刻度，使其同樣占滿(mǎn)大部分網(wǎng)格。
如圖3所示，輸入信號(hào)為400 mV幅度、16 Gbps的PRBS 23波形，帶有31 kHz的SSC調(diào)制，向下擴(kuò)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(mǎn)大部分網(wǎng)格。
圖3：采集的信號(hào)為帶有31 kHz SSC調(diào)制、向下擴(kuò)頻-4.8kppm的16 Gbps差分波形
步驟3：應(yīng)用絕對(duì)值函數(shù)
使用運(yùn)算函數(shù)，將
絕對(duì)值函數(shù)應(yīng)用于差分串行數(shù)據(jù)信號(hào)波形，將絕對(duì)值函數(shù)的向下脈沖縮放，使其在垂直方向上填滿(mǎn)大部分網(wǎng)格，如圖4所示。
圖4：差分波形的絕對(duì)值應(yīng)顯示為向下脈沖
步驟4：配置SSCTrack運(yùn)算函數(shù)
使用運(yùn)算函數(shù)，將SSCTrack應(yīng)用于絕對(duì)值函數(shù)。
將平均頻率設(shè)置為步驟1中計(jì)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(shí)間刻度。
將示波器時(shí)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(yùn)算符顯示擴(kuò)頻調(diào)制輪廓
SSC 驗(yàn)證示例：
如圖6所示，可直接對(duì) SSCTrack 波形進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)對(duì) SSCTrack 應(yīng)用頻率和峰峰值測(cè)量參數(shù)，可確認(rèn) SSC 頻率及頻率偏移的數(shù)值。
圖6：通過(guò)對(duì) SSCTrack 的測(cè)量驗(yàn)證 SSC 頻率和頻率偏移
SSC 調(diào)試示例：
圖7所示的是實(shí)際 Serial ATA 2i 信號(hào)存在顯著抖動(dòng)問(wèn)題，以下調(diào)試步驟用于定位問(wèn)題根源。該信號(hào)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(kuò)頻的頻率偏移為4800E-6，計(jì)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(chēng)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(duì)波形進(jìn)行解調(diào)并繪制頻率-時(shí)間曲線(xiàn)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(dòng)問(wèn)題是由被測(cè)設(shè)備內(nèi)數(shù)字編碼器固件錯(cuò)誤引起，我們通過(guò)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(guò)將SSCTrack運(yùn)算函數(shù)應(yīng)用于差分串行數(shù)據(jù)信號(hào)波形的絕對(duì)值，可實(shí)現(xiàn)SSC性能驗(yàn)證，生成以時(shí)間為橫軸、頻率為縱軸的曲線(xiàn)。該頻率-時(shí)間調(diào)制曲線(xiàn)不僅可用于驗(yàn)證SSC調(diào)制的形狀、頻率及偏移，還能用于SSC調(diào)制錯(cuò)誤的調(diào)試與根源分析。