使用SSCTrack函数解调串行数据扩频时钟信号

引言

器件和系统时钟通常以固定频率运行，这可能会导致在时钟频率处产生电磁干扰，进而引发串扰并耦合至邻近信号路径。扩频时钟（SSC）技术通过对信号进行频率调制，使设备能够降低辐射。调制会将载波能量分散至更宽的频率范围，从而降低峰值功率。因此，监管当前高速串行数据标准（如 PCI Express 和 Serial ATA）的相关组织要求设备必须支持 SSC 功能，以确保符合规范。由于 SSC 涉及随时间变化的频率偏移，其调制特性的验证和调试历来较为复杂。通过使用SSCTrack函数，示波器能够解调串行数据信号的扩频调制，并以频率随时间变化的同步时域图形显示从载波中分离出的SSC调制波形。

SSC频率调制率与SSC频率偏移的定义

SSC频率调制率（或SSC频率）通常设定在30至33 kHz的固定频率范围内，并施加于高速串行数据的时钟信号上。例如，16 Gbps的串行数据信号可能具有31 kHz的SSC调制频率。该低频SSC调制用于避免音频带解调，并最大限度地减少系统时序偏差。

SSC频率偏移是指相对于标称高速串行数据速率的向下展频，表示SSC频率变化的幅度，即高速串行数据标称速率的降低量。

图1：SSC频率调制率与SSC频率偏移

步骤1：计算串行数据平均频率

串行数据平均频率等于串行数据标称频率减去SSC频率偏移的一半。

例如，对于PCI Express 4.0串行数据信号，其比特率为16 Gbps，采用三角波SSC，调制频率为31 kHz，频率偏移范围为0 ppm至-4.8 kppm。

比特率为16E+9（串行数据标称频率），下展频频率偏移为4800E-6，计算得(16E+9)×(4800E-6) = 76.8E6，即76.8 MHz的频率偏移。

因此，平均频率为标称频率减去频率偏移的一半，即16 GHz – (0.5 × 76.8 MHz) = 15.9616 GHz。

图2：串行数据平均频率等于串行数据标称频率减去SSC频率偏移的一半

步骤 2：采集串行数据信号波形

采集信号时，确保采用最佳采样率和垂直刻度（V/div）设置。例如，对于16 Gbps的串行数据信号，应使用160 GS/s的采样率。将输入通道的垂直刻度调整至波形垂直方向占满大部分网格，以最大化动态范围。对于使用线缆采集的差分信号，应分别调整每个单端输入的垂直刻度，使其垂直方向占满大部分网格，同时调整差分波形的垂直刻度，使其同样占满大部分网格。

如图3所示，输入信号为400 mV幅度、16 Gbps的PRBS 23波形，带有31 kHz的SSC调制，向下扩频至-4.8kppm。示波器采样率为160 GS/s，垂直刻度设为55 mV/div，波形在垂直方向上占满大部分网格。

图3：采集的信号为带有31 kHz SSC调制、向下扩频-4.8kppm的16 Gbps差分波形

步骤3：应用绝对值函数

使用运算函数，将绝对值函数应用于差分串行数据信号波形，将绝对值函数的向下脉冲缩放，使其在垂直方向上填满大部分网格，如图4所示。

图4：差分波形的绝对值应显示为向下脉冲

步骤4：配置SSCTrack运算函数

使用运算函数，将SSCTrack应用于绝对值函数。

将平均频率设置为步骤1中计算的值。

LPF通带宽度、LPF转换宽度及带宽均设置为2 MHz。建议采用750倍抽取和20 MHz/格的时间刻度。

将示波器时间基准设置为至少20微秒/格，并重新采集波形。SSC调制轮廓应如图5所示。

图5：SSCTrack运算符显示扩频调制轮廓

SSC 验证示例：

如图6所示，可直接对 SSCTrack 波形进行测量。通过对 SSCTrack 应用频率和峰峰值测量参数，可确认 SSC 频率及频率偏移的数值。

图6：通过对 SSCTrack 的测量验证 SSC 频率和频率偏移

SSC 调试示例：

图7所示的是实际 Serial ATA 2i 信号存在显著抖动问题，以下调试步骤用于定位问题根源。该信号比特率为3.0 Gbps，采用三角波 SSC ，调制频率为31.8 kHz，频率偏移范围为0 ppm至-4.8 kppm。 比特率为3E+9，向下扩频的频率偏移为4800E-6，计算得 (3E+9)×(4800E-6) = 14.4E6，即14.4 MHz的频率偏移。因此，平均频率等于标称频率减去频率偏移的一半，即 3 GHz – (0.5 × 14.4 MHz) = 2.9928 GHz。

图7中的SSCTrack波形显示出异常的阶梯状SSC调制轮廓。对波形进行解调并绘制频率-时间曲线后发现，SSC调制轮廓并非平滑的三角形，而是出现了意外的锯齿状且不规则的SSC调制形态。本例中，抖动问题是由被测设备内数字编码器固件错误引起，我们通过SSCTrack迅速定位了根本原因。

图7：SSCTrack发现数字编码器故障

结论：

通过将SSCTrack运算函数应用于差分串行数据信号波形的绝对值，可实现SSC性能验证，生成以时间为横轴、频率为纵轴的曲线。该频率-时间调制曲线不仅可用于验证SSC调制的形状、频率及偏移，还能用于SSC调制错误的调试与根源分析。

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