作為工程師來說，您知道消費類電子設備的操作速度有多快，它們每秒又能執行多少任務嗎？這些設備的高速操作帶來了許多樂趣，使直觀的觸控手機和視頻直播以及許多實際的應用都成為了可能，例如為網絡和通信設備驅動高速數據。
 
電子設備性能水平和速度的提高給工程師帶來了許多挑戰。當設計這些設備時，安全性是關鍵因素，需要特別注意。附近設備的電磁干擾(EMI)是用戶安全和可靠運行的一個主要威脅。

電磁干擾

一次筆者正通過HDTV看足球賽時，就要射門了，手機突然接到一個電話，電視立即就沒了信號。然而，掛掉電話后電視信號又有了。這就是電磁干擾的案例。

每一個電信號都是電場和磁場的結合。任何時域內有限的(或有界)信號在頻域都是無限(或無界)的，反之亦然。所有電氣系統都具有攜帶信息的信號，因此，它們都具有特定的模式。這些模式是由接收端和發射端使用的通信協議定義的，接收端和發射端可以位于同一個PCB上靠近芯片的位置，也可以遠至地球和衛星。在時域內具有固定模式的信號，其能量會分布在較寬的頻率范圍內。

例如，圖1顯示了時域和頻域內的125MHz時鐘信號。在時域內，這個時鐘信號具有周期性，其能量在頻域內分布范圍很廣。圖中125MHz、375MHz、625MHz和875MHz處的標記顯示了頻域的四個連續高能量點。峰值能量存儲在125MHz的基頻，為10.55dB。此外，375MHz、625MHz和875MHz是125MHz時鐘信號的奇次諧波。該能量是電磁干擾的一個關鍵因素，它會干擾附近工作的其他系統。在特定工作頻率具有峰值能量的系統就是電磁輻射源的一個例子。

在手機和電視的例子中，輻射源為手機。在通過LCD HDTV看足球賽時，機頂盒被調整到54到890MHz范圍內的體育頻道。當手機處于空閑模式時(即沒有打電話或發短信時)，它不會發射數據也不會產生輻射。然而，當手機接到來電時，它開始與最近的基站通信。在傳輸過程中，手機使用更大的功率并在GSM頻段(900MHz)內傳送信號，這就會對相鄰的機頂盒頻率范圍(接近890MHz)產生輻射。由于這種輻射的存在，機頂盒無法解碼廣播電視信號。這在很多家庭中不會發生，這是由于在電視和手機的工作頻率和電磁干擾防護方面考慮了足夠的裕量。然而，當在800MHz范圍內支持4G傳輸時，手機和電視設計人員將會面臨更多的電磁干擾挑戰。

這種破壞發生在消費類設備中時造成的威脅并不算大，然而，想象一下，當 Wi-Fi信號干擾到危險化工廠的控制操作時又會怎樣？歷史上有許多事故就是由于電磁干擾所造成，因此，世界領先國家都在從電磁干擾方面來規范電子設計。

除了電磁干擾輻射以外，還存在來自電路板布線、電源、電容或電感耦合的傳導電磁干擾，這會干擾其他設備的系統操作以及功能。

許多國際監管機構(IEC、CISPR和EN)制訂了系統可以有的最大輻射，同時也定義了不應影響系統的最小電磁干擾水平。電磁干擾的國際標準是基于應用和終端設備定義的，例如：軍事、消費類、工業和汽車等。

高速設備是由高速時鐘驅動的設備。主要影響EMI的因素是高速時鐘信號，它在時域上呈現周期性。如圖2所示，125MHz的時鐘信號在基頻上具有峰值能量和較強的奇次諧波信號(如圖1所示)。

圖1：時域和頻域內的時鐘信號。

圖2顯示了125MHz時鐘集中于基頻的頻譜分析。峰值表明基頻的能量為-5.29dBm。如果中心頻率的能量降低了，則由時鐘信號引起的輻射也會下降。在時鐘信號驅動大多數板上器件的系統中，電磁干擾會顯著提高。擴頻技術采用同樣概念來提高系統的抗電磁干擾性能。

圖2：時鐘信號的峰值能量。
 
擴頻技術

在擴頻技術中，高頻時鐘信號通過低頻調制。調制信號的頻率通常為30~120kHz。由于調制，儲存在基頻的能量將分布在一個較寬的頻率范圍內并使峰值降低(如圖3所示)。假如沒有采用擴頻技術，125MHz時鐘信號的峰值為-5.29dB。經過±2%的擴展，峰值會降低到-13.37dB。調制曲線、擴展類型、擴展百分比都是擴頻技術的重要參數。

圖3：經過±2%中心擴頻的125MHz時鐘。

調制曲線：簡單來說，調制信號波形代表了調制曲線。有兩種大家熟悉的曲線：Linear和Lexmark。Lexmark相對Linear來說可以更好地降低峰值。Linear曲線形狀上類似于三角波。
擴展百分比：調制信號的峰峰值振幅代表了擴展百分比。擴展百分比代表標稱信號頻率的偏差。

擴展類型：如果標稱信號頻率是在調制曲線的中心，則稱為中心擴展。如果信號頻率在調制曲線的頂部，則稱為向下擴展。
使用擴頻技術降低峰值的效果取決于所選的擴展百分比和擴展曲線。以下案例顯示了由擴展百分比增加帶來的相應輻射減少。
 
案例分析

在信息技術設備中，CY 25100時鐘芯片被用來驅動FPGA和以太網芯片(如圖4所示)。參考時鐘輸出為25MHz，沒有擴展。125MHz信號通過片上鎖相環生成，可以是一個擴頻時鐘。
 
 
 
圖4：CY25100應用。

最初，客戶使用沒有擴展的125MHz時鐘輸出。按照歐盟要求，該設備需要滿足EN 55022標準限值。設備樣機經過測試后，發現在125MHz的多個倍頻處有44dB輻射，超過了EN 55022標準的40dB限制。通過采用不同的擴展百分比進行一些試驗，在31.7kHz處進行±2%中心擴展減少6dB的整體設備輻射，使得系統滿足了EN 55022要求并提供了2dB的裕量。

為了檢驗在電磁干擾方面擴頻時鐘的效果，在具有最低噪聲的簡潔設置下使用鑒定板(即板上只有CY 25100器件)測量了125MHz時鐘峰值能量。沒有擴頻時，測量到的時鐘信號峰值為-5.29dB。經過±2%的擴展后，時鐘峰值減少為8dB。表1顯示了擴展百分比下的峰值減少情況。


表1：不同擴展百分比的峰值測量。
 
使用擴頻時鐘時，在電磁干擾輻射方面會有顯著改善。此外，這些改善不需要花費時間和成本進行樣機或電路板的重新設計。
 
使用擴頻時鐘前檢查參數

抖動：在低頻處擴頻調制高頻時鐘信號，增加了周期上的時鐘沿偏差。這樣就導致了更高的抖動。需要測量擴頻時鐘的抖動，并確定時鐘接收端可以容忍擴頻時鐘中增加的抖動。

百萬分率(PPM)誤差：百萬分率(PPM)誤差參數用來測量時鐘信號精度。由于擴展百分比，時鐘頻率將不同于標稱頻率，因此，PPM誤差將會增大。對于PPM誤差規格非常嚴格的應用來說，需要確保使用擴頻后PPM誤差仍在限制范圍內。

擴展已知鎖相環：假設應用中采用單個時鐘驅動多個時鐘接收芯片，那么零延遲緩沖器就可以用來滿足時鐘接收負載。如果最初生成的時鐘信號有擴頻，需要通過讓其經過時鐘接收端以充分減少電磁干擾來驗證零延遲緩沖器支持擴展。如果零延遲緩沖器不支持擴展，輸入擴展將會在時鐘緩沖器輸出出現偏移。這被稱為跟蹤偏移，如果應用對偏移規格要求較為嚴格(例如：同步應用)，那么它就需要被關注。

為專門應用選擇擴展參數

增加擴展百分比，峰值能量會相應減少，但峰值降低速率并不是常數。如表1所示，當擴展百分比為±2%時，峰值減少8.08dB((-13.37)-(-5.29)dB)。當擴展百分比增加到±2.5%時，峰值減少8.82dB((-14.11)-(-5.29)dB)。因此，對于進一步的±0.5%擴展增量，可以觀察到小于1dB的峰值降低。

擴展類型(向下擴展/中心擴展)：這取決于時鐘接收端的最高工作頻率。如果時鐘接收端支持正常頻率的±容限，可以使用中心擴展或向下擴展。中心擴展可以使標稱頻率在兩個方向上發生變化，例如，25MHz經過±1%擴展，可以從24.75MHz到25.25MHz變化。向下擴展只向下變化標稱頻率，可以確保最大頻率一直為標稱頻率，例如，25MHz經過-1%擴展，將會從24.75MHz到25MHz變化。在正常頻率為最高頻率的情況下，向下擴展是正確的選擇。
調制頻率：許多時鐘發生器支持大約在30至120kHz的寬范圍調制頻率。最常用的范圍是30到60kHz之間。調制頻率可以為該范圍內的任何頻率，只要這些頻率或其倍頻不干擾其他系統或設備的操作或與它們相耦合。

調制曲線：Lexmark曲線相對于Linear曲線來說可以更好的降低峰值。如果時鐘發生器支持Lexmark曲線，那么就選擇它。

在復雜的系統應用中會包含多個數據、時鐘和地址總線，它們運行在不同的速度，使用不同的電源，支持不同的通信協議，只使用一個特定頻率的擴頻時鐘不足以完全管理系統的電磁干擾。設計人員還需要特別注意電路板設計問題(例如串擾和接地回路)，因為這里有多個噪聲源。在這樣的復雜系統中，可能有一些協議由于PPM需求或抖動規格而使得功能沒有被最優化。擴頻時鐘可以幫助降低由時鐘帶來的總輻射，但是也需要其他技術來彌補其他不支持擴展的數據或時鐘信號。不過，如上所示的案例分析，具備擴頻能力總會是一項優勢，因為該能力減少了許多具有挑戰性的電磁干擾源所必需的屏蔽和濾波。