基于時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)改善車載終端中頻輻射騷擾

楊鋒，姚錚

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京　100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建 廈門　361008）

基于時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)改善車載終端中頻輻射騷擾

楊鋒1，2，姚錚1

（1.清華大學(xué) 電子工程系，北京100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建 廈門361008）

為了解決接地、濾波和屏蔽等傳統(tǒng)的電磁兼容處理措施的不足，采用擴(kuò)頻技術(shù)對系統(tǒng)時(shí)鐘波形進(jìn)行調(diào)制，通過產(chǎn)生一個(gè)具有邊帶諧波的頻譜，將已有的窄帶時(shí)鐘調(diào)制到更寬的頻譜，同時(shí)降低基頻和諧波的峰值頻譜能量。文章對擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用原理及影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合車載電子終端中頻輻射騷擾測試實(shí)例，證明時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)可以有效地改善車載電子電磁兼容性能。

電磁兼容；時(shí)鐘擴(kuò)頻；輻射騷擾；車載終端

隨著汽車電子系統(tǒng)的高度集成化和復(fù)雜化發(fā)展，車載電子終端的設(shè)計(jì)重點(diǎn)已經(jīng)不再局限于功能實(shí)現(xiàn)和邏輯設(shè)計(jì)方面，如何能夠在惡劣的汽車電磁環(huán)境中穩(wěn)定的工作，具備良好的電磁兼容性能，已經(jīng)成為車載電子終端設(shè)計(jì)的主要方向。

汽車電磁兼容EMC（electromagnetic compatibility）包括EMI（Electro Magnetic Interference）電磁干擾度和EMS（Electro Magnetic susceptibility）電磁抗干擾度；EMI包括輻射騷擾和傳導(dǎo)騷擾，在150 kHz～2.5 GHz的帶寬內(nèi)，輻射騷擾又分為低頻（150 kHz～30 MHz）、中頻（30 MHz～1 GHz）、高頻（1 GHz～2.5 GHz），其中中頻頻段由于包含汽車主要電子設(shè)備工作頻段，比如調(diào)頻廣播（76 MHz～108 MHz）、移動(dòng)業(yè)務(wù)（26 MHz ～1 GHz），對這一中頻段的電磁兼容輻射騷擾研究顯得尤為重要。

在車載終端高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路是主要的電磁輻射干擾源，時(shí)鐘頻率越高，其產(chǎn)生的高次諧波帶來的輻射騷擾越嚴(yán)重；目前普遍的做法是通過接地、屏蔽和濾波對時(shí)鐘電路加以處理，但這些措施多數(shù)情況下是輻射問題已經(jīng)產(chǎn)生、定型，即已經(jīng)有一個(gè)量化的超標(biāo)數(shù)據(jù)出現(xiàn)后，通過對輻射路徑進(jìn)行“圍追堵截”，或者局部遏制等方法來達(dá)到抑制的目的，很難從根本上解決EMI問題，隨著終端復(fù)雜化、集成化的發(fā)展，電路的工作頻率不斷提高，空間輻射的途徑越來越多，在有限的空間內(nèi)更好的發(fā)揮這些技術(shù)已經(jīng)變得越來越困難?；谏鲜鲈?，如何能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的源頭就解決絕大多數(shù)的EMI隱患，已經(jīng)成為電磁兼容設(shè)計(jì)研究的重要方向，采用時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)（SSCG）擴(kuò)展頻譜降低峰值輻射能量的方法成為新的技術(shù)趨勢。

文章對時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)（SSCG）從原理上進(jìn)行分析，提出采用擴(kuò)頻技術(shù)來抑制中頻輻射騷擾的解決方案，并通過實(shí)際終端設(shè)備的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證明此方案的可行性。

1　時(shí)鐘電路輻射騷擾原因

時(shí)鐘電路通過兩種方式產(chǎn)生電磁騷擾：單一頻率時(shí)鐘的重復(fù)特性以及不合理的端接線路。其具備的能量通過天線輻射進(jìn)入空間電磁場，這些天線包括印制板走線、未屏蔽的高頻器件、線纜以及接地不當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

單一頻率的時(shí)鐘在一個(gè)固定的頻點(diǎn)工作，使能量以高次諧波的方式疊加到更高的級(jí)別，非重復(fù)性信號(hào)或者說異步信號(hào)由于頻點(diǎn)的不固定性而不存在如此多的輻射騷擾，同時(shí)隨著傳輸更多數(shù)據(jù)的需要，時(shí)鐘頻率也要求更高，信號(hào)的邊沿特性（即上升時(shí)間和下降時(shí)間）也隨之提高，較快的邊沿變化也將使輻射信號(hào)的能量增加。

另一方面，時(shí)鐘線路不合理的端接使得阻抗不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)正向或負(fù)向的過沖，這種情況下對外輻射的能量也將會(huì)增加，增加的幅度取決于過沖的幅度［4］。

2　時(shí)鐘信號(hào)擴(kuò)頻技術(shù)原理

時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)是一種將能量擴(kuò)展到一個(gè)更寬的頻帶從而減少峰值及其諧波輻射發(fā)射的頻率調(diào)制技術(shù)。它采用一個(gè)低頻 （30～60 KHz）的特定波形信號(hào)對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行頻率調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)具有邊帶諧波的頻譜，從而將普通的窄帶周期性時(shí)鐘擴(kuò)展為寬帶信號(hào)，調(diào)制的結(jié)果使基頻和諧波頻率中所包含的峰值能量相應(yīng)減小；輻射出去的總能量不變，但是頻譜幅度降低。如圖1所示。

2.1能量衰減幅度計(jì)算

圖1　時(shí)鐘擴(kuò)頻原理示意圖

時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)采用一個(gè)低頻信號(hào)波對時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，把能量集中的頻譜變成分散在以時(shí)鐘頻率為中心的一個(gè)較寬的頻帶上，其中，窄帶頻譜中每個(gè)頻點(diǎn)的能量相對于單頻時(shí)鐘能量降低的幅度，可以通過下式［4］進(jìn)行計(jì)算：

式中：F0是被調(diào)制信號(hào)的單一固定頻率；a是相對于被擴(kuò)頻頻率的擴(kuò)頻幅度；Vu是擴(kuò)展時(shí)鐘頻帶內(nèi)每個(gè)頻譜的RMS電壓；Fd是擴(kuò)展頻率，即調(diào)制頻率。

由上式得到窄帶頻帶內(nèi)頻譜能量的衰減幅度為：

即在特定的擴(kuò)展帶寬（a×F0）內(nèi)，頻譜諧波分量越多，對應(yīng)的頻譜能量就越低。

例如，車載終端上一款RGB接口TFT_LCD液晶的時(shí)鐘頻率F0=24 MHz，假設(shè)擴(kuò)頻幅度a=3%，采用的調(diào)制頻率Fd= 50 kHz，通過上式計(jì)算得到VdB=8.175 dB，即其在基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率24 MHz處的衰減幅度為8.175 dB。

如果在車載終端系統(tǒng)的主CPU時(shí)鐘源上增加時(shí)鐘擴(kuò)頻SSCG，不僅對時(shí)鐘振蕩頻率（基波）有抑制作用，對其高次諧波的峰值也有抑制作用，從而抑制整個(gè)系統(tǒng)的輻射騷擾。如圖2所示。

圖2　基波與高次諧波時(shí)鐘擴(kuò)頻前后差異

2.2擴(kuò)頻效果影響因素

由式（1）、式（2）可以看出，影響時(shí)鐘擴(kuò)頻效果的主要因素包括：偏離幅度，調(diào)制頻率以及調(diào)制波形。

1）偏離幅度

調(diào)制的偏離幅度a是指頻率擴(kuò)展范圍ΔF與基波頻率F0的比值，按照擴(kuò)頻方向不同，又分為下方擴(kuò)頻、中心擴(kuò)頻和上方擴(kuò)頻3種。

偏離幅度a過小，達(dá)不到減少輻射騷擾的目的；擴(kuò)頻幅度a過大，則有可能改變系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，進(jìn)而影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，a的范圍落在（±2%～±5%）比較合理。

2）調(diào)制頻率

調(diào)制頻率Fd低于10 kHz，可能會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生音頻噪聲；調(diào)制頻率Fd高于200 kHz，調(diào)制作用可能會(huì)被后端鎖相環(huán)中頻濾波回路抵消，所以，調(diào)制頻率Fd的范圍落在（20 kHz～200 kHz）比較合理。

3）調(diào)制波形

調(diào)制波形是影響時(shí)鐘擴(kuò)頻效果的重要因素。被調(diào)制信號(hào)的即時(shí)頻率等于信號(hào)的固定頻率加上正比于調(diào)制信號(hào)幅度的時(shí)變器件，以正弦波調(diào)制為例：

其中，θ（t）是調(diào)制的相角，則被調(diào)制信號(hào)的即時(shí)頻率由下式表達(dá)：

其中，f0是被調(diào)制信號(hào)的固定頻率；V（t）標(biāo)識(shí)調(diào)制信號(hào)；K為比例常數(shù)；

當(dāng)調(diào)制信號(hào)V（t）是對稱信號(hào)時(shí)，頻率偏移量由下式表達(dá)：

盡管正弦波波形很容易獲取，而且采用正弦波調(diào)制的時(shí)鐘信號(hào)和它的高次諧波幅度有一定的衰減，但是在中頻30 MHz～1 GHz的帶寬內(nèi)，正弦波調(diào)制并不能提供最佳的能量衰減，原因在于正弦波零點(diǎn)的時(shí)間倒數(shù)為最大值，其對應(yīng)的頻率幅度下陷，當(dāng)采用三角波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，因?yàn)槿遣ㄔ谒牧泓c(diǎn)時(shí)間導(dǎo)數(shù)小于正弦波的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，其頻譜的中心幅度稍有增加，兩側(cè)峰值較小，進(jìn)而獲得更大的衰減。如果一種調(diào)制波形的頻譜，比如鋸齒波，能夠在減小零點(diǎn)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)和增加調(diào)制波形峰值處的時(shí)間導(dǎo)數(shù)之間達(dá)到一種平衡，那將獲得最大限度的幅度衰減。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于獲取簡單等因素，正弦波還是應(yīng)用最多的調(diào)制波形，在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)調(diào)制幅度和調(diào)制頻率，其產(chǎn)生的幅度衰減就可以滿足抑制輻射騷擾的要求。

3　時(shí)鐘擴(kuò)頻應(yīng)用實(shí)例分析

3.1試驗(yàn)超標(biāo)數(shù)據(jù)分析

以下是一款車載導(dǎo)航娛樂終端的電磁兼容性能CISPR 25（2008）/GBT18655（2010）等級(jí)三標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)，在低頻（150 kHz～30 MHz）、高頻（1～2.5 GHz）頻段，終端的輻射騷擾峰值及平均值均在標(biāo)準(zhǔn)限值以下且留有充足的余量，但在中頻（30 MHz～1 GHz）頻段，存在若干超標(biāo)點(diǎn)，截取200 MHz～1 GHz頻段分析，如表1所示。

表1　中頻輻射騷擾超標(biāo)幅值

Margin（dB）表示超標(biāo)的幅度，例如432 MHz這一點(diǎn)，30～37.68 dB=（-7.68 dB），代表這一頻點(diǎn)輻射騷擾超過標(biāo)準(zhǔn)要求7.68 dB。

CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，30 MHz～1 GHz的輻射發(fā)射測試采用120 kHz步進(jìn)頻寬，使用準(zhǔn)峰值探頭進(jìn)行騷擾測試［3］。

通過對測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，主要超標(biāo)頻點(diǎn)均為LCD液晶時(shí)鐘27 Mhz的倍頻輻射，比如垂直極化方向405 MHz（15倍）、432 MHz（16倍）、459 MHz（17倍）、486 MHz（18倍），通過寄存器配置LCD_CLK=0時(shí)，相應(yīng)超標(biāo)頻點(diǎn)也消失，進(jìn)一步確認(rèn)了27 MHz的液晶時(shí)鐘的高次倍頻是輻射超標(biāo)的主要來源。

3.2中頻改善解決方案

首先，在終端系統(tǒng)時(shí)鐘的源頭，即主CPU的工作時(shí)鐘24 MHz晶振上使用擴(kuò)頻處理芯片。通過第2章節(jié)的分析可以期望，雖然已確認(rèn)27 MHz的倍頻是超標(biāo)的原因，但是在系統(tǒng)時(shí)鐘源頭上進(jìn)行擴(kuò)頻處理可以改善整改系統(tǒng)的EMI至一個(gè)合理的水平。這里選用的時(shí)鐘擴(kuò)頻處理芯片是spreaddevice的SSDCI3128AF，該芯片適用于系統(tǒng)主時(shí)鐘和單個(gè)時(shí)鐘線的EMI抑制。其輸入/輸出頻率：10～60 MHz，內(nèi)置SSC調(diào)制控制器，通過配置外部引腳ADS0、ADS1高低電平，可以設(shè)置4個(gè)檔位擴(kuò)頻幅度a，當(dāng)輸出時(shí)鐘頻率等于輸入時(shí)鐘頻率24Mhz是，4個(gè)檔位即相對于中心頻率的偏離幅度分別為±0.1%，± 0.19%，±0.26%，±0.32%，外部可以操作的只有通過配置ADS0、ADS1兩個(gè)引腳的狀態(tài)來改變擴(kuò)頻幅度，在不影響顯示效果的前提下，設(shè)定最大的擴(kuò)頻幅度±0.32%的測試結(jié)果，，如表2所示：

表2　主時(shí)鐘加擴(kuò)頻處理后超標(biāo)幅值

與表1數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，主要超標(biāo)頻點(diǎn)的衰減幅度分別為：

432 MHz：7.68 dB-4.59 dB=3.09 dB

459 MHz：15.55 dB-9.2 dB=6.35 dB

486 MHz：8.98 dB-3.67 dB=5.31 dB

計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論，在24 MHz主時(shí)鐘加擴(kuò)頻處理，雖然各個(gè)頻點(diǎn)超標(biāo)幅值有一定的衰減，即系統(tǒng)主時(shí)鐘上的擴(kuò)頻處理在一定程度上改善了系統(tǒng)EMI性能，但未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，仍需要進(jìn)一步改善。

通過對原始數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論，造成輻射超標(biāo)的源頭是27 MHz的LCD液晶時(shí)鐘信號(hào)，對這一時(shí)鐘電路的處理才是解決問題的關(guān)鍵，在保留對系統(tǒng)主時(shí)鐘的擴(kuò)頻處理基礎(chǔ)上，增加LCD_CLK時(shí)鐘線上的擴(kuò)頻，這次選用的芯片同樣是spreaddevice的SSDCI2501AF，它適用于單個(gè)時(shí)鐘線的EMI抑制，其輸入/輸出頻率：14～88 MHz，擴(kuò)頻幅度的范圍：±0.25% ～±3.0%；

通過調(diào)節(jié)ADS引腳對地電阻（0～600 kΩ）的大小來調(diào)節(jié)擴(kuò)頻幅度，阻值越大，幅度越小，即背離中心頻率的范圍越小；以下是Rads=470 kΩ時(shí)得到的最佳試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3　主時(shí)鐘、LCD時(shí)鐘線加擴(kuò)頻處理

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)中頻頻段（30 MHz～1 GHz）內(nèi)，沒有輻射騷擾超標(biāo)頻點(diǎn)，最初測試中27 MHz的若干倍頻（405 MHz、432 MHz、459 MHz、486 MHz）也已消失，且在CISPR 25（2008）/GBT18655（2010）等級(jí)三限值標(biāo)準(zhǔn)下均留有一定余量。證明在終端系統(tǒng)主時(shí)鐘和時(shí)鐘信號(hào)線上增加擴(kuò)頻技術(shù)處理，可以有效地改善系統(tǒng)整體輻射騷擾性能。

4　結(jié)束語

通過文章的分析，擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于時(shí)鐘電路時(shí)，由于擴(kuò)頻幅度、擴(kuò)頻頻率等關(guān)鍵參數(shù)的影響，對原有的時(shí)鐘信號(hào)波形產(chǎn)生不可避免的形變，如何控制這些變化在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，在不影響整個(gè)系統(tǒng)及關(guān)鍵功能的正常運(yùn)行的同時(shí)，有效地抑制輻射騷擾發(fā)射強(qiáng)度，是車載電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的接地、濾波和屏蔽等EMI處理手段，時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)更適用于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，在系統(tǒng)運(yùn)行的源頭實(shí)現(xiàn)EMI的有效抑制，從而節(jié)省開發(fā)周期和后期的整改成本。通過對實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，時(shí)鐘電路增加擴(kuò)頻技術(shù)確實(shí)使終端輻射騷擾性能得到改善，而且仍有進(jìn)一步改善的余量。

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Improve medium frequency radiation disturbance of terminal system for vehicle based on clocking spread-spectrum technique

YANG Feng1，2，YAO Zheng1
（1.Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Yaxon Network Co.，Ltd.，Xiamen 361008，China）

In order to solve the insignificance of traditional treatment measures of compatibility like as grounding，shield and filter，using spread spectrum technology to modulate of the system clock waveform is presented.By generating a spectrum sideband harmonics，the narrowband are modulated as a wider spectrum of clock，the peak spectral energy of the fundamental and harmonics also can be reduced at the same time.The article analyze the application of spread spectrum technology principle and influence factors，combined with a radiated disturbance test example of the vehicular electronic terminal，to prove that clock of spread spectrum technology can effectively improve the electromagnetic compatibility of automotive electronics.

electromagnetic compatibility；clocking spread-spectrum technique；radiation disturbance；vehicle terminal

TN97

A

1674－6236（2016）06-0071-03

2015-04-27稿件編號(hào)：201504281

楊鋒（1986—），男，山西臨汾人，工程師。研究方向：車載電子系統(tǒng)。