基于時鐘擴頻技術改善車載終端中頻輻射騷擾

楊鋒，姚錚

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

基于時鐘擴頻技術改善車載終端中頻輻射騷擾

楊鋒1，2，姚錚1

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

為了解決接地、濾波和屏蔽等傳統的電磁兼容處理措施的不足，采用擴頻技術對系統時鐘波形進行調制，通過產生一個具有邊帶諧波的頻譜，將已有的窄帶時鐘調制到更寬的頻譜，同時降低基頻和諧波的峰值頻譜能量。文章對擴頻技術應用原理及影響因素進行分析，結合車載電子終端中頻輻射騷擾測試實例，證明時鐘擴頻技術可以有效地改善車載電子電磁兼容性能。

電磁兼容；時鐘擴頻；輻射騷擾；車載終端

隨著汽車電子系統的高度集成化和復雜化發展，車載電子終端的設計重點已經不再局限于功能實現和邏輯設計方面，如何能夠在惡劣的汽車電磁環境中穩定的工作，具備良好的電磁兼容性能，已經成為車載電子終端設計的主要方向。

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騷擾，在150 kHz～2.5 GHz的帶寬內，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備工作頻段，比如調頻廣播（76 MHz～108 MHz）、移動業務（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。

在車載終端高速數字電路系統中，時鐘電路是主要的電磁輻射干擾源，時鐘頻率越高，其產生的高次諧波帶來的輻射騷擾越嚴重；目前普遍的做法是通過接地、屏蔽和濾波對時鐘電路加以處理，但這些措施多數情況下是輻射問題已經產生、定型，即已經有一個量化的超標數據出現后，通過對輻射路徑進行“圍追堵截”，或者局部遏制等方法來達到抑制的目的，很難從根本上解決EMI問題，隨著終端復雜化、集成化的發展，電路的工作頻率不斷提高，空間輻射的途徑越來越多，在有限的空間內更好的發揮這些技術已經變得越來越困難。基于上述原因，如何能夠在產品設計的源頭就解決絕大多數的EMI隱患，已經成為電磁兼容設計研究的重要方向，采用時鐘擴頻技術（SSCG）擴展頻譜降低峰值輻射能量的方法成為新的技術趨勢。

文章對時鐘擴頻技術（SSCG）從原理上進行分析，提出采用擴頻技術來抑制中頻輻射騷擾的解決方案，并通過實際終端設備的實驗測試結果證明此方案的可行性。

1　時鐘電路輻射騷擾原因

時鐘電路通過兩種方式產生電磁騷擾：單一頻率時鐘的重復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、線纜以及接地不當的結構設計等。

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

另一方面，時鐘線路不合理的端接使得阻抗不匹配，進而導致信號出現正向或負向的過沖，這種情況下對外輻射的能量也將會增加，增加的幅度取決于過沖的幅度［4］。

2　時鐘信號擴頻技術原理

時鐘擴頻技術是一種將能量擴展到一個更寬的頻帶從而減少峰值及其諧波輻射發射的頻率調制技術。它采用一個低頻 （30～60 KHz）的特定波形信號對系統時鐘進行頻率調制，產生一個具有邊帶諧波的頻譜，從而將普通的窄帶周期性時鐘擴展為寬帶信號，調制的結果使基頻和諧波頻率中所包含的峰值能量相應減小；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能量衰減幅度計算

圖1　時鐘擴頻原理示意圖

時鐘擴頻技術采用一個低頻信號波對時鐘信號進行調制，把能量集中的頻譜變成分散在以時鐘頻率為中心的一個較寬的頻帶上，其中，窄帶頻譜中每個頻點的能量相對于單頻時鐘能量降低的幅度，可以通過下式［4］進行計算：

式中：F0是被調制信號的單一固定頻率；a是相對于被擴頻頻率的擴頻幅度；Vu是擴展時鐘頻帶內每個頻譜的RMS電壓；Fd是擴展頻率，即調制頻率。

由上式得到窄帶頻帶內頻譜能量的衰減幅度為：

即在特定的擴展帶寬（a×F0）內，頻譜諧波分量越多，對應的頻譜能量就越低。

例如，車載終端上一款RGB接口TFT_LCD液晶的時鐘頻率F0=24 MHz，假設擴頻幅度a=3%，采用的調制頻率Fd= 50 kHz，通過上式計算得到VdB=8.175 dB，即其在基準時鐘頻率24 MHz處的衰減幅度為8.175 dB。

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

圖2　基波與高次諧波時鐘擴頻前后差異

2.2擴頻效果影響因素

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

1）偏離幅度

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

偏離幅度a過小，達不到減少輻射騷擾的目的；擴頻幅度a過大，則有可能改變系統基準時鐘頻率，進而影響系統工作穩定性，a的范圍落在（±2%～±5%）比較合理。

2）調制頻率

調制頻率Fd低于10 kHz，可能會在系統中產生音頻噪聲；調制頻率Fd高于200 kHz，調制作用可能會被后端鎖相環中頻濾波回路抵消，所以，調制頻率Fd的范圍落在（20 kHz～200 kHz）比較合理。

3）調制波形

調制波形是影響時鐘擴頻效果的重要因素。被調制信號的即時頻率等于信號的固定頻率加上正比于調制信號幅度的時變器件，以正弦波調制為例：

其中，θ（t）是調制的相角，則被調制信號的即時頻率由下式表達：

其中，f0是被調制信號的固定頻率；V（t）標識調制信號；K為比例常數；

當調制信號V（t）是對稱信號時，頻率偏移量由下式表達：

盡管正弦波波形很容易獲取，而且采用正弦波調制的時鐘信號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，正弦波調制并不能提供最佳的能量衰減，原因在于正弦波零點的時間倒數為最大值，其對應的頻率幅度下陷，當采用三角波信號進行調制時，因為三角波在它的零點時間導數小于正弦波的時間導數，其頻譜的中心幅度稍有增加，兩側峰值較小，進而獲得更大的衰減。如果一種調制波形的頻譜，比如鋸齒波，能夠在減小零點的時間導數和增加調制波形峰值處的時間導數之間達到一種平衡，那將獲得最大限度的幅度衰減。

在實際應用中，由于獲取簡單等因素，正弦波還是應用最多的調制波形，在此基礎上，適當的調節調制幅度和調制頻率，其產生的幅度衰減就可以滿足抑制輻射騷擾的要求。

3　時鐘擴頻應用實例分析

3.1試驗超標數據分析

以下是一款車載導航娛樂終端的電磁兼容性能CISPR 25（2008）/GBT18655（2010）等級三標準測試數據，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準限值以下且留有充足的余量，但在中頻（30 MHz～1 GHz）頻段，存在若干超標點，截取200 MHz～1 GHz頻段分析，如表1所示。

表1　中頻輻射騷擾超標幅值

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

CISPR 25標準規定，30 MHz～1 GHz的輻射發射測試采用120 kHz步進頻寬，使用準峰值探頭進行騷擾測試［3］。

通過對測試數據分析發現，主要超標頻點均為LCD液晶時鐘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，相應超標頻點也消失，進一步確認了27 MHz的液晶時鐘的高次倍頻是輻射超標的主要來源。

3.2中頻改善解決方案

首先，在終端系統時鐘的源頭，即主CPU的工作時鐘24 MHz晶振上使用擴頻處理芯片。通過第2章節的分析可以期望，雖然已確認27 MHz的倍頻是超標的原因，但是在系統時鐘源頭上進行擴頻處理可以改善整改系統的EMI至一個合理的水平。這里選用的時鐘擴頻處理芯片是spreaddevice的SSDCI3128AF，該芯片適用于系統主時鐘和單個時鐘線的EMI抑制。其輸入/輸出頻率：10～60 MHz，內置SSC調制控制器，通過配置外部引腳ADS0、ADS1高低電平，可以設置4個檔位擴頻幅度a，當輸出時鐘頻率等于輸入時鐘頻率24Mhz是，4個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、ADS1兩個引腳的狀態來改變擴頻幅度，在不影響顯示效果的前提下，設定最大的擴頻幅度±0.32%的測試結果，，如表2所示：

表2　主時鐘加擴頻處理后超標幅值

與表1數據進行對比，主要超標頻點的衰減幅度分別為：

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

計算結果可以得到以下結論，在24 MHz主時鐘加擴頻處理，雖然各個頻點超標幅值有一定的衰減，即系統主時鐘上的擴頻處理在一定程度上改善了系統EMI性能，但未達到標準要求，仍需要進一步改善。

通過對原始數據分析得到的結論，造成輻射超標的源頭是27 MHz的LCD液晶時鐘信號，對這一時鐘電路的處理才是解決問題的關鍵，在保留對系統主時鐘的擴頻處理基礎上，增加LCD_CLK時鐘線上的擴頻，這次選用的芯片同樣是spreaddevice的SSDCI2501AF，它適用于單個時鐘線的EMI抑制，其輸入/輸出頻率：14～88 MHz，擴頻幅度的范圍：±0.25% ～±3.0%；

通過調節ADS引腳對地電阻（0～600 kΩ）的大小來調節擴頻幅度，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時得到的最佳試驗數據，如表3所示。

表3　主時鐘、LCD時鐘線加擴頻處理

分析數據發現，在整個中頻頻段（30 MHz～1 GHz）內，沒有輻射騷擾超標頻點，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）等級三限值標準下均留有一定余量。證明在終端系統主時鐘和時鐘信號線上增加擴頻技術處理，可以有效地改善系統整體輻射騷擾性能。

4　結束語

通過文章的分析，擴頻技術應用于時鐘電路時，由于擴頻幅度、擴頻頻率等關鍵參數的影響，對原有的時鐘信號波形產生不可避免的形變，如何控制這些變化在一個合理的范圍內，在不影響整個系統及關鍵功能的正常運行的同時，有效地抑制輻射騷擾發射強度，是車載電子系統電磁兼容設計研究的重點。相較于傳統的接地、濾波和屏蔽等EMI處理手段，時鐘擴頻技術更適用于在產品設計初期，在系統運行的源頭實現EMI的有效抑制，從而節省開發周期和后期的整改成本。通過對實驗測試數據進行分析，時鐘電路增加擴頻技術確實使終端輻射騷擾性能得到改善，而且仍有進一步改善的余量。

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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：201504281

楊鋒（1986—），男，山西臨汾人，工程師。研究方向：車載電子系統。