CN101034885B - 产生低电磁干扰的时钟信号的方法及*** - Google Patents

产生低电磁干扰的时钟信号的方法及*** Download PDF

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Abstract

展频时钟产生(SSCG)使用非对称三角轮廓以降低电磁干扰(EMI)。此非对称三角轮廓提供比传统对称三角轮廓较佳的峰值功率衰减及更均匀的功率频谱扩展。方法是接收具有第一频谱的第一时钟信号，产生一非对称三角轮廓，且使用该非对称三角轮廓调制此第一时钟信号以产生第二时钟信号，其中产生该非对称三角轮廓包括重复执行：于第一时间周期，将第一正值乘上第一增益因子；于第二时间周期，将第二负值乘上第二增益因子；其中该第一增益因子的量与该第二增益因子的量相异。此第二时钟信号具有比第一时钟信号较宽的频谱，而产生较第一时钟信号更降低的电磁干扰。

Description

产生低电磁干扰的时钟信号的方法及*** 
技术领域
本发明是有关于在电子装置中降低电磁干扰(ElectromagneticInterference；EMI)，特别是有关于使用非对称三角轮廓来产生展频时钟(spread spectrum clock generation；SSCG)，此非对称三角轮廓提供比传统对称三角轮廓较佳的峰值功率衰减及更均匀的功率频谱扩展。 
背景技术
随着电子装置的操作速度(频率)增加，由该装置所产生的电磁干扰(EMI)也随之大幅增加。诸多方法用以降低EMI，例如滤波(filtering)，遮蔽(shielding)，脉冲整形(pulse shaping)，变动率控制(slew rate control)及展频时钟产生(SSCG)。 
于同频数字***中，时钟信号是用以驱动此***，该时钟信号通常是主要的EMI来源之一。因其本身的周期特性，时钟信号无可避免地具有窄频谱。事实上，完美的时钟信号会令其所有能量集中至单一频率及其谐波频率，因此会辐射具有无限频谱密度的能量。实际的同步数字***会辐射电磁能量于扩展在该时钟频率及其谐波频率上的多个窄频带，而产生谱频。该频谱的某些频率可能会超出电磁干扰的规范限制，例如美国联邦通讯委员会(FCC)、日本JEITA及欧洲IEC所制定的规范限制。 
展频时钟产生(SSCG)多用以设计同步数字***，特别是包含有微处理器者，以降低该等***所产生的EMI的频谱密度。展频时钟产生(SSCG)是宽带(wide-band)频率调制(FM)的一特例，能够有效降低时钟信号的基础谐波及高阶谐波，例如降低时钟信号的峰值辐射能量，而有效降低EMI发射。SSCG因此对***的电磁发射进行整形，以符合电磁兼容(ElectromagneticCompatibility；EMC)规范。 
展频时钟产生并没有减少该***辐射的总能量，而是将能量扩展于广大频带上，其是有效降低于窄频窗口中所测量得的电场强度及磁场强度。展频时钟得以有效运作，是因为EMC测试实验室所使用的EMI接收器将电磁频谱 分割成接近120KHz宽的多个频带。如果待测***辐射其所有能量于一频率，此能量会落于该接收器的单一频带，该接收器会暂存在该频率出现的大峰值。展频时钟分配能量，以使能量落于众多个接收器频带中，不会将过多能量放入任一频带而超出法定限制。 
展频时钟产生中，调制轮廓(modulation profile)是决定频率调制时钟的功率频谱。“Hershey-Kiss”轮廓为已知的非线性调制轮廓，是由K.B.Hardin，J.T.Fessler，D.R.Bush于“Spread Spectrum Clock Generationfor the Reduction of Radiated Emission，IEEE International Symposiumon Electro-magnetic Compatibility，pp.227-231，Aug.1994”所提出。“Hershey-Kiss”轮廓显示良好的频率扩展，但是其非线性轮廓使得电路实施变得复杂。 
图1所示的对称三角轮廓是广泛使用且易于实施的一种线性轮廓。然而，时钟信号的频谱无法均匀地被分配，且集中在数个频率上。结果，在功率频谱上会出现许多谷值(低凹处)，会降低峰值功率衰减。例如，图1的对称三角轮廓的周期为31.25KHz，亦即32微秒，对100MHz时钟信号具有0.25％的中心扩展。图2显示图1的相位轮廓，是在时域上对图1所示的频率轮廓进行积分而得到。图3显示图2相位轮廓的频率转换(快速傅立叶变换；FFT)。图3透露由于波形对称特性之故，所以只有31.25KHz的奇数谐波会出现。图3的波封可简易地被显示为SINC方程式的平方。 
图4显示使用对称三角轮廓的频率调制时钟信号的功率频谱。图4显示，能量集中在100MHz的原始时钟信号的功率频谱，将会被分配至特定限制频宽，以导致时钟信号峰值功率衰减。图4亦显示在功率频谱中有两个深低凹处(谷值)，其会降低功率扩展频谱的效率。 
因此，提出用以执行展频时钟产生(SSCG)以降低EMI的改良方法是迫切需要的。 
发明内容
为了降低EMI而执行的展频时钟产生(SSCG)***及方法是以多种实施例来叙述。于一实施例中，是使用非对称三角轮廓来产生展频时钟以降低EMI。非对称三角轮廓提供比传统对称三角轮廓较佳的峰值功率衰减及更均匀的扩展频谱。 
于一实施例中，展频时钟产生(SSCG)方法是先接收具有第一频率的第一时钟信号。此方法接着以非对称三角轮廓调制该第一时钟信号，以产生第二时钟信号。此调制是使用该非对称三角轮廓而执行频率调制；或者，使用衍生自该非对称三角轮廓的相位轮廓而执行相位调制。此调制可利用分数-N(fraction-N)锁相回路(phased locked loop)，例如可利用用以控制多模数除法器(multi-modulus divider)的积分三角调制器(sigma-deltamodulator)。 
前述方法可包括产生用于该调制的该非对称三角轮廓。于一实施例中，此方法可包括在第一时间周期中，将第一正值乘上第一增益因子，以及在第二时间周期中，将第二负值乘上第二增益因子，而产生该非对称三角轮廓。该等增益因子及该等时间周期的量是相异，以产生该非对称三角轮廓。换言之，所产生的非对称三角轮廓结果具有正斜率及负斜率，其中该正斜率量与该负斜率量是相异。偏移常数可用以控制该非对称三角轮廓的中央扩展、向下扩展、或向上扩展中的一或多个。 
该第二时钟信号具有比该第一时钟信号频谱宽的第二较宽频谱。该第二时钟信号可以被给定路径而遍及该***，作为该***中各种元件的时钟信号。使用第二时钟信号会产生相较于使用第一时钟信号更为降低的EMI。 
因此，本发明的实施例使用一非对称三角频率调制轮廓，其操作可增进展频时钟信号的峰值功率衰减。本发明的实施例也降低该时钟信号的功率频谱中峰值和谷值(低凹处)的差值，而令功率频谱得以更均匀分布。 
本发明提供了一种产生低电磁干扰的时钟信号的方法，包括：接收第一时钟信号，该第一时钟信号具有第一频谱；产生一非对称三角轮廓；以及以该非对称三角轮廓调制该第一时钟信号，以产生第二时钟信号，该第二时钟信号具有第二宽频谱；其中，相较于该第一时钟信号，该第二时钟信号所导致的电磁干扰更为降低，其中产生该非对称三角轮廓包括重复执行：于第一时间周期，将第一正值乘上第一增益因子；于第二时间周期，将第二负值乘上第二增益因子；该第一增益因子产生正斜率供给该非对称三角轮廓；该第二增益因子产生负斜率供给该非对称三角轮廓；使用偏移常数以控制该非对称三角轮廓的中央扩展、向下扩展或向上扩展中的一个、或多个扩展；其中该第一增益因子的量与该第二增益因子的量相异，该第一时间周期与该第二时间周期相异，该正斜率的量与该负斜率的量相异。 
本发明还提供了一种产生低电磁干扰的时钟信号的***，该***包括：输入，用以接收第一时钟信号，其中该第一时钟信号有第一频谱；轮廓产生器，可操作以产生一非对称三角轮廓，且输出该非对称三角轮廓至一多模数除法器；该多模数除法器，接收该轮廓产生器所输出的该非对称三角轮廓且产生输出；相位-频率检测器，于该第一时钟信号上调制该非对称三角轮廓，以执行展频时钟产生，藉此产生第二时钟信号；以及输出用以提供该第二时钟信号；其中该第二时钟信号有第二宽频谱；及其中，相较于该第一时钟信号，该第二时钟信号导致的电磁干扰更为降低，其中该轮廓产生器包括：第一增益元件，用于接收第一正值，并且于第一时间周期将该第一正值乘上一第一增益因子；第二增益元件，用于接收第二负值，并且于第二时间周期将该第二负值乘上一第二增益因子；多工器，用于接收第一增益元件的输出和第二增益元件的输出，并且根据一具有非50％工作周期的时钟信号选择第一增益元件的输出和第二增益元件的输出其中之一输出；累加器，用以接收所述多工器的输出以对其进行累加，且输出所述非对称三角轮廓；以及第一加法器，用以将所述累加器输出的非对称三角轮廓和一偏移常数相加以控制该非对称三角轮廓的中央扩展、向下扩展或向上扩展中的一个、或多个扩展；其中该第一增益因子的量与该第二增益因子的量相异，该第一时间周期与该第二时间周期相异，其中，所述累加器是由一第二加法器和一延迟元件所构成，所述第二加法器的第一输入端连接所述多工器的输出，所述第二加法器的输出端连接所述延迟元件的输入端，所述延迟元件的输出端连接第二加法器的第二输入端和第一加法器的一输入端，该延迟元件的延迟周期等于该多模数除法器输出的周期。 
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。 
附图说明
图1显示于传统技术中，用于展频时钟产生(SSCG)的对称三角轮廓。 
图2显示传统技术图1所示对称三角轮廓的相位轮廓。 
图3显示传统技术图2所示相位轮廓的功率频谱密度，其中该频率是正规化至100KHz。 
图4显示使用传统技术图1的对称三角轮廓的频率调制时钟信号的功率频谱。 
图5显示使用本发明实施例的非对称三角轮廓的计算机***主机板范例。 
图6显示依据本发明实施例用以实施SSCG的电路方块图。 
图7显示依据本发明实施例用以产生非对称三角轮廓的一***。 
图8显示依据本发明实施例的具有工作周期比1∶7的非对称三角频率调制轮廓。 
图9显示图8所示非对称三角频率调制轮廓的相位轮廓。 
图10显示图9所示相位轮廓的频域转换，频率是被正规化至100KHz。 
图11显示使用图8所示非对称三角频率调制轮廓的频率调制时钟信号的功率频谱。 
图12显示使用弦波频率调制轮廓、对称三角频率调制轮廓、及非对称三角频率调制轮廓时，SSCG的各别峰值功率衰减的比较。 
[主要元件标号说明] 
100～计算机***主机板； 
102～处理器； 
104～存储器； 
106～时钟产生器； 
108～展频时钟(SSC)调制器； 
112～轮廓产生器； 
114～多样逻辑器； 
200～使用非对称频率调制轮廓的SSCG的电路； 
202～输入驱动器； 
204～相位-频率检测器； 
206～电荷泵/低通滤波器； 
208～电压控制振荡器； 
210～输出驱动器； 
212～多模数除法器； 
214～SSC除法器； 
216～轮廓产生器； 
218～积分三角调制器； 
220～多工器； 
222～加算节点； 
300～非对称三角轮廓产生器； 
302～正增益值； 
304、308～增益元件； 
306～负增益值； 
310～多工器； 
312、316～加法器； 
314～延迟元件； 
318～时钟信号。 
具体实施方式
图5显示使用本发明实施例的非对称三角轮廓，以执行展频时钟产生(SSCG)的计算机***主机板100。本发明的实施例可应用至使用时钟信号的多种***或装置，例如同步数字***，而图5所示者仅是一个实施例。其它范例***可包括使用具展频时钟信号的低电压差动信号(LVDS)的图像数据传输。许多元件应会正常地出现在计算机***主机板上，但是为了简洁起见，凡与了解本发明无关者都已经被删除。 
如图所示，计算机***主机板100可包括处理器102及耦接该处理器102的存储器104。该主机板可包括时钟产生器106、耦接该时钟产生器106的展频时钟(SSC)调制器108、以及耦接该SSC调制器108的轮廓产生器112。该SSC调制器108可耦接该处理器102及存储器104，与其它多样逻辑器114，如图所示。 
时钟产生器106可产生第一时钟信号给该SSC调制器108，该第一时钟信号具有第一频谱。该SSC调制器108可使用来自轮廓产生器112的非对称三角轮廓，以产生第二时钟信号。换言之，该轮廓产生器112可提供非对称三角轮廓给该SSC调制器108，而该SSC调制器108使用该非对称三角轮廓 而可操作对该第一时钟信号执行展频调制，以产生该第二时钟信号。 
该第二时钟信号具有比该第一时钟信号的频谱宽的第二频谱。该第二时钟信号因此可被给定路径而遍及该***中，作为该***中各种元件的时钟信号。例如图5实施例所示，该第二时钟信号可被供给至该处理器102、存储器104及其它多样逻辑器114。使用第二时钟信号会产生相较于使用第一时钟信号更为降低的EMI。 
图6显示使用非对称频率调制轮廓的SSCG的电路实施范例。 
如图所示，电路200包括接收晶体时钟输入信号的输入驱动器202。该输入驱动器202提供输出CKref至相位-频率检测器(PFD)204的一输入。该PFD 204的另一输入也接收来自多模数除法器212的输出。该PFD 204使用多模数除法器212的输出结果，以在该时钟信号上调制非对称三角轮廓，以实施展频时钟产生(SSCG)。该PFD 204比较CKref和多模数除法器212的输出两者间的频率与相位差。当CKref的上升缘领先(或落后)多模数除法器212的输出时，该PFD 204产生向上up(或向下down)脉冲，其具有等于两者间相位差的持续时间。该PFD 204提供up输出信号与down输出信号至电荷泵与低通滤波器(CP/LPF)206。该CP/LPF 206对up/down脉冲进行滤波及提供增/减输出，以控制电压控制振荡器(VCO)208，其中该增/减控制电压增加或减少该VCO 208的振荡频率。该VCO 208的输出是标示为CKvco。该CKvco信号被供给至输出驱动器210。该输出驱动器210提供时钟输出，其中该时钟输出为已经被该非对称三角轮廓调制过的SSCG时钟输出。来自输出驱动器210的该时钟输出因此可导致相较于使用该晶体时钟输入信号更为降低的EMI。 
该多模数除法器212提供输出至该PFD 204、SSC(展频时钟)除法器214、轮廓产生器216及积分三角调制器218。该SSC除法器214提供输出时钟信号至该轮廓产生器216，该输出时钟信号具有SSC调制周期，例如32微秒。该轮廓产生器216提供输出至该积分三角调制器218。该积分三角调制器218提供输出至一个两输入-多工器220，其中该两输入-多工器(MUX)220的第二输入接收“0”值。两输入-多工器220可用以控制该锁相回路(PLL)是否有SSC调制。当MUX 200选择0输入时，该PLL可被视为除数是固定值的分数-N(fractional-N)PLL。当MUX 200选择积分三角调制器218的输出时，该PLL可被视为除数随每一周期变化的分数-N(fractional-N)PLL。多工器220的输出被供给至加算结点222，该节点亦接收整数值。该加算节点222的输 出被供给至该多模数除法器212。 
因此，该SSCG是由分数-N PLL所实施，且由整数-N PLL所构成；该整数-N PLL具有多模数除法器212、积分三角调制器218及轮廓产生器216。轮廓产生器216的输出连接至积分三角调制器218的输入。该积分三角调制器218的输出被加上整数值，此加算结果是用以控制多模数除法器212。 
图7显示依据本发明实施例用以实施非对称三角轮廓产生器300的***。图7显示用以产生依本发明实施例所用的该非对称三角频率调制轮廓的产生器的实施范例。此范例中，两增益元件Gssc1 304及Gssc2 308被连接以接收正增益值302及负增益值306。该等增益元件Gssc1 304及Gssc2 308提供其输出至一个两输-多工器310。 
该多工器310的选择器输入MUX-SEL接收具有非50％工作周期的时钟信号318。具非50％工作周期的该时钟信号318是用以选择哪一个乘法增益因子，而该乘法增益因子会使用于由加法器312及延迟元件314所构成的累加器。如图7所示，该时钟信号318有周期Tssc，包括高位部T1及低位部。如图所示，此实施例中该低位部T2较该高位部T1的时间为长。 
多工器310的输出供给至两输入-加法器312的一输入。该加法器312的输出被供至延迟元件314，该延迟元件314的延迟周期等于CKref或多模数除法器212输出的周期。延迟元件314的输出被供至反馈路径作为至加法器312的第二输入。被加至加法器316的输出的偏移常数(OFFSETssc)是用以控制非对称三角轮廓的中央扩展、向下扩展及向上扩展。 
因此于一实施例中，该非对称频率调制轮廓是使用具有两适切增益因子(Gssc1及Gssc2)的累加器而得到，该两增益因子是用以对应产生该非对称三角轮廓的正斜率及负斜率。 
图8显示依据本发明实施例的一非对称频率调制轮廓。如图所示，该非对称三角频率调制轮廓具有时间不同的正斜率期间及负斜率期间，亦即该轮廓的工作周期比不等于1。于图8的实施例中，该非对称三角频率调制轮廓具有工作期比为7(亦或1∶7)，且有与图1相同的频率扩展。在各种可能的实施样态下，工作周期比可以是除了1之外的任何数值。于一实施例中，该正斜率与其正斜率维持期间的乘积会等于该负斜率与负斜率维持期间的乘积。 
图9显示图8所示非对称三角频率调制轮廓的相位轮廓。该相位轮廓是由在时域中对该频率调制轮廓进行积分而得。 
图10显示图9所示相位轮廓经过FFT处理后的功率频谱。相较于图4，图10的FFT结果显示，由于非对称波形的特性，奇数谐波及偶数谐波都会出现在相位轮廓的频率转换结果中。该展频时钟信号接着通过图8所示非对称三角频率调制轮廓的频率调制(FM)而得，或通过图9所示相位轮廓的相位调制(PM)而得到。如图11所示，由于更多谐波被调制在该时钟信号中，故该展频时钟信号的功率频谱是更均匀地分布。因此，如图11所示，峰值功率衰减会增加。相较于图4传统技术所示功率频谱，峰值与谷值的差会被大幅地降低。 
图12显示使用弦波频率调制轮廓(曲线□)、对称三角频率调制轮廓(曲线◇)、及非对称三角频率调制轮廓(曲线)时，SSCG的各别峰值功率衰减的比较。如图所示，对应于各时钟频率时，相较于弦波展频时钟(SSC)及对称三角SSC，非对称三角展频时钟(SSC)有最大峰值衰减。 
因此，相较于传统对称三角轮廓，使用非对称三角频率调制轮廓，可提供较佳的峰值功率衰减与更均匀的功率频谱。使用非对称三角频率调制轮廓的本发明实施例，是非常易于实施且制造成本低。 
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，于不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。 

Claims (11)

1.一种产生低电磁干扰的时钟信号的方法，包括：
接收第一时钟信号，该第一时钟信号具有第一频谱；
产生一非对称三角轮廓；以及
以该非对称三角轮廓调制该第一时钟信号，以产生第二时钟信号，该第二时钟信号具有第二宽频谱；
其中，相较于该第一时钟信号，该第二时钟信号所导致的电磁干扰更为降低，
其中产生该非对称三角轮廓包括重复执行：
于第一时间周期，将第一正值乘上第一增益因子；
于第二时间周期，将第二负值乘上第二增益因子；
该第一增益因子产生正斜率供给该非对称三角轮廓；
该第二增益因子产生负斜率供给该非对称三角轮廓；
使用偏移常数以控制该非对称三角轮廓的中央扩展、向下扩展或向上扩展中的一个、或多个扩展；
其中该第一增益因子的量与该第二增益因子的量相异，该第一时间周期与该第二时间周期相异，该正斜率的量与该负斜率的量相异。
2.根据权利要求1所述的产生低电磁干扰的时钟信号的方法，其中调制该第一时钟信号包括：使用该非对称三角轮廓执行频率调制。
3.根据权利要求1所述的产生低电磁干扰的时钟信号的方法，其中调制该第一时钟信号包括：使用衍生自该非对称三角轮廓的相位轮廓执行相位调制。
4.根据权利要求1所述的产生低电磁干扰的时钟信号的方法，其中调制该第一时钟信号包括：把分数-N锁相回路用于该第一时钟信号。
5.根据权利要求1所述的产生低电磁干扰的时钟信号的方法，其中调制该第一时钟信号包括：
将该非对称三角轮廓用于积分三角调制器的输入；
该积分三角调制器产生输出；以及
该积分三角调制器的输出控制多模数处理器。
6.一种产生低电磁干扰的时钟信号的***，该***包括：
输入，用以接收第一时钟信号，其中该第一时钟信号有第一频谱；
轮廓产生器，可操作以产生一非对称三角轮廓，且输出该非对称三角轮廓至一多模数除法器；
该多模数除法器，接收该轮廓产生器所输出的该非对称三角轮廓且产生输出；
相位-频率检测器，于该第一时钟信号上调制该非对称三角轮廓，以执行展频时钟产生，藉此产生第二时钟信号；以及
输出，用以提供该第二时钟信号；
其中该第二时钟信号有第二宽频谱；及
其中，相较于该第一时钟信号，该第二时钟信号导致的电磁干扰更为降低，
其中该轮廓产生器包括：
第一增益元件，用于接收第一正值，并且于第一时间周期将该第一正值乘上一第一增益因子；
第二增益元件，用于接收第二负值，并且于第二时间周期将该第二负值乘上一第二增益因子；
多工器，用于接收第一增益元件的输出和第二增益元件的输出，并且根据一具有非50％工作周期的时钟信号选择第一增益元件的输出和第二增益元件的输出其中之一输出；
累加器，用以接收所述多工器的输出以对其进行累加，且输出所述非对称三角轮廓；以及
第一加法器，用以将所述累加器输出的非对称三角轮廓和一偏移常数相加以控制该非对称三角轮廓的中央扩展、向下扩展或向上扩展中的一个、或多个扩展；
其中该第一增益因子的量与该第二增益因子的量相异，该第一时间周期与该第二时间周期相异，
其中，所述累加器是由一第二加法器和一延迟元件所构成，所述第二加法器的第一输入端连接所述多工器的输出，所述第二加法器的输出端连接所述延迟元件的输入端，所述延迟元件的输出端连接第二加法器的第二输入端和第一加法器的一输入端，该延迟元件的延迟周期等于该多模数除法器输出的周期。
7.根据权利要求6所述的产生低电磁干扰的时钟信号的***，其中该相位-频率检测器包括第一输入接收来自该多模数除法器的输出，及第二输入接收基于该第一时钟信号的参考信号；
其中该相位-频率检测器比较该参考信号与该多模数除法器的输出两者的频率差及相位差，且产生向上或向下脉冲，其脉冲持续时间是基于该相位差。
8.根据权利要求7所述的产生低电磁干扰的时钟信号的***，还包括：
电压控制振荡器，从该相位-频率检测器耦合接收该向上或向下脉冲；
其中该向上或向下脉冲是可操作用以分别增加或减少该电压控制振荡器的振荡频率；
其中该电压控制振荡器产生输出，被供给至该多模数除法器的输入。
9.根据权利要求8所述的产生低电磁干扰的时钟信号的***，其中该电压控制振荡器的输出供给至输出驱动器，以产生该第二时钟信号。
10.根据权利要求8所述的产生低电磁干扰的时钟信号的***，还包括：
电荷泵与低通滤波器，耦接于该相位-频率检测器及该电压控制振荡器之间，其中该电荷泵与低通滤波器对该来自该相位-频率检测器的向上或向下脉冲进行滤波，且输出输出信号至该电压控制振荡器。
11.根据权利要求7所述的产生低电磁干扰的时钟信号的***，还包括：
积分三角调制器耦接该轮廓产生器的输出，其中该积分三角调制器接收轮廓产生器的输出且产生输出给该多模数除法器。
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