정광인스텍

고정된 스위칭 주파수를 사용하지 않고, 의도적으로 일정한 양으로 변조시킴으로써, 하나의 주파수에 에너지를 집중하지 않고 에너지를 확산시키는 기능입니다. 피크의 크기를 낮춤으로써 EMI를 줄이는 장점이 있습니다. 의도적인 변조 방식으로 고속 전자 신호에 사용되는 기술입니다.

SSC는 피크 에너지를 낮추기위해 클럭의 주파수를 변조하는 기술입니다. 시간축을 기준으로 본다면, 매 클럭 에지의 주기를 아주 미세한 양으로 서서히 넓히거나 좁혀줌으로써 클럭 주파수에서 크게 벗어나지 않는 범위에서 주기를 넓혔다가 좁혔다는 반복한다고 생각하면 이해가 쉽습니다. 결국 주파수 또는 위상을 서서히 주어진 범위와 모양에서 변조시키는 것입니다. 변조 시키는 모양을 프로파일이라고 이해하셔도 크게 잘못된 것은 아닙니다.

SSC는 주파수 도메인에서 또는 타임 도메인에서 그 결과를 확인할 수 있습니다.

주파수 도메인에서의 SSC

그림 1은 100MHz의 구형파 클럭과 주파수 스펙트럼을 보이고 있습니다. 주파수 도메인의 스팬은 100MHz를 중심으로 ±2.5MHz로 설정했습니다(97.5MHz ~ 102.5MHz). 주파수 분해능은 10kHz입니다. 측정중인 파라미터로는 입력 클럭의 주파수, 스펙트럼상의 100MHz에서의 피크 값(level@x)과 에너지를 확인할 수 있는 면적(Area)을 측정했습니다. 그 결과로는 frequency :100.0094MHz, 100MHz에서의 피크는 6.0dBm과 Area는 47.8dBm을 얻었습니다.



                          그림 1. 기본 100MHz 구형파 클럭과 그 스펙트럼

SSC의 기본 아이디어는 100MHz에서의 높은 피크가 방사되어 EMI를 방출할 수 있다는 것입니다. EMI를 줄이기 위해 하나의 주파수에 집중되어 있는 에너지를 넓게 분포시켜 신호에서 발생할 수 있는 EMI를 줄이겠다는 것입니다. 이 기술을 적용함으로써 주변 회로에 주는 영향을 줄이고 FCC(Federal Communications Commission)에서 요구하는 복사 방출양을 맞출 수 있습니다.SSC를 적용하는 것이 데이터를 전송하는 드라이버의 슬루율을 조절할 수 있도록 회로를 구성하는 것보다 비용적으로도 유리합니다.

그림 2에서는 같은 신호(100MHz) 클럭에 31kHz의 삼각파 프로파일의 스프레드 스펙트럼을 적용한 클럭의 스펙트럼 결과입니다. SSC는 31kHz의 모듈레이션 주파수와 0.5% (5,000 ppm) 다운스프레드가 적용된 클럭입니다.



그림 2. SSC가 적용된 100MHz 구형파 클럭과 스펙트럼. 날카롭고 큰 피크가 사라지고 주파수가 넓게 분포하고 있음

주파수 도메인 설정은 그림 1에서와 동일하게 97.5MHz ~ 102.5MHz의 주파수 범위를 표시하고 있으며, 10kHz 주파수 분해능을 적용했습니다.입니다. 측정중인 파라미터로는 입력 클럭의 주파수, 스펙트럼상의 100MHz에서의 피크 값(level@x)과 에너지를 확인할 수 있는 면적(Area)을 측정했습니다. 그 결과로는 frequency :99.8069MHz, 100MHz에서의 피크는 -12.1dBm과 Area는 47.8dBm을 얻었습니다.

100MHz에서의 피크 값을 현저하게 줄고, 면적은 같은 값을 유지하여 에너지는 같다는 것을 알 수 있습니다. 그림 3에서는 SSC가 적용되기 전과 후의 스펙트럼을 겹쳐서 비교하고 있습니다.



                             그림 3. SSC 적용 전후의 클럭 스펙트럼 비교

실제 애플리케이션에 적용되는 확산 스펙트럼 파형은 레퍼런스 클럭을 주파수 변조하여 생성됩니다. PCIe, USB등에서 적용하는 SSC의 경우, 모듈레이션 주파수는 30-33kHz인 삼각파 프로파일을 사용하며, 전송 데이터 신호 속도에서 약 0.5%(5,000ppm) 다운 스프레드가 되도록 설정됩니다.



  그림 4. SSC 클럭의 스펙트럼과 타임도메인에서 관측한 삼각 프로파일. 텔레다인크르로이의 SSC Track 기능 사용(분홍색 파형)

100MHz 레퍼런스 클럭에 대한 스펙트럼과 SSC 모듈레이션 프로파일을 같이 보이고 있습니다. 그림 4의 왼쪽 하단에 표시된 분홍색의 파형은 텔레다인르크로이 오실로스코프에서 제공하는 SSC Track 기능을 사용하여 얻을 SSC 프로파일입니다. 해당 그리드의 수직축의 중앙 부분이 캐리어 주파수 위치입니다. 프로파일이 해당 주파수에서 부터 아래 방향으로 주파수가 삼각형모양으로 모듈레이션되어 움직이고 있다는 것을 확인할 수 있습니다.

파라미터 측정을 통해, SSC Modulation Frequency 31kHz, min to max 501kHz 및 퍼센트와 ppm으로 표현된 같은 값을 확인할 수 있습니다.

지터, 타임도메인에서의 SSC

SSC는 기본적으로 주파수 모듈레이션을 사용하기 때문에 SSC 적용 전보다 많은 지터를 포함하고 있습니다. 물론 의도한 것이긴 합니다. 그림 5에서는 SSC가 적용된 클럭과 모듈레이션이 적용되지 않는 클럭의 프로파일과 TIE(Time Interval Error)의 측정값과 측정값을 트랙한 플롯을 비교하고 있습니다.



  그림 5. 타임도메인에서 관측한 SSC 적용 전,후의 주파수 프로파일과 TIE 지터 트랙 비교

그림의 왼쪽 편이 SSC가 적용되지 않은 클럭의 프로파일과 TIE 트랙입니다. 오른편은 SSC가 적용된 파형의 프로파일입니다. 오른쪽 하단의 TIE 트랙 결과를 보면 지터가 기준 에지를 중심으로 약 ±10ns까지 움직이고 있는 제법 큰 지터가 나타나고 있습니다.

이 정도의 크기는 제법 큰 지터양에 속합니다. 하지만 데이터를 받는 리시버 내부의 CDR(Clock Data Recovery)의 PLL에서 서서히 변하는 지터는 트랙킹이 가능하기 때문에 SSC 프로파일에의해 적용된 지터의 영향은 거의 사라지게됩니다.

결국, SSC는 효과적으로 EMI를 줄일 수 있는 방법으로 최근의 시리얼 데이터 통신에서 거의 기본으로 선택되고 있는 모듈레이션 방법 중의 하나입니다. 아래는 USB4에서 전송단의 SSC를 확인할 때 적용하는 테스트 파라미터의 예입니다. 그림 6은 파라미터의 이해를 돕기위해 표시한 파라미터의 설명입니다.



                              그림 6. SSC 프로파일의 측정 파라미터 설명


 
    USB4 Router Assembly Electrical Compliance Test Specification, Rev 1.02 참조