УДК 621.391.82
Вступ та постановка проблеми
Сучасні автомобільні та вбудовані системи характеризуються високою щільністю компонування електронних блоків та зростанням робочих частот. Синхронні послідовні інтерфейси передачі даних, зокрема SPI (Serial Peripheral Interface), оперують на тактових частотах у діапазоні десятків МГц. Через періодичну природу тактового сигналу (SCK) його спектральна енергія концентрується у вузьких частотних смугах на основній частоті та її гармоніках, що створює високий рівень випромінюваних та кондуктивних електромагнітних завад (ЕМІ), регламентованих міжнародним стандартом CISPR 25 [1, с. 12].
Традиційні пасивні заходи пригнічення ЕМІ (LC-фільтри, металеві екрани) підвищують вартість, масу та габарити пристроїв. Ефективним активним рішенням є технологія генерації тактових сигналів із розширеним спектром (SSCG), що розподіляє енергію гармонік у межах смуги Карсона шляхом контрольованої низькочастотної модуляції [2, с. 1234]. Більшість промислових SSCG реалізуються на основі фазового автопідлаштування частоти (ФАПЧ/PLL). Однак для середньошвидкісних синхронних шин використання ФАПЧ є недоцільним через високу схемотехнічну складність, площу на кристалі та внесення додаткового фазового шуму [3, с. 45]. У зв'язку з цим актуальним завданням є розробка та порівняльний аналіз спектральної ефективності профілів модуляції для RC-релаксаційних генераторів без ФАПЧ [4, с. 4646].
Мета роботи
Метою роботи є проведення порівняльного аналізу спектральної ефективності періодичних профілів модуляції (трикутного, кусково-лінійного PWL та Hershey-Kiss) у RC-релаксаційному генераторі тактових сигналів без ФАПЧ (PLL-less) для мінімізації пікових рівнів ЕМІ за стандартом CISPR 25 [1, с. 35] та забезпечення цілісності даних у синхронному інтерфейсі SPI.
Методи та результати досліджень
Процес частотної модуляції тактового сигналу описується виразом миттєвої частоти:
де wc- несуча частота, а vm (t)- нормована модулююча функція.
Теоретичний коефіцієнт пригнічення піків ЕМІ (γ, дБ) обчислюється за формулою [4, с.4648]:
Ядром дослідницької моделі в MATLAB/Simulink обрано RC-релаксаційний осцилятор [3, с. 46]. Для точної пре-силіконової оцінки відповідно до нормативних вимог у модель інтегровано віртуальний вимірювальний ЕМІ-приймач стандарту CISPR 25 [1, с. 45] з Peak-детектором та смугою розділення RBW = 9 кГц у діапазоні від 33 кГц до 30 МГц із кроком сканування 1 кГц [5, с. 2].
Проведено моделювання трьох ключових періодичних профілів модуляції при однакових базових параметрах: глибині модуляції δ = 10% (Δfc = 400 кГц), частоті модуляції fm = 10 кГц та індексі модуляції mf = 40:
1. Немодульований сигнал (FPC): Формує гострий спектральний пік на несучій частоті 4 МГц з амплітудою близько -1 дБ.
2. Класичний трикутний профіль (kT = 0.5): Забезпечує лінійну зміну частоти та формує відносно плоский спектральний розподіл у смузі Карсона з піковим рівнем -16.7 дБ (пригнічення завад на 15.7 дБ).
3. Кусково-лінійний (PWL) профіль: Формується за допомогою 3 лінійних сегментів із різними кутами нахилу. Забезпечує загальне зниження піків ЕМІ до -17 дБ, а безпосередньо на несучій частоті — до -20 дБ [2, с. 1238].
4. Експоненціальний профіль Hershey-Kiss (p = 6): Забезпечує найплоскішу огинаючу спектра у смузі Карсона з піковим рівнем -17.2 дБ та зниженням на несучій частоті до -20 дБ.
Таблиця 1. Порівняльна характеристика ефективності профілів модуляції
Розширення спектра супроводжується введенням контрольованого джиттеру, що впливає на часовий бюджет інтерфейсу SPI. Порівняльний аналіз режимів розширення показав:
– Center-Spread (δ = 10%): Максимальна миттєва частота зростає до fmax = fc(1 + δ), що скорочує мінімальний тактовий період до Tclk,min = T0 / (1 + δ) ≈ 90.91 нс (при fc = 10 МГц) та зменшує часове вікно встановлення даних (tsu) на 4.55 нс.
– Down-Spread (δ = 10%): Частота коливається лише нижче номіналу (f(t) ∈ [fc(1-δ), fc]), завдяки чому мінімальний тактовий період залишається сталим (Tclk,min = T0 = 100 нс).
Застосування режиму Down-Spread гарантує збереження необхідного часу встановлення (tsu) та утримання (thd) приймача Master/Slave, забезпечуючи нульовий коефіцієнт бітових помилок (BER = 0) при збільшенні глибини модуляції до 10–15% [3, с. 47].
Висновки
1. Розроблена поведінкова модель RC-релаксаційного генератора з інтегрованим віртуальним ЕМІ-приймачем CISPR 25 [1, с. 45; 5, с. 2] дозволяє здійснювати точну пре-силіконову оцінку спектральних характеристик та вибору параметрів модуляції.
2. Доведено, що кусково-лінійний (PWL) профіль модуляції є оптимальним за співвідношенням «ефективність/складність»: він забезпечує рівень пригнічення завад до -20 дБ (на рівні профілю Hershey-Kiss) [2, с. 1238], але вимагає значно простішої апаратної реалізації без використання цифрових таблиць пам'яті (LUT) чи нелінійних обчислювачів.
3. Для збереження цілісності даних у синхронному інтерфейсі SPI обґрунтовано вибір режиму Down-Spread, який запобігає скороченню мінімального тактового періоду Tclk,min, зберігаючи часовий запас встановлення даних [3, с. 47].
Список літератури
1. CISPR 25:2021. Vehicles, boats and internal combustion engines – Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement for the protection of on-board receivers. IEC, 2021. 162 p.
2. Song M., Ahn S., Jung I., Kim Y., Kim C. Piecewise linear modulation technique for spread spectrum clock generation. IEEE Transactions on VLSI Systems. 2013. Vol. 21, No. 7. P. 1234–1245.
3. Tsymbal O., Lebedev D. Spread spectrum modulation technique investigation for PLL-less clock generator using MATLAB/Simulink environment. Advanced Information and Communication Technologies. 2025. P. 45–48.
4. Pareschi F., Setti G., Rovatti R. Practical optimization of EMI reduction in spread spectrum clock generators. IEEE Transactions on Power Electronics. 2014. Vol. 29, No. 9. P. 4646–4657.
5. Bendicks A. Virtual EMI test receiver (Version 1.0.0). MATLAB Central File Exchange. 2022. URL: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/109119-virtual-emi-test-receiver (дата звернення: 15.09.2026).
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter