Современная электроника №4/2020

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 42 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2020 Управляемый джиттер в цифровых системах и экспериментальная оценка эффективности его использования для снижения помехоэмиссии В статье рассматривается вопрос использования управляемого джиттера для снижения помехоэмиссии, формируемой цифровыми устройствами. Показано, что при использовании управления частотой по гармоническому закону в соответствии с принципами частотной модуляции каждая гармоника периодического сигнала расщепляется на ряд других с меньшей амплитудой. С использованием средств измерений компании Rohde&Schwarz проведены измерения, подтвердившие эффективность использования управляемого джиттера для снижения помехоэмиссии цепей, в которых передаются периодические цифровые сигналы. Николай Лемешко (nlem83@mail.ru ) , Павел Струнин (Pavel.Strunin@rohde-schwarz.com) Введение Использование импульсных сигналов для передачи информации, предложен- ное ещё на заре развития радиоэлектро- ники, имеет бесспорные преимущества. Они позволяют чётко формализовать передаваемую информацию и обе- спечивают высокую помехоустойчи- вость. Привычные для радиоинжене- ров цифровые сигналы, формируемые на основе двоичной системы счис- ления, являются частным случаем импульсных сигналов. Использова- ние цифровых сигналов, а также раз- витые современные способы проекти- рования вполне себя оправдывают [1], позволяя создавать сложные закончен- ныеустройствасширокойфункциональ- ностью. Вместе с тем цифровым устройствам свойственна широкополосная помехо- эмиссия, полоса которой определяется битовой скоростью передаваемых сиг- налов и характеризуется непрерывным спектром, если битовый поток имеет случайный характер. Во многих слу- чаях помехоэмиссия, формируемая цифровыми устройствами (ЦУ), опре- деляет электромагнитную обстановку в части широкополосных помех в месте их эксплуатации [2]. Для некоторых сиг- налов, например тактовых, имеющих выраженную периодичность, в спектре излучений будут присутствовать явно выраженные гармоники, которые лег- ко обнаружить, используя пробники ближнего поля и анализаторы спек- тра либо осциллографы с функцией быстрого преобразования Фурье. Ограничение помехоэмиссии тех- нических средств (ТС) является обя- зательным в составе мероприятий, направленных на обеспечение электро- магнитной совместимости (ЭМС). Сре- ди всех прочих методов ограничения – экранирования, выбора рациональ- ной структуры и топологии печатных узлов и других – модификация исполь- зуемых сигналов является самым моло- дым направлением и потому требует отдельного рассмотрения. Известно, что цифровые сигна- лы характеризуются джиттером [1], т.е. «дрожанием» фронтов и спадов за счёт непостоянства битового интерва- ла. Причины джиттера довольно под- робно рассмотрены в [3], обычно к ним относят вариации напряжения элек- тропитания, разницу накопленного заряда в линиях передачи, бит процес- сы, предшествовавшие текущей пере- даче и т.д. В ЦУ джиттер является вред- ным явлением и потому его стремятся уменьшить различными способами, например, используя тактовые генера- торы с улучшенными показателями ста- бильности либо повышая напряжение электропитания с переходом на соот- ветствующую компонентную базу. Вместе с тем наличие джиттера может быть использовано для снижения уров- ня помехоэмиссии за счёт перераспре- деления энергии помех по частоте, если джиттер будет иметь управляе- мый характер. Это положение требует качественного и количественного обо- снования, а также экспериментальной проверки. Предпосылки использования управляемого джиттера для снижения помехоэмиссии В ЦУ в общем случае используются сигналы в форме произвольных бито- вых последовательностей. Такие сигна- лы имеют сплошной спектр, т.к. явля- ются непериодическими. Построение теории управляемого джиттера (УД) целесообразно сначала выполнять для периодических сигналов, а затем обобщить на произвольные цифровые последовательности. Пусть последовательность нулей и единиц имеет номинальную частоту f 0 и изначально характеризуется отсут- ствием джиттера любой природы. ЦУ может работать в некотором интер- вале значений f 0 , возможные границы которого определяются потребностью в том или ином соотнесении работы ЦУ с физическим временем, а верхняя граница, кроме того, зависит от при- меняемой элементной базы. Любое привнесение в передачу периодиче- ского сигнала оказывает влияние на работу ЦУ, потому оно должно быть по возможности минимальным, не влияющим на выходные параметры устройства и незаметным для пользо- вателя. Следовательно, введение УД не должно существенно изменять значе- ние f 0 , и после него значение часто- ты будет лежать в некотором симме- тричном относительно f 0 интервале [ f 0 – k × f 0 ; f 0 + k × f 0 ], где k << 1. В реаль- ных ЦУ всегда заложен запас на джит- тер, который может быть использован и для рассматриваемого варьирования частоты. Известно, что при неизменной частоте последовательность импуль- сов с амплитудой A и длительностью τ и = T 0 /2, где T 0 = 1/ f 0 , может быть раз- ложена в периодический ряд Фурье. Если такая последовательность явля- ется чётной функцией, то коэффици- енты разложения будут описываться формулой (1) при постоянной состав- ляющей a = A /2. Спектр будет иметь линейчатый характер с гармониками на частотах n × f 0 .