一、动态调频（DFS）与展频的基本概念

1. 动态调频（Dynamic Frequency Scaling, DFS）

动态调频是一种根据系统工作负载动态调整时钟频率的技术。其核心目的是在不影响性能的前提下，通过降低时钟频率来降低功耗。

• 高负载时：提高主频，确保性能；

• 低负载时：降低频率，节省能耗。

在 FPGA 中的应用优势：

• 降低核心逻辑和外设的动态功耗；

• 结合动态电压调节（DVS）可以实现更精细的功耗管理；

• 动态频率可用于应对热设计限制。

2. 展频（Spread Spectrum）

展频技术指的是将系统主时钟信号的频谱扩展到一个较宽的频率范围，以降低单一频点的辐射干扰（EMI）。

• 中心展频：围绕中心频率对称扩展；

• 下展频：频率仅向低频侧扩展。

应用目的：

• 分散能量密度，减少对其他设备的干扰；

• 满足严格的EMC测试标准。

二、FPGA 中动态调频的实现机制

1. 利用 FPGA 的 PLL/DLL 单元

现代 FPGA（如 Xilinx、Intel/Altera 等）集成了**PLL（Phase-Locked Loop）和DLL（Delay-Locked Loop）**模块，可动态生成不同频率的时钟信号。

• FPGA 中可编程 PLL 支持频率乘法/除法；

• 可在运行时重配置 PLL 实现动态调频；

• 利用 Clock Management Tile（如 Xilinx 的 CMT）支持多个频率输出通道。

2. 动态重配置技术（Dynamic Reconfiguration）

通过**FPGA 动态部分重配置（Partial Reconfiguration）**技术，可以在不重启系统的情况下修改时钟网络参数：

• 使用 AXI-Config 接口进行频率设置；

• 支持按需切换模块的工作频率；

• 多频点配置表支持动态调用，适用于负载波动明显的应用。

3. 与电源管理协同控制

在 SoC FPGA 中（如 Xilinx Zynq 系列），DFS 可与处理器子系统（ARM）协同工作：

• ARM 处理器监控任务负载；

• 通过控制 FPGA 时钟生成模块动态设置频率；

• 与 DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）策略联合控制系统功耗。

三、FPGA 中展频技术的实现要点

1. 基于 PLL 的展频功能

许多 FPGA 的 PLL 模块本身支持 Spread Spectrum 功能。例如：

• Xilinx MMCM/PLL 支持 Spread Spectrum Clocking（SSC）；

• Intel/Altera PLL IP 具备调制选项，可开启展频。

参数设置包括：

• 调制方式（中心展频/下展频）；

• 调制深度（通常为±0.5%~±2.5%）；

• 调制频率（数十 kHz）。

2. 自定义展频逻辑模块

当 FPGA 内建 PLL 不支持展频功能时，可通过逻辑资源自定义实现：

• 使用 ROM/LUT 生成调制波形；

• 控制相位增量调制 NCO（Numerically Controlled Oscillator）；

• 输出伪随机或周期调制的频率信号。

3. 注意系统同步问题

由于展频会动态改变时钟频率，需注意系统中同步信号的时钟域跨越问题：

• 多时钟域之间增加同步桥接；

• 确保跨时钟域数据完整性；

• 适配带宽变化对接口协议的影响。

四、动态调频与展频功能实现中的关键技术点

1. 时钟域划分与管理

• 明确系统各模块的频率需求；

• 划分主时钟域与辅助时钟域；

• 对于可调频域需使用独立 PLL 或 MMCM。

2. 频率切换的平滑性

• 采用锁相环（PLL）慢启动策略；

• 通过中断机制或标志位判断频率稳定；

• 避免频率跳变对逻辑控制和存储器访问造成影响。

3. 低功耗设计配套

• 搭配门控时钟技术（Clock Gating）；

• 动态切断不活跃模块的时钟信号；

• 动态电压调整需匹配频率变化曲线。

4. EMI 测试与验证

• 展频参数选择需兼顾系统稳定性和EMI减弱效果；

• 使用频谱分析仪测试不同模式下的辐射频谱；

• 必要时与硬件工程师协同调整布局布线。

五、FPGA 动态调频与展频的典型应用场景

1. 通信系统

• 多速率通信协议适配（如USB、PCIe、Ethernet）；

• 根据传输速率切换相应频率，降低能耗；

• 展频用于减小信号辐射干扰，提升兼容性。

2. 便携式设备

• 在低功耗状态（如待机或低运算模式）降低FPGA频率；

• 延长电池寿命；

• 提高用户体验。

3. 工业控制

• 在工业应用中，EMC标准严格；

• 展频能显著降低因时钟噪声引发的系统干扰；

• FPGA 可通过远程下发频率策略实现远程设备能效管理。

六、未来趋势与发展方向

1. 更智能的动态频率调节算法
   结合机器学习或 AI 模型预测负载变化，实现预调频策略。

2. FPGA 与 SoC 更深度集成
   如 Intel Agilex、Xilinx Versal 平台，提供更强大的调频与功耗控制模块。

3. 配合 Chiplet 架构发展
   多芯片互联中，每个芯粒可独立动态调频与展频，形成异构调度体系。

结语

FPGA 的动态调频与展频功能不仅体现了其高灵活性，也为复杂系统的功耗优化、电磁兼容性设计提供了重要技术支撑。本文从原理、实现机制到关键技术点进行了全面剖析，旨在为工程技术人员提供实用指导，也为“FPGA 调频”、“FPGA 展频”、“FPGA 低功耗设计”等百度搜索关键词提供优质内容基础。

在未来FPGA应用持续深化的背景下，DFS 与 Spread Spectrum 将越来越成为衡量FPGA系统设计成熟度的重要标志。