基于PLL的時(shí)鐘恢復設計方案

不管是放到測試設置中，還是作為被測設備的一部分，時(shí)鐘恢復都在進(jìn)行準確的測試測量時(shí)發(fā)揮著(zhù)重要作用。由于大多數千兆位通信系統都是同步系統，因此系統內部的數據都使用公共時(shí)鐘定時(shí)。不管是沿著(zhù)幾英寸的電路板傳送，還是經(jīng)過(guò)光纖橫跨大陸，數據與其定時(shí)輸入的時(shí)鐘之間的關(guān)系都可能會(huì )被打亂。通過(guò)直接從數據中提取時(shí)鐘，可以在接收機正確實(shí)現信號再生。

必須指出的是，接收機通常會(huì )改善輸入的數據信號，然后再繼續傳送。接收機中的判定電路對數據再定時(shí)，使波形變方。這一過(guò)程依賴(lài)于與輸入數據同步的時(shí)鐘信號。接收機內部的時(shí)鐘恢復功能實(shí)現了這一目標，前提是再定時(shí)時(shí)鐘要以相同的方式、相同的時(shí)間移動(dòng)。

基于PLL的時(shí)鐘恢復

可以通過(guò)不同架構實(shí)現時(shí)鐘恢復，測量設備中最常用的是基于鎖相環(huán)(PLL)的方法。根據在數據中看到的跳變，使用恢復電路導出與輸入數據同步的時(shí)鐘，這取決于看到數據中的跳變。對擁有多串完全相同位的數據段，PLL必須保持鎖定。環(huán)路增益對環(huán)路帶寬的影響最明顯，環(huán)路濾波器內部的任何濾波一般都會(huì )產(chǎn)生次生效應。應該指出的是，輸入數據的跳變密度會(huì )影響進(jìn)入環(huán)路的能量，進(jìn)而影響環(huán)路的特性。因此，一致性測試中的環(huán)路帶寬會(huì )視選擇的碼型的跳變密度而變化。

系統轉函在輸入信號的相位調制上執行低通濾波操作，錯誤響應轉函則執行高通濾波功能。在未能追蹤帶寬以外的相位調制時(shí)，環(huán)路會(huì )追蹤環(huán)路帶寬以?xún)鹊妮斎胂辔徽{制。這樣，環(huán)路就可以追蹤低頻抖動(dòng)，而忽略PLL環(huán)路帶寬以外的高頻抖動(dòng)。

衡量PLL抖動(dòng)追蹤特性的指標之一是環(huán)路帶寬(LBW)，通常在“抖動(dòng)輸入/抖動(dòng)輸出”轉函為-3dB的點(diǎn)上測得。但這并不是確定環(huán)路的唯一方式。

寬LBW改善了抖動(dòng)容限，窄LWB則會(huì )從被恢復的時(shí)鐘中去掉更多的抖動(dòng)，這有利于下游的同步器，但會(huì )降低抖動(dòng)容限。盡管寬LBW似乎是理想選擇，但通常還要考慮成本和技術(shù)。寬LBW還會(huì )帶來(lái)更多的噪聲或隨機抖動(dòng)。目前測量中使用的LBW一般在1～10MHz的范圍內。

時(shí)鐘恢復的輸入和輸出

必須指出測量中是怎樣使用時(shí)鐘恢復的，哪些地方會(huì )發(fā)生錯誤。例如，在發(fā)射機測試一側，要求時(shí)鐘恢復的主要原因通常有兩個(gè)：沒(méi)有提供作為測試設備觸發(fā)的時(shí)鐘信號，或者標準要求使用特定的LBW進(jìn)行抖動(dòng)測量(參見(jiàn)圖1中的a部分)。后一種情況的目的，是用系統接收機(如BERTScope BSA系列)包含時(shí)鐘恢復來(lái)追蹤部分輸入抖動(dòng)，這樣發(fā)射機測試應該只涉及接收機沒(méi)有追蹤的高頻抖動(dòng)(參見(jiàn)圖1)。

由此可見(jiàn)，對抖動(dòng)成分接近時(shí)鐘恢復LBW的被測信號，LBW設置不正確可能會(huì )導致抖動(dòng)測量不準確。有時(shí)標準會(huì )暗示要在測試中使用時(shí)鐘恢復，例如提到“黃金PLL”，或指定要“在使用以20dB/decade將抖動(dòng)衰減到(比特率/1,667)頻率以下的單極、高通、頻率加權函數后”測量抖動(dòng)。

擴頻時(shí)鐘(SSC)把時(shí)鐘能量(和數據)擴散在0.5%的頻段上，降低了頻譜給定頻率上的平均功率。這可以幫助產(chǎn)品滿(mǎn)足放射輻射和傳導輻射的法規要求。為成功地追蹤SSC，接收機必須能夠追蹤調制(包括其諧波)，以避免眼圖閉合。如果環(huán)路響應未能充分追蹤SSC，或在時(shí)鐘和數據路徑之間出現錯誤的延遲，那么測試眼圖就會(huì )模糊閉合。

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不正確的峰值(即LBW附近區域，這里的時(shí)鐘恢復設備抖動(dòng)輸出可能會(huì )大于抖動(dòng)輸入)可能會(huì )放大被測的抖動(dòng)數量。此外，測試設備中相對于輸入數據信號的觸發(fā)延遲可能會(huì )導致測得的抖動(dòng)數量不正確。例如，測量系統中的固定延遲可能會(huì )導致測得額外的明顯抖動(dòng)。增加的抖動(dòng)幅度取決于相對于延遲量的抖動(dòng)頻率。

在接收機端，時(shí)鐘恢復可能會(huì )出現在被測器件中，也可能作為測試設備校準程序的一部分出現。在被測器件中，時(shí)鐘恢復頻頻出現，在測試中通常使用壓力和正弦曲線(xiàn)抖動(dòng)實(shí)現(參見(jiàn)圖1中的b部分)。在正弦曲線(xiàn)抖動(dòng)中，測試一般使用模板，這會(huì )在較低的調制頻率上應用較多的抖動(dòng)，或在較高頻率上應用較少的抖動(dòng)。

其中的問(wèn)題包括在接收機中使用設計不當的LBW，這會(huì )導致抖動(dòng)容限模板失效。追蹤響應的斜率不正確可能會(huì )使追蹤SSC的準確性不夠，導致測試眼圖模糊閉合，并產(chǎn)發(fā)生誤碼。

時(shí)鐘恢復被頻繁用于測試設備設置及接收機抖動(dòng)容限或受壓的眼圖信號校準(參見(jiàn)圖1中的c部分)。正弦曲線(xiàn)抖動(dòng)通常設置成頻率高于校準過(guò)程中時(shí)鐘恢復的LBW。但是，LBW不正確可能會(huì )導致壓力量設置錯誤，進(jìn)而造成被測器件壓力不足或過(guò)大，前者會(huì )提高客戶(hù)拒收的可能性，后者則會(huì )影響良率。

從所有這些情況中，很容易得出這樣的結論，即LBW設置非常關(guān)鍵，對測量中觀(guān)察到的抖動(dòng)有著(zhù)明顯影響。改變環(huán)路帶寬可以顯示抖動(dòng)頻譜。以非常窄的LBW進(jìn)行測試，可以顯示被測發(fā)射機產(chǎn)生的所有抖動(dòng)。而使用非常寬的LBW進(jìn)行測試，則只會(huì )顯示發(fā)射機產(chǎn)生的、預定系統接收機用自己的PLL不能濾掉的抖動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，一致性測試中會(huì )指定后一種時(shí)鐘恢復方式。系統設計人員主要關(guān)心超出接收機追蹤能力的抖動(dòng)。

分布式時(shí)鐘方案

并不是所有系統都從數據流中導出時(shí)序。部分系統如PCI Express和全緩沖雙直列內存模塊(DIMM)，它們使用發(fā)送到通信鏈路每一端的分布式時(shí)鐘來(lái)為數據定時(shí)。發(fā)送端和接收端使用PLL來(lái)生成參考時(shí)鐘。

一般來(lái)說(shuō)，分布式參考時(shí)鐘將有一定數量的抖動(dòng)，如來(lái)自原始晶體的相位噪聲。它也可能會(huì )有SSC。時(shí)鐘在每個(gè)IC內再生，并用來(lái)為發(fā)送功能和接收功能提供時(shí)鐘。每個(gè)PLL將有一個(gè)環(huán)路響應，如果其作用完全相同，那么一個(gè)PLL上的抖動(dòng)完全可以由另一個(gè)PLL追蹤，也就是說(shuō)，接收機看不到任何凈效應。但實(shí)際情況往往要更加復雜。

即使對采用相同設計、相同制造工藝及相同生產(chǎn)批次制造的器件來(lái)說(shuō)，幾乎也不可能獲得完全相同的環(huán)路響應。由于確保IC之間及IC內部的路徑長(cháng)度一樣也很困難，因此在接收機抖動(dòng)中還會(huì )出現同等的觸發(fā)延遲，導致出現更多的抖動(dòng)。

嵌入式時(shí)鐘方案

把時(shí)鐘嵌入到數據中是保證在接收機準確恢復發(fā)射的數據流的一種常用方式。但一旦實(shí)現，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即系統以一種時(shí)鐘速率運行，而輸入的碼流會(huì )以略微不同的速率運行。必須以某種方式重新為數據輸入時(shí)鐘，以便與接收端系統相匹配。

在某些結構中，特別是在SONET/SDH中，設計人員做的一項重要工作是使系統中的所有時(shí)鐘盡可能地匹配，這是通過(guò)基于全球定位系統(GPS)來(lái)分配高度準確的系統時(shí)鐘，或者基于銣(Rubidium)或類(lèi)似標準來(lái)分配本地時(shí)鐘而實(shí)現的。

其它結構則承受了時(shí)鐘速率差異性更大的特點(diǎn)，以此來(lái)降低成本和復雜性。在任何情況下，系統最終都必須處理所有的不匹配，這一般要等到差異超過(guò)1個(gè)比特或1個(gè)幀，然后插入或刪除比特或字符。通常，系統協(xié)議會(huì )插入多個(gè)字符，稱(chēng)為填充字，這些字符在接收機上會(huì )被舍棄掉。還有的時(shí)候，如果需要的話(huà)，協(xié)議會(huì )允許接收機插入自己的字符，而不會(huì )打亂數據的含義。

增加或刪除這些字符可能會(huì )極大地影響測試?；趨f(xié)議的測試設備通常被設置成處理插入的或刪除的字符，同時(shí)仍能識別底層信息。但是，物理層測試設備有時(shí)更加受限，它要求碼型完全符合沒(méi)有變化的已知重復序列。多出或漏掉碼會(huì )導致設備認為發(fā)生了錯誤。

在系統管理基線(xiàn)漂移時(shí)也會(huì )發(fā)生數據碼型變化，即系統會(huì )經(jīng)過(guò)AC耦合和一長(cháng)串完全相同的位，導致平均信號電壓漂移，直到發(fā)生誤碼。在這種情況下，協(xié)議方案對于每個(gè)有效字符通常有兩個(gè)版本，并確定發(fā)送最能有效抗擊任何基線(xiàn)漂移或運行不一致的版本。接收機上的協(xié)議智能完全能夠識別哪種版本是正確，但這也違反了某些測試設備對碼型不變的要求。

某些測試設備可以進(jìn)行參數測量，而無(wú)需重復碼型。這在檢查物理層問(wèn)題時(shí)非常有效，但不能處理協(xié)議錯誤。此外，還有可能會(huì )漏掉清除后作為正確碼重傳的接收機誤碼，盡管這些碼是有問(wèn)題的。

通過(guò)使用環(huán)回測試，發(fā)送到接收機的信號被環(huán)回，成為發(fā)射機的輸出。但數據并不總是完全相同，因為時(shí)鐘速率匹配錯誤會(huì )導致填充字變化，這可能會(huì )使測試設備混亂。在這些情況下，一種解決方案是創(chuàng )建一個(gè)測試環(huán)境，其中發(fā)射機時(shí)鐘域和接收機時(shí)鐘域完全一樣，從而無(wú)需進(jìn)行域速率匹配。許多使用儀器時(shí)鐘恢復的方案可以用測試設備輸出的準確速率創(chuàng )建一個(gè)時(shí)鐘信號，然后再利用這個(gè)信號為環(huán)回測試生成一個(gè)測試信號。

隨著(zhù)時(shí)鐘恢復在更多的系統和測試設置中日益普遍，必須考慮其對測量的影響。許多外部影響可能會(huì )打亂數據和時(shí)鐘源之間的關(guān)系。通過(guò)了解這兩者之間的關(guān)系，可以獲得更實(shí)用、更準確的測量結果。