時(shí)鐘是怎么恢復的？

對于高速的串行總線(xiàn)來(lái)說(shuō)，一般情況下都是通過(guò)數據編碼把時(shí)鐘信息嵌入到傳輸的數據流里，然后在接收端通過(guò)時(shí)鐘恢復把時(shí)鐘信息提取出來(lái)，并用這個(gè)恢復出來(lái)的時(shí)鐘對數據進(jìn)行采樣，因此時(shí)鐘恢復電路對于高速串行信號的傳輸和接收至關(guān)重要。

CDR電路原理

時(shí)鐘恢復的目的是跟蹤上發(fā)送端的時(shí)鐘漂移和一部分抖動(dòng)，以確保正確的數據采樣。時(shí)鐘恢復電路(CDR：Clock Data Recovery)一般都是通過(guò)PLL(Phase lock loop)的方式實(shí)現，如下圖所示。輸入的數字信號和PLL的VCO(Voltage-controlled oscillator，壓控振蕩器 )進(jìn)行鑒相比較，如果數據速率和VCO的輸出頻率間有頻率差就會(huì )產(chǎn)生相位差的變化，鑒相器對這個(gè)相位誤差進(jìn)行比較并轉換成相應的電壓控制信號，電壓控制信號經(jīng)過(guò)濾波器濾波后產(chǎn)生對VCO的控制信號從而調整VCO的輸出時(shí)鐘頻率。使用濾波器的目的是把快速的相位變化信息積分后轉換成相對緩慢的電壓變化以調整VCO的輸出頻率，這個(gè)濾波器有時(shí)又稱(chēng)為環(huán)路濾波器，通常是一個(gè)低通的濾波器。通過(guò)反復的鑒相和調整，最終VCO的輸出信號頻率和輸入的數字信號的變化頻率一致，這時(shí)PLL電路就進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

環(huán)路帶寬對眼圖、抖動(dòng)測量的影響

值得注意的是，在真實(shí)的情況下，輸入的數字信號并不是一個(gè)純凈的信號，而是包含了不同頻率成分的抖動(dòng)。對于低頻的抖動(dòng)來(lái)說(shuō)，其造成的是數據速率的緩慢變化，如果這個(gè)緩慢變化的頻率低于環(huán)路濾波器的帶寬，輸入信號抖動(dòng)造成的相位變化信息就可以通過(guò)環(huán)路濾波器從而產(chǎn)生對VCO輸出頻率的調整，這時(shí)VCO的輸出時(shí)鐘中就會(huì )跟蹤上輸入信號的抖動(dòng)。而如果輸入信號中抖動(dòng)的頻率比較高，其造成的相位變化信號不能通過(guò)環(huán)路濾波器，則VCO輸出的時(shí)鐘中就不會(huì )有隨輸入信號一起變化的抖動(dòng)成分,也就是說(shuō)輸入信號中的高頻抖動(dòng)成分被PLL電路過(guò)濾掉了。

如下圖所示，我們通常會(huì )用PLL電路的JTF(Jitter Transfer Function，抖動(dòng)傳遞函數)曲線(xiàn)描述PLL電路對于不同頻率抖動(dòng)的傳遞能力。JTF曲線(xiàn)通常是個(gè)低通的特性，反映了PLL電路對于低頻抖動(dòng)能很好跟蹤而對高頻抖動(dòng)跟蹤能力有限的特性。

對于低頻的抖動(dòng)，PLL電路能夠很好地跟蹤，恢復出來(lái)的時(shí)鐘和被測信號一起抖動(dòng)。如果接收端的芯片用這個(gè)恢復時(shí)鐘為基準對輸入信號進(jìn)行采樣，由于此時(shí)時(shí)鐘和被測信號一起抖動(dòng)，所以這種低頻的抖動(dòng)不會(huì )被觀(guān)察到，對于數據采樣的建立保持時(shí)間也沒(méi)有太大影響。

相反地，高頻的抖動(dòng)會(huì )被PLL電路過(guò)濾掉，因此輸出的時(shí)鐘里不包含這些高頻的抖動(dòng)成分。如果用這個(gè)時(shí)鐘對數據信號進(jìn)行采樣，就會(huì )觀(guān)察到輸入信號里明顯的抖動(dòng)。接收端用恢復時(shí)鐘進(jìn)行采樣時(shí)能夠看到的抖動(dòng)與抖動(dòng)頻率間的關(guān)系有時(shí)我們會(huì )用OJTF(Observed Jitter Transfer Function，觀(guān)察到的抖動(dòng)傳遞函數)曲線(xiàn)來(lái)描述，其隨頻率的變化曲線(xiàn)正好JTF曲線(xiàn)相反。

正因為時(shí)鐘恢復電路對于低頻抖動(dòng)的跟蹤特性，因此很多高速串行總線(xiàn)的接收芯片對于低頻抖動(dòng)的容忍能力會(huì )遠遠超過(guò)對高頻抖動(dòng)的容忍能力。下圖是USB3.0總線(xiàn)對于接收端芯片對于不同頻率抖動(dòng)容忍能力的要求的一條曲線(xiàn)，可以看到其對低頻的容忍能力非常大，甚至可以遠超過(guò)1個(gè)UI(數據比特寬度)。

時(shí)鐘恢復電路的PLL的環(huán)路帶寬設置不同，對于不同頻率抖動(dòng)跟蹤能力也不一樣。一般情況下，PLL的帶寬設置越窄，恢復出來(lái)的時(shí)鐘越純凈，但是對于抖動(dòng)的跟蹤能力越弱，用這個(gè)時(shí)鐘為基準對數據做采樣時(shí)看到的信號上的抖動(dòng)會(huì )越多，看到的信號的眼圖會(huì )越惡劣;相反，如果PLL的帶寬設置越寬，對于抖動(dòng)的跟蹤能力越強，恢復出來(lái)的時(shí)鐘和信號的抖動(dòng)越接近，用這個(gè)時(shí)鐘為基準對數據做采樣時(shí)看到的信號上的抖動(dòng)會(huì )越少，看到的信號的眼圖會(huì )越好。下圖反映出的就是不同的PLL帶寬設置對于恢復時(shí)鐘抖動(dòng)和以這個(gè)恢復時(shí)鐘為基準對信號進(jìn)行采樣時(shí)看到的眼圖的情況。

測試中時(shí)鐘恢復方式的選擇

通過(guò)前面的介紹可以看到，眼圖和抖動(dòng)都是相對量，對于同一個(gè)信號，以什么時(shí)鐘為基準看到的效果是不一樣的。那么對于一個(gè)高速串行信號的眼圖或者抖動(dòng)測量來(lái)說(shuō)，應該以什么樣的時(shí)鐘為基準呢?或者說(shuō)應該把時(shí)鐘恢復的環(huán)路帶寬設置為多少呢?答案就是盡量參考接收端芯片的時(shí)鐘恢復情況。

即使對于一個(gè)從發(fā)送器直接發(fā)送出來(lái)的信號的眼圖和抖動(dòng)的測量，我們關(guān)心的也是這個(gè)信號進(jìn)入到接收芯片內部后接收芯片經(jīng)時(shí)鐘恢復后看到的眼圖是什么樣的，所以在進(jìn)行發(fā)送端的信號質(zhì)量測試時(shí)也會(huì )盡量模擬接收端的時(shí)鐘恢復方式，否則測量到的結果可能是不真實(shí)的。不同的總線(xiàn)對于接收端時(shí)鐘恢復的環(huán)路帶寬甚至濾波器的形狀都有要求，比如光通信中常數據速率的1/1667或者1/2500做為環(huán)路帶寬，而PCI-E、USB3.0、SATA等總線(xiàn)都有自己定義的環(huán)路帶寬要求。

為了方便針對不同總線(xiàn)進(jìn)行測試，測試儀表不但需要有時(shí)鐘恢復能力，還需要能夠根據不同總線(xiàn)的要求設置合適的環(huán)路帶寬。很多實(shí)時(shí)示波器會(huì )用軟件的方法進(jìn)行時(shí)鐘恢復，環(huán)路帶寬的設置相對靈活一些;而采樣示波器或者誤碼儀會(huì )用到專(zhuān)門(mén)的硬件時(shí)鐘恢復電路，這時(shí)就需要時(shí)鐘恢復電路最好能有環(huán)路帶寬的調整能力以適應不同的測試標準。