時(shí)鐘恢復(fù)的基本概念及組成原理

深入淺出了解

時(shí)鐘恢復(fù)

沒有時(shí)鐘恢復(fù)

會(huì)有什么問題?

您是否碰到過明明眼圖質(zhì)量優(yōu)異，但是誤碼率很高的情況?

您是否碰到過經(jīng)過被測(cè)件后輸出和源觸發(fā)不同步的情況?

您是否碰到過想要用示波器測(cè)試卻無法提供觸發(fā)信號(hào)的情況?

您是否碰到過想要用誤碼檢測(cè)器進(jìn)行誤碼率測(cè)試卻需要一個(gè)同步時(shí)鐘的情況?此時(shí)如果被測(cè)件內(nèi)部時(shí)鐘恢復(fù)環(huán)路帶寬大于等于外部時(shí)鐘恢復(fù)單元會(huì)有什么后果?

您是否注意到規(guī)范中這些有意思的術(shù)語，諸如Baud Rate/1667、Baud Rate/2578、Baud Rate/6640?進(jìn)行TX發(fā)送端測(cè)試的時(shí)候，需要通過調(diào)整時(shí)鐘恢復(fù)單元環(huán)路帶寬和峰值來滿足不同的速率和協(xié)議要求?

什么是時(shí)鐘恢復(fù)

基本概念

現(xiàn)行的高速串行總線協(xié)議中，通常都在數(shù)據(jù)中包含了時(shí)鐘信號(hào)，而不再需要一根獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)并行傳輸，圖 1中能夠看到HDMI和JESD204B和傳統(tǒng)接口的一些區(qū)別，都是將隨路時(shí)鐘取消了。為了在接收端能夠正確對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，需要從嵌入在數(shù)據(jù)中的時(shí)鐘信號(hào)提取出來，即是時(shí)鐘恢復(fù)。

圖 1 HDMI和JESD204B的引腳定義

從圖2中可以看出在不同的采樣時(shí)刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣判決的結(jié)果可能會(huì)有非常大的區(qū)別，那么在沒有隨路時(shí)鐘的情況下，在何時(shí)刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣判決，能否在每個(gè)周期的相同時(shí)刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣判決都成了至關(guān)重要的因素，會(huì)直接影響傳輸結(jié)果。

圖 2 采樣時(shí)刻示意圖

一個(gè)簡單的時(shí)鐘恢復(fù)電路如圖 3所示，它能夠從接收到的NRZ/PAM4信號(hào)中提取出數(shù)據(jù)序列，并恢復(fù)出與數(shù)據(jù)序列相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)可以作為基準(zhǔn)源提供給采樣示波器、誤碼儀或者其他接收機(jī)使用，用于和輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。

圖 3 時(shí)鐘恢復(fù)示意圖

對(duì)于恢復(fù)出的時(shí)鐘通常需要滿足下面三個(gè)條件：

時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)速率成比例關(guān)系

時(shí)鐘和數(shù)據(jù)具有固定相位關(guān)系

時(shí)鐘固有抖動(dòng)要比較小

組成原理

目前實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)的架構(gòu)如表 1所示，主要有：鎖相環(huán)技術(shù)、延遲鎖相環(huán)技術(shù)、相位插值技術(shù)、過采樣技術(shù)、注入鎖定技術(shù)、門振蕩器技術(shù)等。注入鎖定和門振蕩器電路反應(yīng)速度比較快，目前常應(yīng)用于突發(fā)模式通信中，如：FTTH、ATM、EPON、GPON、LANs等。鎖相環(huán)、延遲鎖相環(huán)、相位插值等電路適用于連續(xù)模式通信，如：SONET、Fiber Channel、Gigabit Ethernet中。過采樣電路則兩者都適用。在時(shí)鐘恢復(fù)單元表中通常采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘的提取。

表 1 不同架構(gòu)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的優(yōu)缺點(diǎn)

鎖相環(huán)方式時(shí)鐘恢復(fù)原理框圖如圖 4所示，具有相位鎖定環(huán)路和頻率鎖定環(huán)路，頻率鎖定環(huán)路產(chǎn)生粗調(diào)頻率鎖定范圍，相位鎖定環(huán)路產(chǎn)生細(xì)調(diào)頻率鎖定范圍。頻率鎖定環(huán)路將壓控振蕩器2輸出進(jìn)行分頻后給到鑒頻鑒相器，使得可以通過較低的參考輸入頻率就能夠產(chǎn)生較高的輸出頻率，使壓控振蕩器2輸出頻率為N×參考輸入頻率。同時(shí)頻率鎖定環(huán)路的控制電壓可以給到壓控振蕩器1，使壓控振蕩器1的振蕩頻率接近或等于目標(biāo)鎖定頻率上，相位跟蹤環(huán)路中的鑒相器可以將壓控振蕩器1輸出精確調(diào)整至和數(shù)據(jù)輸入相同的速率，其中低通濾波器的截止頻率決定了鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬。

圖 4 鎖相環(huán)方式時(shí)鐘恢復(fù)原理框圖

恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)取決于壓控振蕩器的固有抖動(dòng)和鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬，環(huán)路能夠追蹤并抑制環(huán)路帶寬內(nèi)的抖動(dòng)，忽略環(huán)路帶寬外的抖動(dòng)，超過環(huán)路帶寬截止頻率越多，抑制效果越差，圖 5為我們展示了一個(gè)抖動(dòng)傳遞曲線。環(huán)路帶寬外對(duì)抖動(dòng)抑制和頻率的關(guān)系成為帶外滾降系數(shù)，在諸多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中有定義完美鎖相環(huán)“Golden PLL”帶外滾降系數(shù)為20dB/十倍頻以及具有和數(shù)據(jù)速率恒定比例的環(huán)路帶寬數(shù)值(當(dāng)輸入數(shù)據(jù)速率變化時(shí)環(huán)路帶寬應(yīng)隨之改變)。

圖 5 抖動(dòng)傳遞曲線

環(huán)路帶寬越窄，恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)越小;反之，環(huán)路帶寬越寬，恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)越大。將恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)作為采樣示波器的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，對(duì)于同樣抖動(dòng)的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)來說，時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)越小，測(cè)量到的數(shù)據(jù)抖動(dòng)越大，時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)越大，測(cè)量到的數(shù)據(jù)抖動(dòng)越小。由于時(shí)鐘中的抖動(dòng)和數(shù)據(jù)中的抖動(dòng)是同源的，因此以時(shí)鐘作為基準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)采樣時(shí)，保持相同的抖動(dòng)速率和幅度，反而對(duì)于采樣結(jié)果更加穩(wěn)定!這也是為什么標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議需要定義眼圖測(cè)試時(shí)，時(shí)鐘恢復(fù)單元的環(huán)路帶寬，否則測(cè)量到的結(jié)果可能是不真實(shí)的。

如圖 6所示，對(duì)于同一個(gè)含有抖動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行眼圖測(cè)試，左側(cè)為環(huán)路帶寬大于抖動(dòng)頻率時(shí)眼圖測(cè)試結(jié)果，右側(cè)為環(huán)路帶寬小于抖動(dòng)頻率時(shí)眼圖測(cè)試結(jié)果。由此可見，當(dāng)時(shí)鐘恢復(fù)環(huán)路帶寬設(shè)置不恰當(dāng)時(shí)，可能帶來錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)論!

圖 6 不同環(huán)路帶寬恢復(fù)出時(shí)鐘做觸發(fā)的抖動(dòng)信號(hào)眼圖

所有的總線標(biāo)準(zhǔn)(比如ETH以太網(wǎng)、OIF-CEI光聯(lián)盟、PCIe、USB3.0、SATA等)根據(jù)速率和協(xié)議有不同的環(huán)路帶寬要求，如圖 6所示，因此也要求時(shí)鐘恢復(fù)單元能夠提供合適的可變的環(huán)路帶寬，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的測(cè)試要求。

選擇時(shí)鐘恢復(fù)有哪些

指標(biāo)功能需要注意

? 速率范圍在滿足被測(cè)件工作速率范圍的情況下，要留一定余量

一方面被測(cè)件有些臨界測(cè)試需要超范圍使用，另一方面數(shù)據(jù)包含抖動(dòng)時(shí)，實(shí)際鎖定范圍需要比工作速率范圍更寬，否則會(huì)導(dǎo)致失鎖。

? 輸入靈敏度要低于被測(cè)件輸出幅度

輸入靈敏度需要低于被測(cè)件輸出幅度，否則會(huì)導(dǎo)致無法正常鎖定或者穩(wěn)定鎖定輸入信號(hào)。

? 恢復(fù)信號(hào)固有隨機(jī)抖動(dòng)要盡量低于被測(cè)件隨機(jī)抖動(dòng)

恢復(fù)信號(hào)固有抖動(dòng)要盡量低于被測(cè)件隨機(jī)抖動(dòng)，恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)會(huì)跟隨輸入信號(hào)抖動(dòng)，當(dāng)輸入信號(hào)抖動(dòng)下降時(shí)，恢復(fù)出的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)也會(huì)隨之下降，但是一旦達(dá)到了恢復(fù)信號(hào)固有抖動(dòng)時(shí)，輸出的信號(hào)質(zhì)量不會(huì)進(jìn)一步改善。

? 環(huán)路帶寬需要能夠調(diào)節(jié)，能夠滿足協(xié)議規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，以及對(duì)于發(fā)送和接收端測(cè)試調(diào)試要求

不同的協(xié)議對(duì)環(huán)路帶寬有不同的需求，為了適應(yīng)更廣泛的測(cè)試環(huán)境，時(shí)鐘恢復(fù)的環(huán)路帶寬需要能夠調(diào)節(jié)，以保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性和合規(guī)性。

? 追蹤范圍要盡量大

當(dāng)輸入數(shù)據(jù)和設(shè)定范圍有小的偏差時(shí)，需要時(shí)鐘恢復(fù)單元也能夠正常鎖定，允許的偏差范圍即是追蹤范圍。那么以64GBd輸入數(shù)據(jù)速率時(shí)，追蹤范圍±1000ppm意味著64GBd±64M的范圍內(nèi)都能夠正常鎖定。

? 具有自動(dòng)重鎖功能

在自動(dòng)化測(cè)試環(huán)境中，為了提升測(cè)試效率，往往在測(cè)試系統(tǒng)中配備了開關(guān)以完成自動(dòng)化切換，在切換過程中會(huì)有短暫的信號(hào)丟失(無信號(hào))過程，這時(shí)如果時(shí)鐘恢復(fù)單元具有自動(dòng)重鎖功能，則不需要用戶進(jìn)行任何操作，即可以重新鎖定，簡化了測(cè)試流程。

? 具有鎖定測(cè)頻功能

由于時(shí)鐘恢復(fù)單元在追蹤范圍內(nèi)能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行鎖定，因此實(shí)際的輸入信號(hào)速率需要能夠展示給用戶，方便觀測(cè)設(shè)備是否工作正常。

? 輸出分頻比可配置

在配合接收機(jī)使用時(shí)，可能需要時(shí)鐘恢復(fù)輸出1/2速率時(shí)鐘或者1/4時(shí)鐘，再配合示波器使用時(shí)，可能需要時(shí)鐘恢復(fù)輸出一個(gè)低于3.2GHz的時(shí)鐘，為了應(yīng)對(duì)不同的使用場景，時(shí)鐘恢復(fù)單元的時(shí)鐘輸出通常需要提供時(shí)鐘分頻能力。

中星聯(lián)華SL3300A

系列有哪些特點(diǎn)

支持NRZ/PAM4信號(hào)

速率范圍：18GBd至64GBd

內(nèi)部可集成光電轉(zhuǎn)換模塊/光功分模塊/電功分模塊

可調(diào)環(huán)路帶寬，最大可至20MHz

可工作在時(shí)鐘恢復(fù)模式和時(shí)鐘產(chǎn)生模式

支持本地控制和遠(yuǎn)程控制

10檔可調(diào)峰值(peaking)

抖動(dòng)頻譜分析功能

支持輸入均衡

中星聯(lián)華SL3300A

系列性能指標(biāo)

SL3361A

速率范圍18至64GBd

光信號(hào)類型單模

波長范圍1250nm至1650nm

輸入靈敏度-8dBm，1310nm ，ESS選件

最小鎖定電平600mVpp，差分，E50選件

300mVpp，差分，EES選件

最大輸入電平2400mVpp，差分，E50選件

1200mVpp，差分，EES選件

輸出時(shí)鐘范圍AUX：5-10GHz

SUBRATE：150MHz至10GHz

最小鎖定電平300fs max

環(huán)路帶寬范圍10.1MHz至20MHz

環(huán)路帶寬精度2±30%，環(huán)路帶寬1MHz至20MHz

環(huán)路峰值調(diào)節(jié)310擋位，最高可至3dB

內(nèi)部均衡支持

鎖定范圍±1000ppm

自動(dòng)重鎖支持

恢復(fù)時(shí)鐘幅度750mVpp±250mVpp，SUBRATE輸出

450mVpp±150mVpp，AUX輸出

時(shí)鐘分頻比1/2/4/8/16/32/64

頻率計(jì)數(shù)器精度±10ppm

輸入連接器形式電口：2.92mm連接器，差分或單端，交流耦合，50Ω

光口：FC-PC連接器，單模

輸出連接器形式2.92mm連接器，單端，50Ω

物理尺寸88.5mmH×492mmD×220mmW

工作溫度+10℃至+40℃

① 不同速率有所區(qū)別

② 在NRZ，PRBS13條件下進(jìn)行校準(zhǔn)

③ 視環(huán)路帶寬不同有所區(qū)別

SL3371A

速率范圍18至64GBd

最小鎖定電平600mVpp，差分，E50選件

300mVpp，差分，EES選件

最大輸入電平2400mVpp，差分，E50選件

1200mVpp，差分，EES選件

輸出時(shí)鐘范圍AUX：5-10GHz

SUBRATE：150MHz至10GHz

恢復(fù)時(shí)鐘隨機(jī)抖動(dòng)300fs max

環(huán)路帶寬范圍10.1MHz至20MHz

環(huán)路帶寬精度2±30%

環(huán)路峰值調(diào)節(jié)310擋位，最高可至3dB

內(nèi)部均衡支持

鎖定范圍±1000ppm

自動(dòng)重鎖支持

恢復(fù)時(shí)鐘幅度750mVpp±250mVpp，SUBRATE輸出

450mVpp±150mVpp，AUX輸出

時(shí)鐘分頻比1/2/4/8/16/32/64

頻率計(jì)數(shù)器精度±10ppm

輸入連接器形式2.92mm連接器，差分或單端，交流耦合，50Ω

輸出連接器形式2.92mm連接器，單端，50Ω

物理尺寸88.5mmH×492mmD×220mmW

工作溫度+10℃至+40℃

存儲(chǔ)溫度-20℃至+70℃

① 不同速率有所區(qū)別

② 在NRZ，PRBS13條件下進(jìn)行校準(zhǔn)

③ 視環(huán)路帶寬不同有所區(qū)別

審核編輯：湯梓紅