深入淺出了解時鐘恢復

深入淺出了解時鐘恢復

  01、沒有時鐘恢復會有什么問題?

  您是否碰到過明明眼圖質量優異，但是誤碼率很高的情況?

  您是否碰到過經過被測件后輸出和源觸發不同步的情況?

  您是否碰到過想要用示波器測試卻無法提供觸發信號的情況?

  您是否碰到過想要用誤碼檢測器進行誤碼率測試卻需要一個同步時鐘的情況?此時如果被測件內部時鐘恢復環路帶寬大于等于外部時鐘恢復單元會有什么后果?

  您是否注意到規范中這些有意思的術語，諸如Baud Rate/1667、Baud Rate/2578、Baud Rate/6640?進行TX發送端測試的時候，需要通過調整時鐘恢復單元環路帶寬和峰值來滿足不同的速率和協議要求?

  02、什么是時鐘恢復

  基本概念

  現行的高速串行總線協議中，通常都在數據中包含了時鐘信號，而不再需要一根獨立的時鐘信號和數據并行傳輸，圖 1中能夠看到HDMI和JESD204B和傳統接口的一些區別，都是將隨路時鐘取消了。為了在接收端能夠正確對數據進行采樣，需要從嵌入在數據中的時鐘信號提取出來，即是時鐘恢復。

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刻對數據進行取樣判決的結果可能會有非常大的區別，那么在沒有隨路時鐘的情況下，在何時刻對數據進行取樣判決，能否在每個周期的相同時刻對數據進行取樣判決都成了至關重要的因素，會直接影響傳輸結果。

圖 2 采樣時刻示意圖

  一個簡單的時鐘恢復電路如圖 3所示，它能夠從接收到的NRZ/PAM4信號中提取出數據序列，并恢復出與數據序列相對應的時鐘信號，恢復出的時鐘信號可以作為基準源提供給采樣示波器、誤碼儀或者其他接收機使用，用于和輸入數據進行同步。

圖 3 時鐘恢復示意圖

  對于恢復出的時鐘通常需要滿足下面三個條件：

  時鐘頻率和數據速率成比例關系

  時鐘和數據具有固定相位關系

  時鐘固有抖動要比較小

  組成原理

  目前實現時鐘恢復的架構如表 1所示，主要有：鎖相環技術、延遲鎖相環技術、相位插值技術、過采樣技術、注入鎖定技術、門振蕩器技術等。注入鎖定和門振蕩器電路反應速度比較快，目前常應用于突發模式通信中，如：FTTH、ATM、EPON、GPON、LANs等。鎖相環、延遲鎖相環、相位插值等電路適用于連續模式通信，如：SONET、Fiber Channel、Gigabit Ethernet中。過采樣電路則兩者都適用。在時鐘恢復單元表中通常采用鎖相環技術實現對時鐘的提取。

表 1 不同架構的時鐘數據恢復電路的優缺點

  鎖相環方式時鐘恢復原理框圖如圖 4所示，具有相位鎖定環路和頻率鎖定環路，頻率鎖定環路產生粗調頻率鎖定范圍，相位鎖定環路產生細調頻率鎖定范圍。頻率鎖定環路將壓控振蕩器2輸出進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。同時頻率鎖定環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鎖定頻率上，相位跟蹤環路中的鑒相器可以將壓控振蕩器1輸出精確調整至和數據輸入相同的速率，其中低通濾波器的截止頻率決定了鎖相環的環路帶寬。

圖 4 鎖相環方式時鐘恢復原理框圖

  恢復出的時鐘信號抖動取決于壓控振蕩器的固有抖動和鎖相環的環路帶寬，環路能夠追蹤并抑制環路帶寬內的抖動，忽略環路帶寬外的抖動，超過環路帶寬截止頻率越多，抑制效果越差，圖 5為我們展示了一個抖動傳遞曲線。環路帶寬外對抖動抑制和頻率的關系成為帶外滾降系數，在諸多標準協議中有定義完美鎖相環“Golden PLL”帶外滾降系數為20dB/十倍頻以及具有和數據速率恒定比例的環路帶寬數值(當輸入數據速率變化時環路帶寬應隨之改變)。

圖 5 抖動傳遞曲線

  環路帶寬越窄，恢復出的時鐘信號抖動越小;反之，環路帶寬越寬，恢復出的時鐘信號抖動越大。將恢復出的時鐘信號作為采樣示波器的觸發信號時，對于同樣抖動的輸入數據信號來說，時鐘信號抖動越小，測量到的數據抖動越大，時鐘信號抖動越大，測量到的數據抖動越小。由于時鐘中的抖動和數據中的抖動是同源的，因此以時鐘作為基準對數據采樣時，保持相同的抖動速率和幅度，反而對于采樣結果更加穩定!這也是為什么標準協議需要定義眼圖測試時，時鐘恢復單元的環路帶寬，否則測量到的結果可能是不真實的。

  如圖 6所示，對于同一個含有抖動的信號進行眼圖測試，左側為環路帶寬大于抖動頻率時眼圖測試結果，右側為環路帶寬小于抖動頻率時眼圖測試結果。由此可見，當時鐘恢復環路帶寬設置不恰當時，可能帶來錯誤的測試結論!

圖 6 不同環路帶寬恢復出時鐘做觸發的抖動信號眼圖

  所有的總線標準(比如ETH以太網、OIF-CEI光聯盟、PCIe、USB3.0、SATA等)根據速率和協議有不同的環路帶寬要求，如圖 6所示，因此也要求時鐘恢復單元能夠提供合適的可變的環路帶寬，以應對復雜的測試要求。

  03、選擇時鐘恢復有哪些指標功能需要注意

   1 速率范圍在滿足被測件工作速率范圍的情況下，要留一定余量

  一方面被測件有些臨界測試需要超范圍使用，另一方面數據包含抖動時，實際鎖定范圍需要比工作速率范圍更寬，否則會導致失鎖。

  2 輸入靈敏度要低于被測件輸出幅度

  輸入靈敏度需要低于被測件輸出幅度，否則會導致無法正常鎖定或者穩定鎖定輸入信號。

  3 恢復信號固有隨機抖動要盡量低于被測件隨機抖動

  恢復信號固有抖動要盡量低于被測件隨機抖動，恢復出的時鐘信號抖動會跟隨輸入信號抖動，當輸入信號抖動下降時，恢復出的時鐘信號抖動也會隨之下降，但是一旦達到了恢復信號固有抖動時，輸出的信號質量不會進一步改善。

  4 環路帶寬需要能夠調節，能夠滿足協議規范標準要求，以及對于發送和接收端測試調試要求

  不同的協議對環路帶寬有不同的需求，為了適應更廣泛的測試環境，時鐘恢復的環路帶寬需要能夠調節，以保證測量結果準確性和合規性。

  5 追蹤范圍要盡量大

  當輸入數據和設定范圍有小的偏差時，需要時鐘恢復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輸入數據速率時，追蹤范圍±1000ppm意味著64GBd±64M的范圍內都能夠正常鎖定。

  6 具有自動重鎖功能

  在自動化測試環境中，為了提升測試效率，往往在測試系統中配備了開關以完成自動化切換，在切換過程中會有短暫的信號丟失(無信號)過程，這時如果時鐘恢復單元具有自動重鎖功能，則不需要用戶進行任何操作，即可以重新鎖定，簡化了測試流程。

  7 具有鎖定測頻功能

  由于時鐘恢復單元在追蹤范圍內能夠對輸入信號進行鎖定，因此實際的輸入信號速率需要能夠展示給用戶，方便觀測設備是否工作正常。

  8 輸出分頻比可配置

  在配合接收機使用時，可能需要時鐘恢復輸出1/2速率時鐘或者1/4時鐘，再配合示波器使用時，可能需要時鐘恢復輸出一個低于3.2GHz的時鐘，為了應對不同的使用場景，時鐘恢復單元的時鐘輸出通常需要提供時鐘分頻能力。

  04、中星聯華SL3300A系列有哪些特點

支持NRZ/PAM4信號

速率范圍：18GBd至64GBd

內部可集成光電轉換模塊/光功分模塊/電功分模塊

可調環路帶寬，最大可至20MHz

可工作在時鐘恢復模式和時鐘產生模式

支持本地控制和遠程控制

支持輸入均衡

10檔可調峰值(peaking)

抖動頻譜分析功能

  05、中星聯華SL3300A系列性能指標

  ① 不同速率有所區別

  ② 在NRZ，PRBS13條件下進行校準

  ③ 視環路帶寬不同有所區別

  ① 不同速率有所區別

  ② 在NRZ，PRBS13條件下進行校準

  ③ 視環路帶寬不同有所區別

END

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