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時(shí)鐘是怎么恢復(fù)的?對于高速的串行總線來說,一般情況下都是通過數(shù)據(jù)編碼把時(shí)鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里,然后在接收端通過時(shí)鐘恢復(fù)把時(shí)鐘信息提取出來,并用這個(gè)恢復(fù)出來的時(shí)鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,因此時(shí)鐘恢復(fù)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(fù)的目的是跟蹤上發(fā)送端的時(shí)鐘漂移和一部分抖動,以確保正確的數(shù)據(jù)采樣。時(shí)鐘恢復(fù)電路(CDR:ClockDataRecovery)一般都是通過PLL(Phaselockloop)的方式實(shí)現(xiàn),如下圖所示。輸入的數(shù)字信號和PLL的VCO(Voltage-controlledoscillator,壓控振蕩器)進(jìn)行鑒相比較,如果數(shù)據(jù)速率和VCO的輸出頻率間有頻率差就會產(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(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓控制信號,電壓控制信號經(jīng)過濾波器濾波后產(chǎn)生對VCO的控制信號從而調(diào)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(zhuǎn)換成相對緩慢的電壓變化以調(diào)整VCO的輸出頻率,這個(gè)濾波器有時(shí)又稱為環(huán)路濾波器,通常是一個(gè)低通的濾波器。通過反復(fù)的鑒相和調(diào)整,最終VCO的輸出信號頻率和輸入的數(shù)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、抖動測量的影響

值得注意的是,在真實(shí)的情況下,輸入的數(shù)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。對于低頻的抖動來說,其造成的是數(shù)據(jù)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,輸入信號抖動造成的相位變化信息就可以通過環(huán)路濾波器從而產(chǎn)生對VCO輸出頻率的調(diào)整,這時(shí)VCO的輸出時(shí)鐘中就會跟蹤上輸入信號的抖動。而如果輸入信號中抖動的頻率比較高,其造成的相位變化信號不能通過環(huán)路濾波器,則VCO輸出的時(shí)鐘中就不會有隨輸入信號一起變化的抖動成分,也就是說輸入信號中的高頻抖動成分被PLL電路過濾掉了。如下圖所示,我們通常會用PLL電路的JTF(JitterTransferFunction,抖動傳遞函數(shù))曲線描述PLL電路對于不同頻率抖動的傳遞能力。JTF曲線通常是個(gè)低通的特性,反映了PLL電路對于低頻抖動能很好跟蹤而對高頻抖動跟蹤能力有限的特性。對于低頻的抖動,PLL電路能夠很好地跟蹤,恢復(fù)出來的時(shí)鐘和被測信號一起抖動。如果接收端的芯片用這個(gè)恢復(fù)時(shí)鐘為基準(zhǔn)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,所以這種低頻的抖動不會被觀察到,對于數(shù)據(jù)采樣的建立保持時(shí)間也沒有太大影響。相反地,高頻的抖動會被PLL電路過濾掉,因此輸出的時(shí)鐘里不包含這些高頻的抖動成分。如果用這個(gè)時(shí)鐘對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采樣,就會觀察到輸入信號里明顯的抖動。接收端用恢復(fù)時(shí)鐘進(jìn)行采樣時(shí)能夠看到的抖動與抖動頻率間的關(guān)系有時(shí)我們會用OJTF(ObservedJitterTransferFunction,觀察到的抖動傳遞函數(shù))曲線來描述,其隨頻率的變化曲線正好JTF曲線相反。正因?yàn)闀r(shí)鐘恢復(fù)電路對于低頻抖動的跟蹤特性,因此很多高速串行總線的接收芯片對于低頻抖動的容忍能力會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對高頻抖動的容忍能力。下圖是USB3.0總線對于接收端芯片對于不同頻率抖動容忍能力的要求的一條曲線,可以看到其對低頻的容忍能力非常大,甚至可以遠(yuǎn)超過1個(gè)UI(數(shù)據(jù)比特寬度)。時(shí)鐘恢復(fù)電路的PLL的環(huán)路帶寬設(shè)置不同,對于不同頻率抖動跟蹤能力也不一樣。一般情況下,PLL的帶寬設(shè)置越窄,恢復(fù)出來的時(shí)鐘越純凈,但是對于抖動的跟蹤能力越弱,用這個(gè)時(shí)鐘為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)做采樣時(shí)看到的信號上的抖動會越多,看到的信號的眼圖會越惡劣;相反,如果PLL的帶寬設(shè)置越寬,對于抖動的跟蹤能力越強(qiáng),恢復(fù)出來的時(shí)鐘和信號的抖動越接近,用這個(gè)時(shí)鐘為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)做采樣時(shí)看到的信號上的抖動會越少,看到的信號的眼圖會越好。下圖反映出的就是不同的PLL帶寬設(shè)置對于恢復(fù)時(shí)鐘抖動和以這個(gè)恢復(fù)時(shí)鐘為基準(zhǔn)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(fù)方式的選擇

通過前面的介紹可以看到,眼圖和抖動都是相對量,對于同一個(gè)信號,以什么時(shí)鐘為基準(zhǔn)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測量來說,應(yīng)該以什么樣的時(shí)鐘為基準(zhǔn)呢?或者說應(yīng)該把時(shí)鐘恢復(fù)的環(huán)路帶寬設(shè)置為多少呢?答案就是盡量參考接收端芯片的時(shí)鐘恢復(fù)情況。即使對于一個(gè)從發(fā)送器直接發(fā)送出來的信號的眼圖和抖動的測量,我們關(guān)心的也是這個(gè)信號進(jìn)入到接收芯片內(nèi)部后接收芯片經(jīng)時(shí)鐘恢復(fù)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)也會盡量模擬接收端的時(shí)鐘恢復(fù)方式,否則測量到的結(jié)果可能是不真實(shí)的。不同的總線對于接收端時(shí)鐘恢復(fù)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(shù)據(jù)速率的1/1667或者1/2500做為環(huán)路帶寬,而PCI-E、USB3.0、SATA等總線都有自己定義的環(huán)路帶寬要求。為了方便針對不同總線進(jìn)行測試,測試儀表不但需要有時(shí)鐘恢復(fù)能力,還需要能夠根據(jù)不同總線的要求設(shè)置合適的環(huán)路帶寬。很多實(shí)時(shí)示波器

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