标签: 时钟恢复

对于高速的串行总线来说，一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里，然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来，并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样，因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。 CDR 电路原理 时钟恢复的目的是跟踪上发送端的时钟漂移和一部分抖动，以确保正确的数据采样。时钟恢复电路（ CDR ： Clock Data Recovery ）一般都是通过 PLL （ Phase lock loop ）的方式实现，如下图 所示。输入的数字信号和 PLL 的 VCO （ Voltage-controlled oscillator ，压控振荡器   ）进行鉴相比较，如果数据速率和 VCO 的输出频率间有频率差就会产生相位差的变化，鉴相器对这个相位误差进行比较并转换成相应的电压控制信号，电压控制信号经过滤波器滤波后产生对 VCO 的控制信号从而调整 VCO 的输出时钟频率。使用滤波器的目的是把快速的相位变化信息积分后转换成相对缓慢的电压变化以调整 VCO 的输出频率，这个滤波器有时又称为环路滤波器，通常是一个低通的滤波器。通过反复的鉴相和调整，最终 VCO 的输出信号频率和输入的数字信号的变化频率一致，这时 PLL 电路就进入锁定状态。 环路带宽对眼图、抖动测量的影响 值得注意的是，在真实的情况下，输入的数字信号并不是一个纯净的信号，而是包含了不同频率成分的抖动。对于低频的抖动来说，其造成的是数据速率的缓慢变化，如果这个缓慢变化的频率低于环路滤波器的带宽，输入信号抖动造成的相位变化信息就可以通过环路滤波器从而产生对 VCO 输出频率的调整，这时 VCO 的输出时钟中就会跟踪上输入信号的抖动。而如果输入信号中抖动的频率比较高，其造成的相位变化信号不能通过环路滤波器，则 VCO 输出的时钟中就不会有随输入信号一起变化的抖动成分 , 也就是说输入信号中的高频抖动成分被 PLL 电路过滤掉了。 如下图 所示，我们通常会用 PLL 电路的 JTF （ Jitter Transfer Function ，抖动传递函数）曲线描述 PLL 电路对于不同频率抖动的传递能力。 JTF 曲线通常是个低通的特性，反映了 PLL 电路对于低频抖动能很好跟踪而对高频抖动跟踪能力有限的特性。 对于低频的抖动， PLL 电路能够很好地跟踪，恢复出来的时钟和被测信号一起抖动。如果接收端的芯片用这个恢复时钟为基准对输入信号进行采样，由于此时时钟和被测信号一起抖动，所以这种低频的抖动不会被观察到，对于数据采样的建立保持时间也没有太大影响。 相反地，高频的抖动会被 PLL 电路过滤掉，因此输出的时钟里不包含这些高频的抖动成分。如果用这个时钟对数据信号进行采样，就会观察到输入信号里明显的抖动。接收端用恢复时钟进行采样时能够看到的抖动与抖动频率间的关系有时我们会用 OJTF （ Observed Jitter Transfer Function ，观察到的抖动传递函数）曲线来描述，其随频率的变化曲线正好 JTF 曲线相反。 正因为时钟恢复电路对于低频抖动的跟踪特性，因此很多高速串行总线的接收芯片对于低频抖动的容忍能力会远远超过对高频抖动的容忍能力。下图 是 USB3.0 总线对于接收端芯片对于不同频率抖动容忍能力的要求的一条曲线，可以看到其对低频的容忍能力非常大，甚至可以远超过 1 个 UI （数据比特宽度）。 时钟恢复电路的 PLL 的环路带宽设置不同，对于不同频率抖动跟踪能力也不一样。一般情况下， PLL 的带宽设置越窄，恢复出来的时钟越纯净，但是对于抖动的跟踪能力越弱，用这个时钟为基准对数据做采样时看到的信号上的抖动会越多，看到的信号的眼图会越恶劣；相反，如果 PLL 的带宽设置越宽，对于抖动的跟踪能力越强，恢复出来的时钟和信号的抖动越接近，用这个时钟为基准对数据做采样时看到的信号上的抖动会越少，看到的信号的眼图会越好。下图 反映出的就是不同的 PLL 带宽设置对于恢复时钟抖动和以这个恢复时钟为基准对信号进行采样时看到的眼图的情况。 测试中时钟恢复方式的选择 通过前面的介绍可以看到，眼图和抖动都是相对量，对于同一个信号，以什么时钟为基准看到的效果是不一样的。那么对于一个高速串行信号的眼图或者抖动测量来说，应该以什么样的时钟为基准呢？或者说应该把时钟恢复的环路带宽设置为多少呢？答案就是尽量参考接收端芯片的时钟恢复情况。 即使对于一个从发送器直接发送出来的信号的眼图和抖动的测量，我们关心的也是这个信号进入到接收芯片内部后接收芯片经时钟恢复后看到的眼图是什么样的，所以在进行发送端的信号质量测试时也会尽量模拟接收端的时钟恢复方式，否则测量到的结果可能是不真实的。不同的总线对于接收端时钟恢复的环路带宽甚至滤波器的形状都有要求，比如光通信中常数据速率的 1/1667 或者 1/2500 做为环路带宽，而 PCI-E 、 USB3.0 、 SATA 等总线都有自己定义的环路带宽要求。 为了方便针对不同总线进行测试，测试仪表不但需要有时钟恢复能力，还需要能够根据不同总线的要求设置合适的环路带宽。很多实时示波器会用软件的方法进行时钟恢复，环路带宽的设置相对灵活一些；而采样示波器或者误码仪会用到专门的硬件时钟恢复电路，这时就需要时钟恢复电路最好能有环路带宽的调整能力以适应不同的测试标准

波形参数测试是数字信号质量评估最常用的测量方法，但是随着数字信号速率的提高，仅仅靠幅度、上升时间等的波形参数的测量方法越来越不适用了。 比如下图的一个5Gbps的信号来说，由于受到传输通道的损耗的影响，不同位置的信号的幅度、上升时间、脉冲宽度等都是不一样的。不同的操作人员在波形的不同位置测量得到的结果也是不一样的。 因此我们必须采用别的方法对于信号的质量进行评估，对于高速数字信号来说最常用的就是眼图的测量方法。 所谓眼图，实际上就是高速数字信号不同位置的数据比特按照时钟的间隔叠加在一起自然形成的一个统计分布图。 下面几张图显示了眼图的形成过程。我们可以看到，随着叠加的波形数量的增加，数字信号逐渐形成了一个个类似眼睛一样的形状，我们就把这种图形叫做眼图。 当数字信号叠加形成眼图以后，为了方便地区分信号在不同位置出现的概率大小，更多的时候会用彩色余辉的模式进行信号的观察。彩色余辉就是把信号在屏幕上不同位置出现的概率大小用相应的颜色表示出来，这样可以直观地看出信号的噪声、抖动等的分布情况。下图是个用彩色余辉显示的眼图。 对于眼图的概念，有以下几点比较重要：  眼图是波形的叠加： 眼图的测量方法不是对单一波形或特定比特位置的波形参数进行测量，而是把尽可能多的波形或比特叠加在一起，这样可以看到信号的统计分布情况。只有最差的信号都满足我们对于信号的最基本要求，才说明信号质量是可以接受的。  波形需要以时钟为基准进行叠加： 眼图是对多个波形或bit的叠加，但这个叠加不是任意的，通常要以时钟为基准。对于很多并行总线来说，由于大部分都有专门的时钟传输通道，所以通常会以时钟通道为触发，对数据信号的波形进行叠加形成眼图，一般的示波器都具备这个功能。而对于很多高速的串行总线信号来说，由于时钟信息嵌入在数据流里，所以需要测量设备有相应的时钟恢复功能（可能是硬件的也可能是软件的），能够先从数据流里提取出时钟，然后以这个时钟为基准对数据比特进行叠加才能形成眼图。因此，很多高速串行数字信号的眼图测试通常需要该示波器或测量设备有相应的时钟恢复功能。下图是个对串行数据流进行软件时钟恢复的例子。  真正意义的眼图是以时钟为基准进行叠加的： 眼图测量的根本目的是判断该数据信号相对于其时钟信号（可能是专门的时钟通道也可能是内嵌的时钟信息）的建立/保持时间窗口、采样时的信号幅度等参数满足标准要求，所以眼图测量一定是要以其参考时钟为基准进行信号叠加才有意义。有时用数据信号自身的边沿触发进行自然叠加也能形成类似眼图的形状，但这不是真正意义上的眼图。  低速信号的眼图： 很多速率不太高的总线也可以做眼图测量，但由于数据比特较宽，上升时间相对于数据比特宽度占的比例很小，所以一些低速数字信号的眼图可能比较方正或者比较规整，看起来不太象眼睛，但从物理含义上说这仍然是一种眼图。下图是一个低速的数字信号叠加形成的眼图的例子。  眼图测量中需要叠加的波形或比特的数量： 在眼图测量中，叠加的波形或比特的数量不一样，可能得到的眼图结果会有细微的差异。由于随机噪声和随机抖动的存在，叠加的波形或比特数量越多，则眼的张开程度会越小，就越能测到最恶劣的情况，但相应的测试时间也会变长。为了在测量结果的可靠性以及测量时间上做一个折衷，有些标准会规定眼图测量需要叠加的波形或比特数量，比如需要叠加1000个波形或者叠加1M个比特等。  眼图位置的选择： 当数字信号进行波形或者比特叠加后，形成的不只是一个眼图，而是一个个连续的眼图。如果叠加的波形或者比特数量足够，这些眼图都是很相似的，因此可以对其中任何一个眼图进行测量。下图显示的是叠加形成的多个连续的眼图，可以看到每个眼图都是很相似的。通常情况下，为了测量的方便，一般会调整时基刻度使得屏幕上只显示一个完整的眼图。 另外要注意的一点是，在眼图测量时被测件只有发出尽可能随机的数据流才能形成真实的眼图，如果数据流里的数据是长0、长1、时钟码型或者其它一些规则的码型，有可能形不成眼图或者形成的眼图不全。下图就是一个不完整的眼图，数据流里面缺少了长0的码型。