時(shí)鐘是怎么恢復(fù)的？

對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，因此時(shí)鐘恢復(fù)電路對(duì)于高速串行信號(hào)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(dòng)，以確保正確的數(shù)據(jù)采樣。時(shí)鐘恢復(fù)電路(CDR：Clock Data Recovery)一般都是通過PLL(Phase lock loop)的方式實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。輸入的數(shù)字信號(hào)和PLL的VCO(Voltage-controlled oscillator，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(huì)產(chǎn)生相位差的變化，鑒相器對(duì)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(hào)，電壓控制信號(hào)經(jīng)過濾波器濾波后產(chǎn)生對(duì)VCO的控制信號(hào)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(duì)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(hào)頻率和輸入的數(shù)字信號(hào)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(duì)眼圖、抖動(dòng)測(cè)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(hào)并不是一個(gè)純凈的信號(hào)，而是包含了不同頻率成分的抖動(dòng)。對(duì)于低頻的抖動(dòng)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(hào)抖動(dòng)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(duì)VCO輸出頻率的調(diào)整，這時(shí)VCO的輸出時(shí)鐘中就會(huì)跟蹤上輸入信號(hào)的抖動(dòng)。而如果輸入信號(hào)中抖動(dòng)的頻率比較高，其造成的相位變化信號(hào)不能通過環(huán)路濾波器，則VCO輸出的時(shí)鐘中就不會(huì)有隨輸入信號(hào)一起變化的抖動(dòng)成分,也就是說輸入信號(hào)中的高頻抖動(dòng)成分被PLL電路過濾掉了。

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(shù))曲線描述PLL電路對(duì)于不同頻率抖動(dòng)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(duì)于低頻抖動(dòng)能很好跟蹤而對(duì)高頻抖動(dòng)跟蹤能力有限的特性。

對(duì)于低頻的抖動(dòng)，PLL電路能夠很好地跟蹤，恢復(fù)出來的時(shí)鐘和被測(cè)信號(hào)一起抖動(dòng)。如果接收端的芯片用這個(gè)恢復(fù)時(shí)鐘為基準(zhǔn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，由于此時(shí)時(shí)鐘和被測(cè)信號(hào)一起抖動(dòng)，所以這種低頻的抖動(dòng)不會(huì)被觀察到，對(duì)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(dòng)會(huì)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(dòng)成分。如果用這個(gè)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采樣，就會(huì)觀察到輸入信號(hào)里明顯的抖動(dòng)。接收端用恢復(fù)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，觀察到的抖動(dòng)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(duì)于低頻抖動(dòng)的跟蹤特性，因此很多高速串行總線的接收芯片對(duì)于低頻抖動(dòng)的容忍能力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)高頻抖動(dòng)的容忍能力。下圖是USB3.0總線對(duì)于接收端芯片對(duì)于不同頻率抖動(dòng)容忍能力的要求的一條曲線，可以看到其對(duì)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(duì)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(shè)置越窄，恢復(fù)出來的時(shí)鐘越純凈，但是對(duì)于抖動(dòng)的跟蹤能力越弱，用這個(gè)時(shí)鐘為基準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)做采樣時(shí)看到的信號(hào)上的抖動(dòng)會(huì)越多，看到的信號(hào)的眼圖會(huì)越惡劣;相反，如果PLL的帶寬設(shè)置越寬，對(duì)于抖動(dòng)的跟蹤能力越強(qiáng)，恢復(fù)出來的時(shí)鐘和信號(hào)的抖動(dòng)越接近，用這個(gè)時(shí)鐘為基準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)做采樣時(shí)看到的信號(hào)上的抖動(dòng)會(huì)越少，看到的信號(hào)的眼圖會(huì)越好。下圖反映出的就是不同的PLL帶寬設(shè)置對(duì)于恢復(fù)時(shí)鐘抖動(dòng)和以這個(gè)恢復(fù)時(shí)鐘為基準(zhǔn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)看到的眼圖的情況。

測(cè)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(dòng)都是相對(duì)量，對(duì)于同一個(gè)信號(hào)，以什么時(shí)鐘為基準(zhǔn)看到的效果是不一樣的。那么對(duì)于一個(gè)高速串行信號(hào)的眼圖或者抖動(dòng)測(cè)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(duì)于一個(gè)從發(fā)送器直接發(fā)送出來的信號(hào)的眼圖和抖動(dòng)的測(cè)量，我們關(guān)心的也是這個(gè)信號(hào)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(hào)質(zhì)量測(cè)試時(shí)也會(huì)盡量模擬接收端的時(shí)鐘恢復(fù)方式，否則測(cè)量到的結(jié)果可能是不真實(shí)的。不同的總線對(duì)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(duì)不同總線進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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)示波器會(huì)用軟件的方法進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，環(huán)路帶寬的設(shè)置相對(duì)靈活一些;而采樣示波器或者誤碼儀會(huì)用到專門的硬件時(shí)鐘恢復(fù)電路，這時(shí)就需要時(shí)鐘恢復(fù)電路最好能有環(huán)路帶寬的調(diào)整能力以適應(yīng)不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。