時鐘是怎么恢復(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)編碼把時鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里，然后在接收端通過時鐘恢復(fù)把時鐘信息提取出來，并用這個恢復(fù)出來的時鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，因此時鐘恢復(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

時鐘恢復(fù)的目的是跟蹤上發(fā)送端的時鐘漂移和一部分抖動，以確保正確的數(shù)據(jù)采樣。時鐘恢復(fù)電路(CDR：Clock Data Recovery)一般都是通過PLL(Phase lock loop)的方式實現(xiàn)，如下圖所示。輸入的數(shù)字信號和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產(chǎn)生相位差的變化，鑒相器對這個相位誤差進(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，這個濾波器有時又稱為環(huán)路濾波器，通常是一個低通的濾波器。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，在真實的情況下，輸入的數(shù)字信號并不是一個純凈的信號，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VCO的輸出時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(Jitter Transfer Function，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)出來的時鐘和被測信號一起抖動。如果接收端的芯片用這個恢復(fù)時鐘為基準(zhǔn)對輸入信號進(jìn)行采樣，由于此時時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，因此輸出的時鐘里不包含這些高頻的抖動成分。如果用這個時鐘對數(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)時鐘進(jìn)行采樣時能夠看到的抖動與抖動頻率間的關(guān)系有時我們會用OJTF(Observed Jitter Transfer Function，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。

正因為時鐘恢復(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UI(數(shù)據(jù)比特寬度)。

時鐘恢復(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)出來的時鐘越純凈，但是對于抖動的跟蹤能力越弱，用這個時鐘為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)做采樣時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)出來的時鐘和信號的抖動越接近，用這個時鐘為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)做采樣時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)時鐘抖動和以這個恢復(fù)時鐘為基準(zhǔn)對信號進(jìn)行采樣時看到的眼圖的情況。

測試中時鐘恢復(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，對于同一個信號，以什么時鐘為基準(zhǔn)看到的效果是不一樣的。那么對于一個高速串行信號的眼圖或者抖動測量來說，應(yīng)該以什么樣的時鐘為基準(zhǔn)呢?或者說應(yīng)該把時鐘恢復(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鐘恢復(fù)情況。

即使對于一個從發(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)心的也是這個信號進(jìn)入到接收芯片內(nèi)部后接收芯片經(jīng)時鐘恢復(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)量測試時也會盡量模擬接收端的時鐘恢復(fù)方式，否則測量到的結(jié)果可能是不真實的。不同的總線對于接收端時鐘恢復(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。很多實時示波器會用軟件的方法進(jìn)行時鐘恢復(fù)，環(huán)路帶寬的設(shè)置相對靈活一些;而采樣示波器或者誤碼儀會用到專門的硬件時鐘恢復(fù)電路，這時就需要時鐘恢復(fù)電路最好能有環(huán)路帶寬的調(diào)整能力以適應(yīng)不同的測試標(biāo)準(zhǔn)。