时钟恢复的基本概念及组成原理

深入浅出了解

时钟恢复

没有时钟恢复

会有什么问题?

您是否碰到过明明眼图质量优异，但是误码率很高的情况?

您是否碰到过经过被测件后输出和源触发不同步的情况?

您是否碰到过想要用示波器测试却无法提供触发信号的情况?

您是否碰到过想要用误码检测器进行误码率测试却需要一个同步时钟的情况?此时如果被测件内部时钟恢复环路带宽大于等于外部时钟恢复单元会有什么后果?

您是否注意到规范中这些有意思的术语，诸如Baud Rate/1667、Baud Rate/2578、Baud Rate/6640?进行TX发送端测试的时候，需要通过调整时钟恢复单元环路带宽和峰值来满足不同的速率和协议要求?

什么是时钟恢复

基本概念

现行的高速串行总线协议中，通常都在数据中包含了时钟信号，而不再需要一根独立的时钟信号和数据并行传输，图 1中能够看到HDMI和JESD204B和传统接口的一些区别，都是将随路时钟取消了。为了在接收端能够正确对数据进行采样，需要从嵌入在数据中的时钟信号提取出来，即是时钟恢复。

图 1 HDMI和JESD204B的引脚定义

从图2中可以看出在不同的采样时刻对数据进行取样判决的结果可能会有非常大的区别，那么在没有随路时钟的情况下，在何时刻对数据进行取样判决，能否在每个周期的相同时刻对数据进行取样判决都成了至关重要的因素，会直接影响传输结果。

图 2 采样时刻示意图

一个简单的时钟恢复电路如图 3所示，它能够从接收到的NRZ/PAM4信号中提取出数据序列，并恢复出与数据序列相对应的时钟信号，恢复出的时钟信号可以作为基准源提供给采样示波器、误码仪或者其他接收机使用，用于和输入数据进行同步。

图 3 时钟恢复示意图

对于恢复出的时钟通常需要满足下面三个条件：

时钟频率和数据速率成比例关系

时钟和数据具有固定相位关系

时钟固有抖动要比较小

组成原理

目前实现时钟恢复的架构如表 1所示，主要有：锁相环技术、延迟锁相环技术、相位插值技术、过采样技术、注入锁定技术、门振荡器技术等。注入锁定和门振荡器电路反应速度比较快，目前常应用于突发模式通信中，如：FTTH、ATM、EPON、GPON、LANs等。锁相环、延迟锁相环、相位插值等电路适用于连续模式通信，如：SONET、Fiber Channel、Gigabit Ethernet中。过采样电路则两者都适用。在时钟恢复单元表中通常采用锁相环技术实现对时钟的提取。

表 1 不同架构的时钟数据恢复电路的优缺点

架构	优点	缺点
锁相环 Phase Locked Loop	动态跟踪输入信号	功耗大， 滤波器面积大
延迟锁相环 Delay Locked Loop	时钟信号源可以共享	时钟走线延迟误差导致精度低
相位插值 Phase Interpolator	抖动小，数字化	时钟布线约束高
过采样 Oversampling	无需反馈	架构复杂，成本高
注入锁定 Injection Locked	抖动小，时钟信号源可以共享	滤波器面积大
门振荡器 Gated Oscillator	面积小且功耗低	不能动态跟踪输入信号

锁相环方式时钟恢复原理框图如图 4所示，具有相位锁定环路和频率锁定环路，频率锁定环路产生粗调频率锁定范围，相位锁定环路产生细调频率锁定范围。频率锁定环路将压控振荡器2输出进行分频后给到鉴频鉴相器，使得可以通过较低的参考输入频率就能够产生较高的输出频率，使压控振荡器2输出频率为N×参考输入频率。同时频率锁定环路的控制电压可以给到压控振荡器1，使压控振荡器1的振荡频率接近或等于目标锁定频率上，相位跟踪环路中的鉴相器可以将压控振荡器1输出精确调整至和数据输入相同的速率，其中低通滤波器的截止频率决定了锁相环的环路带宽。

图 4 锁相环方式时钟恢复原理框图

恢复出的时钟信号抖动取决于压控振荡器的固有抖动和锁相环的环路带宽，环路能够追踪并抑制环路带宽内的抖动，忽略环路带宽外的抖动，超过环路带宽截止频率越多，抑制效果越差，图 5为我们展示了一个抖动传递曲线。环路带宽外对抖动抑制和频率的关系成为带外滚降系数，在诸多标准协议中有定义完美锁相环“Golden PLL”带外滚降系数为20dB/十倍频以及具有和数据速率恒定比例的环路带宽数值(当输入数据速率变化时环路带宽应随之改变)。

图 5 抖动传递曲线

环路带宽越窄，恢复出的时钟信号抖动越小;反之，环路带宽越宽，恢复出的时钟信号抖动越大。将恢复出的时钟信号作为采样示波器的触发信号时，对于同样抖动的输入数据信号来说，时钟信号抖动越小，测量到的数据抖动越大，时钟信号抖动越大，测量到的数据抖动越小。由于时钟中的抖动和数据中的抖动是同源的，因此以时钟作为基准对数据采样时，保持相同的抖动速率和幅度，反而对于采样结果更加稳定!这也是为什么标准协议需要定义眼图测试时，时钟恢复单元的环路带宽，否则测量到的结果可能是不真实的。

如图 6所示，对于同一个含有抖动的信号进行眼图测试，左侧为环路带宽大于抖动频率时眼图测试结果，右侧为环路带宽小于抖动频率时眼图测试结果。由此可见，当时钟恢复环路带宽设置不恰当时，可能带来错误的测试结论!

图 6 不同环路带宽恢复出时钟做触发的抖动信号眼图

所有的总线标准(比如ETH以太网、OIF-CEI光联盟、PCIe、USB3.0、SATA等)根据速率和协议有不同的环路带宽要求，如图 6所示，因此也要求时钟恢复单元能够提供合适的可变的环路带宽，以应对复杂的测试要求。

选择时钟恢复有哪些

指标功能需要注意

➊ 速率范围在满足被测件工作速率范围的情况下，要留一定余量

一方面被测件有些临界测试需要超范围使用，另一方面数据包含抖动时，实际锁定范围需要比工作速率范围更宽，否则会导致失锁。

➋ 输入灵敏度要低于被测件输出幅度

输入灵敏度需要低于被测件输出幅度，否则会导致无法正常锁定或者稳定锁定输入信号。

➌ 恢复信号固有随机抖动要尽量低于被测件随机抖动

恢复信号固有抖动要尽量低于被测件随机抖动，恢复出的时钟信号抖动会跟随输入信号抖动，当输入信号抖动下降时，恢复出的时钟信号抖动也会随之下降，但是一旦达到了恢复信号固有抖动时，输出的信号质量不会进一步改善。

➍ 环路带宽需要能够调节，能够满足协议规范标准要求，以及对于发送和接收端测试调试要求

不同的协议对环路带宽有不同的需求，为了适应更广泛的测试环境，时钟恢复的环路带宽需要能够调节，以保证测量结果准确性和合规性。

➎ 追踪范围要尽量大

当输入数据和设定范围有小的偏差时，需要时钟恢复单元也能够正常锁定，允许的偏差范围即是追踪范围。那么以64GBd输入数据速率时，追踪范围±1000ppm意味着64GBd±64M的范围内都能够正常锁定。

➏ 具有自动重锁功能

在自动化测试环境中，为了提升测试效率，往往在测试系统中配备了开关以完成自动化切换，在切换过程中会有短暂的信号丢失(无信号)过程，这时如果时钟恢复单元具有自动重锁功能，则不需要用户进行任何操作，即可以重新锁定，简化了测试流程。

➐ 具有锁定测频功能

由于时钟恢复单元在追踪范围内能够对输入信号进行锁定，因此实际的输入信号速率需要能够展示给用户，方便观测设备是否工作正常。

➑ 输出分频比可配置

在配合接收机使用时，可能需要时钟恢复输出1/2速率时钟或者1/4时钟，再配合示波器使用时，可能需要时钟恢复输出一个低于3.2GHz的时钟，为了应对不同的使用场景，时钟恢复单元的时钟输出通常需要提供时钟分频能力。

中星联华SL3300A

系列有哪些特点

支持NRZ/PAM4信号

速率范围：18GBd至64GBd

内部可集成光电转换模块/光功分模块/电功分模块

可调环路带宽，最大可至20MHz

可工作在时钟恢复模式和时钟产生模式

支持本地控制和远程控制

10档可调峰值(peaking)

抖动频谱分析功能

支持输入均衡

中星联华SL3300A

系列性能指标

SL3361A

速率范围18至64GBd

光信号类型单模

波长范围1250nm至1650nm

输入灵敏度-8dBm，1310nm ，ESS选件

最小锁定电平600mVpp，差分，E50选件

300mVpp，差分，EES选件

最大输入电平2400mVpp，差分，E50选件

1200mVpp，差分，EES选件

输出时钟范围AUX：5-10GHz

SUBRATE：150MHz至10GHz

最小锁定电平300fs max

环路带宽范围¹0.1MHz至20MHz

环路带宽精度²±30%，环路带宽1MHz至20MHz

环路峰值调节³10挡位，最高可至3dB

内部均衡支持

锁定范围±1000ppm

自动重锁支持

恢复时钟幅度750mVpp±250mVpp，SUBRATE输出

450mVpp±150mVpp，AUX输出

时钟分频比1/2/4/8/16/32/64

频率计数器精度±10ppm

输入连接器形式电口：2.92mm连接器，差分或单端，交流耦合，50Ω

光口：FC-PC连接器，单模

输出连接器形式2.92mm连接器，单端，50Ω

物理尺寸88.5mmH×492mmD×220mmW

工作温度+10℃至+40℃

① 不同速率有所区别

② 在NRZ，PRBS13条件下进行校准

③ 视环路带宽不同有所区别

SL3371A

速率范围18至64GBd

最小锁定电平600mVpp，差分，E50选件

300mVpp，差分，EES选件

最大输入电平2400mVpp，差分，E50选件

1200mVpp，差分，EES选件

输出时钟范围AUX：5-10GHz

SUBRATE：150MHz至10GHz

恢复时钟随机抖动300fs max

环路带宽范围¹0.1MHz至20MHz

环路带宽精度²±30%

环路峰值调节³10挡位，最高可至3dB

内部均衡支持

锁定范围±1000ppm

自动重锁支持

恢复时钟幅度750mVpp±250mVpp，SUBRATE输出

450mVpp±150mVpp，AUX输出

时钟分频比1/2/4/8/16/32/64

频率计数器精度±10ppm

输入连接器形式2.92mm连接器，差分或单端，交流耦合，50Ω

输出连接器形式2.92mm连接器，单端，50Ω

物理尺寸88.5mmH×492mmD×220mmW

工作温度+10℃至+40℃

存储温度-20℃至+70℃

① 不同速率有所区别

② 在NRZ，PRBS13条件下进行校准

③ 视环路带宽不同有所区别

审核编辑：汤梓红