深入淺出了解時(shí)鐘恢復

深入淺出了解時(shí)鐘恢復

  01、沒(méi)有時(shí)鐘恢復會(huì )有什么問(wèn)題?

  您是否碰到過(guò)明明眼圖質(zhì)量?jì)?yōu)異，但是誤碼率很高的情況?

  您是否碰到過(guò)經(jīng)過(guò)被測件后輸出和源觸發(fā)不同步的情況?

  您是否碰到過(guò)想要用示波器測試卻無(wú)法提供觸發(fā)信號的情況?

  您是否碰到過(guò)想要用誤碼檢測器進(jìn)行誤碼率測試卻需要一個(gè)同步時(shí)鐘的情況?此時(shí)如果被測件內部時(shí)鐘恢復環(huán)路帶寬大于等于外部時(shí)鐘恢復單元會(huì )有什么后果?

  您是否注意到規范中這些有意思的術(shù)語(yǔ)，諸如Baud Rate/1667、Baud Rate/2578、Baud Rate/6640?進(jìn)行TX發(fā)送端測試的時(shí)候，需要通過(guò)調整時(shí)鐘恢復單元環(huán)路帶寬和峰值來(lái)滿(mǎn)足不同的速率和協(xié)議要求?

  02、什么是時(shí)鐘恢復

  基本概念

  現行的高速串行總線(xiàn)協(xié)議中，通常都在數據中包含了時(shí)鐘信號，而不再需要一根獨立的時(shí)鐘信號和數據并行傳輸，圖 1中能夠看到HDMI和JESD204B和傳統接口的一些區別，都是將隨路時(shí)鐘取消了。為了在接收端能夠正確對數據進(jìn)行采樣，需要從嵌入在數據中的時(shí)鐘信號提取出來(lái)，即是時(shí)鐘恢復。

圖 1 HDMI和JESD204B的引腳定義

  從圖2中可以看出在不同的采樣時(shí)刻對數據進(jìn)行取樣判決的結果可能會(huì )有非常大的區別，那么在沒(méi)有隨路時(shí)鐘的情況下，在何時(shí)刻對數據進(jìn)行取樣判決，能否在每個(gè)周期的相同時(shí)刻對數據進(jìn)行取樣判決都成了至關(guān)重要的因素，會(huì )直接影響傳輸結果。

圖 2 采樣時(shí)刻示意圖

  一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)鐘恢復電路如圖 3所示，它能夠從接收到的NRZ/PAM4信號中提取出數據序列，并恢復出與數據序列相對應的時(shí)鐘信號，恢復出的時(shí)鐘信號可以作為基準源提供給采樣示波器、誤碼儀或者其他接收機使用，用于和輸入數據進(jìn)行同步。

圖 3 時(shí)鐘恢復示意圖

  對于恢復出的時(shí)鐘通常需要滿(mǎn)足下面三個(gè)條件：

  時(shí)鐘頻率和數據速率成比例關(guān)系

  時(shí)鐘和數據具有固定相位關(guān)系

  時(shí)鐘固有抖動(dòng)要比較小

  組成原理

  目前實(shí)現時(shí)鐘恢復的架構如表 1所示，主要有：鎖相環(huán)技術(shù)、延遲鎖相環(huán)技術(shù)、相位插值技術(shù)、過(guò)采樣技術(shù)、注入鎖定技術(shù)、門(mén)振蕩器技術(shù)等。注入鎖定和門(mén)振蕩器電路反應速度比較快，目前常應用于突發(fā)模式通信中，如：FTTH、ATM、EPON、GPON、LANs等。鎖相環(huán)、延遲鎖相環(huán)、相位插值等電路適用于連續模式通信，如：SONET、Fiber Channel、Gigabit Ethernet中。過(guò)采樣電路則兩者都適用。在時(shí)鐘恢復單元表中通常采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現對時(shí)鐘的提取。

表 1 不同架構的時(shí)鐘數據恢復電路的優(yōu)缺點(diǎn)

  鎖相環(huán)方式時(shí)鐘恢復原理框圖如圖 4所示，具有相位鎖定環(huán)路和頻率鎖定環(huán)路，頻率鎖定環(huán)路產(chǎn)生粗調頻率鎖定范圍，相位鎖定環(huán)路產(chǎn)生細調頻率鎖定范圍。頻率鎖定環(huán)路將壓控振蕩器2輸出進(jìn)行分頻后給到鑒頻鑒相器，使得可以通過(guò)較低的參考輸入頻率就能夠產(chǎn)生較高的輸出頻率，使壓控振蕩器2輸出頻率為N×參考輸入頻率。同時(shí)頻率鎖定環(huán)路的控制電壓可以給到壓控振蕩器1，使壓控振蕩器1的振蕩頻率接近或等于目標鎖定頻率上，相位跟蹤環(huán)路中的鑒相器可以將壓控振蕩器1輸出精確調整至和數據輸入相同的速率，其中低通濾波器的截止頻率決定了鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬。

圖 4 鎖相環(huán)方式時(shí)鐘恢復原理框圖

  恢復出的時(shí)鐘信號抖動(dòng)取決于壓控振蕩器的固有抖動(dòng)和鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬，環(huán)路能夠追蹤并抑制環(huán)路帶寬內的抖動(dòng)，忽略環(huán)路帶寬外的抖動(dòng)，超過(guò)環(huán)路帶寬截止頻率越多，抑制效果越差，圖 5為我們展示了一個(gè)抖動(dòng)傳遞曲線(xiàn)。環(huán)路帶寬外對抖動(dòng)抑制和頻率的關(guān)系成為帶外滾降系數，在諸多標準協(xié)議中有定義完美鎖相環(huán)“Golden PLL”帶外滾降系數為20dB/十倍頻以及具有和數據速率恒定比例的環(huán)路帶寬數值(當輸入數據速率變化時(shí)環(huán)路帶寬應隨之改變)。

圖 5 抖動(dòng)傳遞曲線(xiàn)

  環(huán)路帶寬越窄，恢復出的時(shí)鐘信號抖動(dòng)越小;反之，環(huán)路帶寬越寬，恢復出的時(shí)鐘信號抖動(dòng)越大。將恢復出的時(shí)鐘信號作為采樣示波器的觸發(fā)信號時(shí)，對于同樣抖動(dòng)的輸入數據信號來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘信號抖動(dòng)越小，測量到的數據抖動(dòng)越大，時(shí)鐘信號抖動(dòng)越大，測量到的數據抖動(dòng)越小。由于時(shí)鐘中的抖動(dòng)和數據中的抖動(dòng)是同源的，因此以時(shí)鐘作為基準對數據采樣時(shí)，保持相同的抖動(dòng)速率和幅度，反而對于采樣結果更加穩定!這也是為什么標準協(xié)議需要定義眼圖測試時(shí)，時(shí)鐘恢復單元的環(huán)路帶寬，否則測量到的結果可能是不真實(shí)的。

  如圖 6所示，對于同一個(gè)含有抖動(dòng)的信號進(jìn)行眼圖測試，左側為環(huán)路帶寬大于抖動(dòng)頻率時(shí)眼圖測試結果，右側為環(huán)路帶寬小于抖動(dòng)頻率時(shí)眼圖測試結果。由此可見(jiàn)，當時(shí)鐘恢復環(huán)路帶寬設置不恰當時(shí)，可能帶來(lái)錯誤的測試結論!

圖 6 不同環(huán)路帶寬恢復出時(shí)鐘做觸發(fā)的抖動(dòng)信號眼圖

  所有的總線(xiàn)標準(比如ETH以太網(wǎng)、OIF-CEI光聯(lián)盟、PCIe、USB3.0、SATA等)根據速率和協(xié)議有不同的環(huán)路帶寬要求，如圖 6所示，因此也要求時(shí)鐘恢復單元能夠提供合適的可變的環(huán)路帶寬，以應對復雜的測試要求。

  03、選擇時(shí)鐘恢復有哪些指標功能需要注意

   1 速率范圍在滿(mǎn)足被測件工作速率范圍的情況下，要留一定余量

  一方面被測件有些臨界測試需要超范圍使用，另一方面數據包含抖動(dòng)時(shí)，實(shí)際鎖定范圍需要比工作速率范圍更寬，否則會(huì )導致失鎖。

  2 輸入靈敏度要低于被測件輸出幅度

  輸入靈敏度需要低于被測件輸出幅度，否則會(huì )導致無(wú)法正常鎖定或者穩定鎖定輸入信號。

  3 恢復信號固有隨機抖動(dòng)要盡量低于被測件隨機抖動(dòng)

  恢復信號固有抖動(dòng)要盡量低于被測件隨機抖動(dòng)，恢復出的時(shí)鐘信號抖動(dòng)會(huì )跟隨輸入信號抖動(dòng)，當輸入信號抖動(dòng)下降時(shí)，恢復出的時(shí)鐘信號抖動(dòng)也會(huì )隨之下降，但是一旦達到了恢復信號固有抖動(dòng)時(shí)，輸出的信號質(zhì)量不會(huì )進(jìn)一步改善。

  4 環(huán)路帶寬需要能夠調節，能夠滿(mǎn)足協(xié)議規范標準要求，以及對于發(fā)送和接收端測試調試要求

  不同的協(xié)議對環(huán)路帶寬有不同的需求，為了適應更廣泛的測試環(huán)境，時(shí)鐘恢復的環(huán)路帶寬需要能夠調節，以保證測量結果準確性和合規性。

  5 追蹤范圍要盡量大

  當輸入數據和設定范圍有小的偏差時(shí)，需要時(shí)鐘恢復單元也能夠正常鎖定，允許的偏差范圍即是追蹤范圍。那么以64GBd輸入數據速率時(shí)，追蹤范圍±1000ppm意味著(zhù)64GBd±64M的范圍內都能夠正常鎖定。

  6 具有自動(dòng)重鎖功能

  在自動(dòng)化測試環(huán)境中，為了提升測試效率，往往在測試系統中配備了開(kāi)關(guān)以完成自動(dòng)化切換，在切換過(guò)程中會(huì )有短暫的信號丟失(無(wú)信號)過(guò)程，這時(shí)如果時(shí)鐘恢復單元具有自動(dòng)重鎖功能，則不需要用戶(hù)進(jìn)行任何操作，即可以重新鎖定，簡(jiǎn)化了測試流程。

  7 具有鎖定測頻功能

  由于時(shí)鐘恢復單元在追蹤范圍內能夠對輸入信號進(jìn)行鎖定，因此實(shí)際的輸入信號速率需要能夠展示給用戶(hù)，方便觀(guān)測設備是否工作正常。

  8 輸出分頻比可配置

  在配合接收機使用時(shí)，可能需要時(shí)鐘恢復輸出1/2速率時(shí)鐘或者1/4時(shí)鐘，再配合示波器使用時(shí)，可能需要時(shí)鐘恢復輸出一個(gè)低于3.2GHz的時(shí)鐘，為了應對不同的使用場(chǎng)景，時(shí)鐘恢復單元的時(shí)鐘輸出通常需要提供時(shí)鐘分頻能力。

  04、中星聯(lián)華SL3300A系列有哪些特點(diǎn)

支持NRZ/PAM4信號

速率范圍：18GBd至64GBd

內部可集成光電轉換模塊/光功分模塊/電功分模塊

可調環(huán)路帶寬，最大可至20MHz

可工作在時(shí)鐘恢復模式和時(shí)鐘產(chǎn)生模式

支持本地控制和遠程控制

支持輸入均衡

10檔可調峰值(peaking)

抖動(dòng)頻譜分析功能

  05、中星聯(lián)華SL3300A系列性能指標

  ① 不同速率有所區別

  ② 在NRZ，PRBS13條件下進(jìn)行校準

  ③ 視環(huán)路帶寬不同有所區別

  ① 不同速率有所區別

  ② 在NRZ，PRBS13條件下進(jìn)行校準

  ③ 視環(huán)路帶寬不同有所區別

END

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