深入淺出了解時鐘恢復(fù)

深入淺出了解時鐘恢復(fù)

  01、沒有時鐘恢復(fù)會有什么問題?

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

  您是否碰到過經(jīng)過被測件后輸出和源觸發(fā)不同步的情況?

  您是否碰到過想要用示波器測試卻無法提供觸發(fā)信號的情況?

  您是否碰到過想要用誤碼檢測器進(jìn)行誤碼率測試卻需要一個同步時鐘的情況?此時如果被測件內(nèi)部時鐘恢復(fù)環(huán)路帶寬大于等于外部時鐘恢復(fù)單元會有什么后果?

  您是否注意到規(guī)范中這些有意思的術(shù)語，諸如Baud Rate/1667、Baud Rate/2578、Baud Rate/6640?進(jìn)行TX發(fā)送端測試的時候，需要通過調(diào)整時鐘恢復(fù)單元環(huán)路帶寬和峰值來滿足不同的速率和協(xié)議要求?

  02、什么是時鐘恢復(fù)

  基本概念

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

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刻對數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣判決的結(jié)果可能會有非常大的區(qū)別，那么在沒有隨路時鐘的情況下，在何時刻對數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣判決，能否在每個周期的相同時刻對數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣判決都成了至關(guān)重要的因素，會直接影響傳輸結(jié)果。

圖 2 采樣時刻示意圖

  一個簡單的時鐘恢復(fù)電路如圖 3所示，它能夠從接收到的NRZ/PAM4信號中提取出數(shù)據(jù)序列，并恢復(fù)出與數(shù)據(jù)序列相對應(yīng)的時鐘信號，恢復(fù)出的時鐘信號可以作為基準(zhǔn)源提供給采樣示波器、誤碼儀或者其他接收機(jī)使用，用于和輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。

圖 3 時鐘恢復(fù)示意圖

  對于恢復(fù)出的時鐘通常需要滿足下面三個條件：

  時鐘頻率和數(shù)據(jù)速率成比例關(guān)系

  時鐘和數(shù)據(jù)具有固定相位關(guān)系

  時鐘固有抖動要比較小

  組成原理

  目前實現(xiàn)時鐘恢復(fù)的架構(gòu)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)、過采樣技術(shù)、注入鎖定技術(shù)、門振蕩器技術(shù)等。注入鎖定和門振蕩器電路反應(yīng)速度比較快，目前常應(yīng)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(xù)模式通信，如：SONET、Fiber Channel、Gigabit Ethernet中。過采樣電路則兩者都適用。在時鐘恢復(fù)單元表中通常采用鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)對時鐘的提取。

表 1 不同架構(gòu)的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的優(yōu)缺點

  鎖相環(huán)方式時鐘恢復(fù)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(diào)頻率鎖定范圍，相位鎖定環(huán)路產(chǎn)生細(xì)調(diào)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(biāo)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(diào)整至和數(shù)據(jù)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)方式時鐘恢復(fù)原理框圖

  恢復(fù)出的時鐘信號抖動取決于壓控振蕩器的固有抖動和鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬，環(huán)路能夠追蹤并抑制環(huán)路帶寬內(nèi)的抖動，忽略環(huán)路帶寬外的抖動，超過環(huán)路帶寬截止頻率越多，抑制效果越差，圖 5為我們展示了一個抖動傳遞曲線。環(huán)路帶寬外對抖動抑制和頻率的關(guān)系成為帶外滾降系數(shù)，在諸多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中有定義完美鎖相環(huán)“Golden PLL”帶外滾降系數(shù)為20dB/十倍頻以及具有和數(shù)據(jù)速率恒定比例的環(huán)路帶寬數(shù)值(當(dāng)輸入數(shù)據(jù)速率變化時環(huán)路帶寬應(yīng)隨之改變)。

圖 5 抖動傳遞曲線

  環(huán)路帶寬越窄，恢復(fù)出的時鐘信號抖動越小;反之，環(huán)路帶寬越寬，恢復(fù)出的時鐘信號抖動越大。將恢復(fù)出的時鐘信號作為采樣示波器的觸發(fā)信號時，對于同樣抖動的輸入數(shù)據(jù)信號來說，時鐘信號抖動越小，測量到的數(shù)據(jù)抖動越大，時鐘信號抖動越大，測量到的數(shù)據(jù)抖動越小。由于時鐘中的抖動和數(shù)據(jù)中的抖動是同源的，因此以時鐘作為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)采樣時，保持相同的抖動速率和幅度，反而對于采樣結(jié)果更加穩(wěn)定!這也是為什么標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議需要定義眼圖測試時，時鐘恢復(fù)單元的環(huán)路帶寬，否則測量到的結(jié)果可能是不真實的。

  如圖 6所示，對于同一個含有抖動的信號進(jìn)行眼圖測試，左側(cè)為環(huán)路帶寬大于抖動頻率時眼圖測試結(jié)果，右側(cè)為環(huán)路帶寬小于抖動頻率時眼圖測試結(jié)果。由此可見，當(dāng)時鐘恢復(fù)環(huán)路帶寬設(shè)置不恰當(dāng)時，可能帶來錯誤的測試結(jié)論!

圖 6 不同環(huán)路帶寬恢復(fù)出時鐘做觸發(fā)的抖動信號眼圖

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

  03、選擇時鐘恢復(fù)有哪些指標(biāo)功能需要注意

   1 速率范圍在滿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(shù)據(jù)包含抖動時，實際鎖定范圍需要比工作速率范圍更寬，否則會導(dǎo)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，否則會導(dǎo)致無法正常鎖定或者穩(wěn)定鎖定輸入信號。

  3 恢復(fù)信號固有隨機(jī)抖動要盡量低于被測件隨機(jī)抖動

  恢復(fù)信號固有抖動要盡量低于被測件隨機(jī)抖動，恢復(fù)出的時鐘信號抖動會跟隨輸入信號抖動，當(dāng)輸入信號抖動下降時，恢復(fù)出的時鐘信號抖動也會隨之下降，但是一旦達(dá)到了恢復(fù)信號固有抖動時，輸出的信號質(zhì)量不會進(jìn)一步改善。

  4 環(huán)路帶寬需要能夠調(diào)節(jié)，能夠滿足協(xié)議規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，以及對于發(fā)送和接收端測試調(diào)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(yīng)更廣泛的測試環(huán)境，時鐘恢復(fù)的環(huán)路帶寬需要能夠調(diào)節(jié)，以保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性和合規(guī)性。

  5 追蹤范圍要盡量大

  當(dāng)輸入數(shù)據(jù)和設(shè)定范圍有小的偏差時，需要時鐘恢復(fù)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(shù)據(jù)速率時，追蹤范圍±1000ppm意味著64GBd±64M的范圍內(nèi)都能夠正常鎖定。

  6 具有自動重鎖功能

  在自動化測試環(huán)境中，為了提升測試效率，往往在測試系統(tǒng)中配備了開關(guān)以完成自動化切換，在切換過程中會有短暫的信號丟失(無信號)過程，這時如果時鐘恢復(fù)單元具有自動重鎖功能，則不需要用戶進(jìn)行任何操作，即可以重新鎖定，簡化了測試流程。

  7 具有鎖定測頻功能

  由于時鐘恢復(fù)單元在追蹤范圍內(nèi)能夠?qū)斎胄盘栠M(jìn)行鎖定，因此實際的輸入信號速率需要能夠展示給用戶，方便觀測設(shè)備是否工作正常。

  8 輸出分頻比可配置

  在配合接收機(jī)使用時，可能需要時鐘恢復(fù)輸出1/2速率時鐘或者1/4時鐘，再配合示波器使用時，可能需要時鐘恢復(fù)輸出一個低于3.2GHz的時鐘，為了應(yīng)對不同的使用場景，時鐘恢復(fù)單元的時鐘輸出通常需要提供時鐘分頻能力。

  04、中星聯(lián)華SL3300A系列有哪些特點

支持NRZ/PAM4信號

速率范圍：18GBd至64GBd

內(nèi)部可集成光電轉(zhuǎn)換模塊/光功分模塊/電功分模塊

可調(diào)環(huán)路帶寬，最大可至20MHz

可工作在時鐘恢復(fù)模式和時鐘產(chǎn)生模式

支持本地控制和遠(yuǎn)程控制

支持輸入均衡

10檔可調(diào)峰值(peaking)

抖動頻譜分析功能

  05、中星聯(lián)華SL3300A系列性能指標(biāo)

  ① 不同速率有所區(qū)別

  ② 在NRZ，PRBS13條件下進(jìn)行校準(zhǔn)

  ③ 視環(huán)路帶寬不同有所區(qū)別

  ① 不同速率有所區(qū)別

  ② 在NRZ，PRBS13條件下進(jìn)行校準(zhǔn)

  ③ 視環(huán)路帶寬不同有所區(qū)別

END

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