時鐘是怎么恢復的

時鐘是怎么恢復的？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把時鐘信息提取出來，并用這個恢復出來的時鐘對數(shù)據(jù)進行采樣，因此時鐘恢復電路對于高速串行信號的傳輸和接收至關重要。CDR電路原理

時鐘恢復的目的是跟蹤上發(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。時鐘恢復電路（CDR：ClockDataRecovery）一般都是通過PLL（Phaselockloop）的方式實現(xiàn)，如下圖所示。輸入的數(shù)字信號和PLL的VCO（Voltage-controlledoscillator，壓控振蕩器）進行鑒相比較，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行比較并轉(zhuǎn)換成相應的電壓控制信號，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（JitterTransferFunction，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時鐘為基準對輸入信號進行采樣，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)信號進行采樣，就會觀察到輸入信號里明顯的抖動。接收端用恢復時鐘進行采樣時能夠看到的抖動與抖動頻率間的關系有時我們會用OJTF（ObservedJitterTransferFunction，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遠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，甚至可以遠超過1個UI（數(shù)據(jù)比特寬度）。時鐘恢復電路的PLL的環(huán)路帶寬設置不同，對于不同頻率抖動跟蹤能力也不一樣。一般情況下，PLL的帶寬設置越窄，恢復出來的時鐘越純凈，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的帶寬設置越寬，對于抖動的跟蹤能力越強，恢復出來的時鐘和信號的抖動越接近，用這個時鐘為基準對數(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帶寬設置對于恢復時鐘抖動和以這個恢復時鐘為基準對信號進行采樣時看到的眼圖的情況。測試中時鐘恢復方式的選擇

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，應該以什么樣的時鐘為基準呢？或者說應該把時鐘恢復的環(huán)路帶寬設置為多少呢？答案就是盡量參考接收端芯片的時鐘恢復情況。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，我們關心的也是這個信號進入到接收芯片內(nèi)部后接收芯片經(jīng)時鐘恢復后看到的眼圖是什么樣的，所以在進行發(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方式，否則測量到的結果可能是不真實的。不同的總線對于接收端時鐘恢復的環(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行測試，測試儀表不但需要有時鐘恢復能力，還需要能夠根據(jù)不同總線的要求設置合適的環(huán)路帶寬。很多實時示波器