一文介绍CDR(clock data recovery)的工作原理

在抖动测试、眼图测试中，时钟恢复相关知识非常重要的时钟恢复相关知识。今天我们会给大家讲解时钟恢复的基础概念，时钟恢复电路原理以及测试中时钟恢复方式的选择。

从测试角度讲，为了让我们的结果有更好的工程意义和参考意义，在进行抖动/眼图模板测试、串行协议解码和串型数据码型触发等分析时，需要设定合适的时钟恢复。

什么是时钟恢复(Clock Data Recovery)？

在数据上叠加时钟，需要将数据与时钟以某种方式融合。为了得到在发送端如何将数据与时钟融合的方法，我们首先要考虑在接收端如何将数据与时钟分离。从传送过来的信号中重新获得时钟分量的方法，称为时钟再生或时钟恢复。通过检测接收到的信号的相位，可以进行时钟恢复。

时钟恢复中时钟是怎么恢复的？

对于高速的串行总线来说，一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里，然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来，并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样，因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。

时钟恢复基本原理

时钟数据恢复主要完成两个工作，—个是时钟恢复，一个是数据重定时，也就是数据的恢复。时钟恢复主要是从接收到的NRZ(非归零码）码中籽嵌入在数据中的时钟信息提取出来。通常CDR是—个有振荡器的反馈环路，通过环路调节振荡时钟的相位来跟踪输入数据中的嵌入时钟。通过分析NRZ码的特征可以知道，在随机二进制数据的谱密度中，没有包含数据速率x处的谱线，即没有时钟提取所需要的直接信息。

为了找到时钟信息，一般采取的办法是边沿检测技术。为了确定最终的采样时钟相位，时钟恢复中还心须有相位误差检测电路。

恢复时钟需要满足的条件

1.时钟频率等于数据速率

2.与数据具有某种相位关系，时钟可以对比特最优采样，如时钟上升沿采样比特中点 •

3恢复的时钟用于数据重定时，必须有较小的抖动

通过时钟恢复结构中包含一个锁相环(Phase Locked Loop, PLL)横块，用来调节恢复时钟的频率并补偿由于工艺或温度的变化而导致的频率变化。

典型结构的PLL捕获范国是很小的，而且当输入数据是随机码的时候，更难获得捕获。因此大多数时钟恢复电路中采用了称为"频率辅助捕获"的方法。这种方法是通过频率锁定环路，使得压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator- VCO)的振荡频率向接收的数据速率方向变化，直到VCO输出振荡频率的误差达到所要求的某个范围内，才使PLL相位锁定环路工作，完成相位的锁定和数据的重定时。频率辅助捕获可以通过外部参考时钟来实现，也可以不用外部参考时钟。如果有外部参考时钟，频率捕获可以通过一个有鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector, PFD)的二阶PLL来实现。

时钟恢复电路原理

时钟恢复的目的是跟踪上发送端的时钟漂移和一部分抖动，以确保正确的数据采样。

时钟恢复电路（CDR）一般都是通过PLL锁相环的方式实现，如下图所示。

输入的数字信号和PLL的VCO（Voltage-controlled oscillator，压控振荡器）进行鉴相比较，如果数据速率和VCO的输出频率间有频率差就会产生相位差的变化，鉴相器对这个相位误差进行比较并转换成相应的电压控制信号，电压控制信号经过滤波器滤波后产生对VCO的控制信号从而调整VCO的输出时钟频率。使用滤波器的目的是把快速的相位变化信息积分后转换成相对缓慢的电压变化以调整VCO的输出频率，这个滤波器有时又称为环路滤波器，通常是一个低通的滤波器。通过反复的鉴相和调整，最终VCO的输出信号频率和输入的数字信号的变化频率一致，这时PLL锁相环电路就进入锁定状态。

为什么要用时钟恢复呢？

以示波器為例，因为采样示波器除了被测信号之外，还需要一个和被测信号同源的时钟来做trigger，来获取眼图。时钟有可能通过我们的误码仪里面的分频时钟或者AWG任意波形发生器输出一路时钟来做trigger。但有时候它是直接从板子里面出信号，这时候就需要CDR。

另外一种应用场景就是规范里面有要求，还有长距离传输的眼图测试，比如五公里十公里，他的误码仪时钟和光已经不同源了，有抖动和漂移的累积，即使可以触发眼图，看起来也是很糟糕的。

环路带宽对眼图、抖动测量的影响

值得注意的是，在真实的情况下，输入的数字信号并不是一个纯净的信号，而是包含了不同频率成分的抖动。对于低频的抖动来说，其造成的是数据速率的缓慢变化，如果这个缓慢变化的频率低于环路滤波器的带宽，输入信号抖动造成的相位变化信息就可以通过环路滤波器从而产生对VCO输出频率的调整，这时VCO的输出时钟中就会跟踪上输入信号的抖动。而如果输入信号中抖动的频率比较高，其造成的相位变化信号不能通过环路滤波器，则VCO输出的时钟中就不会有随输入信号一起变化的抖动成分,也就是说输入信号中的高频抖动成分被PLL锁相环电路过滤掉了。如下图所示，我们通常会用PLL锁相环电路的JTF（Jitter Transfer Function，抖动传递函数）曲线描述PLL电路对于不同频率抖动的传递能力。JTF曲线通常是个低通的特性，反映了PLL锁相环电路对于低频抖动能很好跟踪而对高频抖动跟踪能力有限的特性。

对于低频的抖动，PLL锁相环电路能够很好地跟踪，恢复出来的时钟和被测信号一起抖动。如果接收端的芯片用这个恢复时钟为基准对输入信号进行采样，由于此时时钟和被测信号一起抖动，所以这种低频的抖动不会被观察到，对于数据采样的建立保持时间也没有太大影响。

相反地，高频的抖动会被PLL锁相环电路过滤掉，因此输出的时钟里不包含这些高频的抖动成分。如果用这个时钟对数据信号进行采样，就会观察到输入信号里明显的抖动。接收端用恢复时钟进行采样时能够看到的抖动与抖动频率间的关系有时我们会用OJTF（Observed Jitter Transfer Function，观察到的抖动传递函数）曲线来描述，其随频率的变化曲线正好JTF曲线相反。

正因为时钟恢复电路对于低频抖动的跟踪特性，因此很多高速串行总线的接收芯片对于低频抖动的容忍能力会远远超过对高频抖动的容忍能力。下图是USB3.0总线对于接收端芯片对于不同频率抖动容忍能力的要求的一条曲线，可以看到其对低频的容忍能力非常大，甚至可以远超过1个UI（数据比特宽度）。

PLL锁相环带宽设置

时钟恢复电路的PLL锁相环的环路带宽设置不同，对于不同频率抖动跟踪能力也不一样。

一般情况下，PLL锁相环带宽的设置越窄，恢复出来的时钟越纯净，但是对于抖动的跟踪能力越弱，用这个时钟为基准对数据做采样时看到的信号上的抖动会越多，看到的信号的眼图会越恶劣；相反，如果PLL锁相环带宽的设置越宽，对于抖动的跟踪能力越强，恢复出来的时钟和信号的抖动越接近，用这个时钟为基准对数据做采样时看到的信号上的抖动会越少，看到的信号的眼图会越好。下图反映出的就是不同的PLL锁相环带宽设置对于恢复时钟抖动和以这个恢复时钟为基准对信号进行采样时看到的眼图的情况。

什么是时钟恢复模块的PLL锁相环带宽？

时钟恢复模块的PLL锁相环带宽决定着输入数据中有多少抖动可以传输到恢复的时钟内。PLL带宽越宽传输到恢复时钟内的抖动就越多，从而会减少眼图中显示的抖动量。这是因为用以触发测量的时钟信号会跟踪数据信号中显示的抖动。较窄的PLL带宽会使时钟信号更加干净，产生的眼图也将更精确地显示出输入数据中真实的抖动情况。在测量眼图时，锁相环PLL带宽可以成为有效的高通滤波器。

在进行眼图测量时使用正确的PLL锁相环带宽非常重要。各种测量标准都规定了PLL需要的确切带宽。下表中简要列举了PLL锁相环带宽标准。

下图显示了PLL锁相环带宽对测量的眼图造成的影响。左侧的屏幕图像显示了较窄PLL锁相环带宽的眼图，产生的掩码冗余度为10%。而右侧的屏幕图像被要求使用了标准中指定的PLL锁相环带宽，从而产生17%的掩码冗余度。

应用指南：如何轻松、准确地进行PPL带宽表征和抖动传输分析？

本文介绍了PLL合成器基础知识、如何更高效地设计PLL合成器，并介绍了PLL VCO性能评估的实用解决方案。

眼图与参考时钟

眼图概念

•数字信号的眼图包含丰富的信息，体现数字信号的整体特征，能够很好的评估数字信号的品质。

•眼图是高速数字信号不同位置的数据比特按照时钟的间隔叠加在一起而形成的类似“眼睛”形状的波形。

眼图的准确形成来源于参考时钟，对于很多并行总线，都有专门的时钟传输通道，会以时钟通道进行触发，对数据进行叠加对于串行总线，时钟信息嵌入到数据流中，需要测量设备具有时钟恢复功能，通过提取时钟在进行数据比特的叠加形成眼图。

时钟恢复方式的选择

通过前面的介绍可以看到，眼图和抖动都是相对量，对于同一个信号，以什么时钟为基准看到的效果是不一样的。那么对于一个高速串行信号的眼图或者抖动测量来说，应该以什么样的时钟为基准呢？或者说应该把时钟恢复的环路带宽设置为多少呢？答案就是尽量参考接收端芯片的时钟恢复情况。

即使对于一个从发送器直接发送出来的信号的眼图和抖动的测量，我们关心的也是这个信号进入到接收芯片内部后接收芯片经时钟恢复后看到的眼图是什么样的，所以在进行发送端的信号质量测试时也会尽量模拟接收端的时钟恢复方式，否则测量到的结果可能是不真实的。不同的总线对于接收端时钟恢复的环路带宽甚至滤波器的形状都有要求，比如光通信中常数据速率的1/1667或者1/2500做为环路带宽，而PCI-E、USB3.0、SATA等总线都有自己定义的环路带宽要求。

为了方便针对不同总线进行测试，测试仪表不但需要有时钟恢复能力，还需要能够根据不同总线的要求设置合适的环路带宽。很多实时示波器会用软件的方法进行时钟恢复，环路带宽的设置相对灵活一些；而采样示波器或者误码仪会用到专门的硬件时钟恢复电路，这时就需要时钟恢复电路最好能有环路带宽的调整能力以适应不同的测试标准。

电和光时钟恢复解决方案

是德科技的时钟恢复解决方案提供了从50MBaud至32 GBaud的广泛数据速率范围，非常适合用于计算机、数据通信和通信标准的多种发射机和接收机测试设置。

KEYSIGHT N1076B电时钟恢复仪器为电非归零（NRZ）和脉冲幅度调制4电平（PAM4）信号提供了时钟恢复功能。

Keysight的N1077A可完成50M – 32Gb/s的光&电信号时钟恢复！Keysight N1077A光/电时钟恢复集成了电时钟恢复仪器和放大的光电（O/E）转换器，使其能够同时适用于光和电应用。N1077A可根据需要提供内部单模（SM）和多模（MM）分路器，这样可简化设置并提高易用性。

Keysight N1076B电时钟恢复仪器和N1077A型号包括可调环路带宽和可选峰值，并提供高灵敏度和低固有抖动性能，确保出色的测量精度。可选的抖动频谱分析（JSA）功能可以深入观察低频抖动的幅度和分布情况，有助于诊断过多抖动的根本原因。

PLL锁相环带宽和抖动频谱分析

使用Keysight 86100DU-400 PLL分析软件支持快速、精且可重复的锁相环（PLL）带宽/抖动传输测量。N1076A/77A可配置为抖动接收机，与精密抖动源相结合，例如Keysight M8000系列BER测试解决方案，共同创建一个PLL激励响应测试系统。PCI Express-认可的PLL带宽一致性测试采用预配置，具有自动报告生成功能。

时钟同步问答

如何让示波器与其他仪器时钟同步?

示波器自己本身支持外部同步时钟输入，可以将其他设备输出的10MHz参考时钟通过电缆连接到示波器的REF CLK INPUT端口上。在示波器的软件界面中设置时钟源为外部时钟源。

对E2688A串行模板套件，环路带宽设置对时钟恢复有什么影响？

在没有提供离散时钟时，软件时钟恢复为从串行数据流中生成触发信号提供了一种有效技术。事实上，某些标准甚至对一致性测试提出了时钟恢复要求。

Infiniium的E2688A串行模板套件为用户提供了下述时钟恢复选项：

Intel PCI Express

光纤通道

一阶PLL

二阶PLL

恒定频率

如果您选择一阶或二阶PLL，必须指定锁相环(PLL)的额定数据速率和环路带宽。环路带宽控制功能设置PLL的3-dB带宽，用来从串行数据流中恢复时钟。这一控制功能的典型值是额定数据速率除以1667。

从本质上看，时钟恢复去掉了低于环路带宽设置的频率上发生的抖动。一般来说，环路带宽较窄(即较低)的PLL对数据定时变化的响应速度要慢于环路带宽较高的PLL。因此，带宽较低的PLL恢复的时钟更接近于不会随着时间变化的理想时钟，它可以更多地揭示数据流中的抖动。

例如，比较下面的眼图。创建顶部图使用的PLL的环路带宽要高于底部图。注意，尽管这两个数据信号基本相同，但在使用较低的环路带宽创建的眼图上，表现的抖动和眼睛闭合要更加明显

1MHz的环路带宽下时钟恢复触发的150Mb/s眼图

10KHz的环路带宽下时钟恢复触发的150Mb/s眼图

用户通常希望滤除低频抖动。某些通信标准为时钟恢复规定了最大环路带宽。例如，10Gb以太网标准要求4MHz的最大环路带宽。这意味着将从测量结果中去掉低于4MHz的频率上发生的抖动。

什么是SSC扩频时钟，主要用在哪里?

SSC扩频时钟是为了防止数字信号或者时钟由于频谱在某个频点上功率过高而引起的EMI问题，所以对时钟或者数据的周期进行周期性调制（三角波调制）。SSC的单位是ppm（百万分之一个时钟或者一个数据的周期），该值表示最大的时钟周期或者数据周期为UI*(1+Xppm)。常见的SSC周期为30KHz,最大为50KHz，值最大为5000ppm。

每次调用存储的ARB文件时，为了避免重新设置ARB取样时钟，我该怎么办？

您可以将下列设置保存为ARB波形文件的标题信息：

取样率

运行时间标度

标记1-4极性

ALC Hold路由

Alt Ampl.路由

RF Blank路由

高峰值模式

Mod衰减

I/Q Mod滤波器

I/Q输出滤波器

步骤：

首先，选择您想附上标题信息的波形文件。[Mode]，{Dual ARB}，{Select Waveform}，突出适当的文件名，{Select Waveform}。

第二，将ARB参数（比如：ARB取样时钟）设置为正确的值，并将ARB Off/On键处于打开状态。设置ARB参数，[Mode], {Dual ARB}, {ARB Off On}设为On（开）。（如果您忘记了正确的参数，可从Signal Studio中下载同一个波形。）

第三，将标题信息贴到波形文件上。[Mode], {Dual ARB}, {ARB Setup}, {Header Utilities}, {Save Setup To Header}。

最后，您可以保存这个带有标题信息的波形文件。[Mode], {Dual ARB}, {Waveform Segments}, {Load Store}设置为Store（保存），突出所附标题文件，{Store Segment To NVWFM Memory}